串行接口的速率會比并行快,可以從下面四個方面考慮:
①高速串口不需要時鐘信號來同步數據流,也就沒有時鐘周期性的邊沿,頻譜不會集中,所以噪聲干擾少很多。
以PCIE和SATA為例,時鐘信息通過8b/10b編碼已經集成在數據流里面,數據本身經過加擾,不可能有多于5個0或者5個1的長串(利于時鐘恢復),也不存在周期性(避免頻譜集中)。這樣,通過數據流的沿變可以直接用PLL恢復出時鐘,再用恢復的時鐘采集數據流。這有什么好處?時鐘信號消耗的功耗極多,帶來的噪聲也,不傳時鐘可以降低功耗,減少噪聲。
②所有高速串口都采用差分總線傳輸,外界噪聲同時加載到兩條差分線上,相減之后可以抵消,具備很強的抗干擾能力,同時因為差分線通常以電流為載體傳輸,遠端沒有電壓傳輸的壓降,因此長距離也不是問題。
③差分信號沒有時鐘skew問題,因為它根本就沒有同步時鐘,不存在時鐘和數據流的對齊問題。只需要保證差分信號線是對齊的就行,這是很容易的,因為差分信號線的值總是相反,相關性強,易控制。一根線跳的時候,另一根線經過一個非門的延時馬上會跳,這個非門的延時是很容易補償的。
并行總線的問題就是多根線傳輸的時候,無法保證所有的沿變都對齊,很有可能傳著傳著某些信號跟不上,落后了一個時鐘周期,數據就傳錯了。想控制也難,因為各個信號沒有相關性,互相的沿變本身就是獨立的,因為布線不同,很有可能一個跳的早點,另一個跳的晚點,再加上各個傳輸線電阻不同,噪聲不同,傳一會兒就分辨不出來哪個值對應哪個周期。
④差分線線數少,干擾少。并行傳輸,一般32根或者64根,一根線跳變,會給旁邊的線帶來噪聲,頻率越高,這種噪聲越大,很容易導致別的線值被篡改或者無法辨認,所以頻率不可能很高。串行傳輸一般就4根數據線,分成Rx兩根差分線和Tx兩根差分線,差分線總是往相反方向跳,可以抵消各自的跳變噪聲,比如Rx的正極性發生跳變時會產生噪聲,這種噪聲可以被Rx的負極性以相反的跳變直接抵消掉(因為他們是差分信號對),總的噪聲為0,杜絕了內部噪聲。
綜上,串口傳輸的各種優勢使得其內外噪聲皆免疫,又沒有信號對齊之憂,可以以極高的速率傳輸。比如SATA可以以6Gb的速率傳輸數據流,PCIE可以以8Gb的速率傳輸數據流。這種速率,并行傳輸是根本做不到的,更不要說串行傳輸還能節省大量引腳。
串口為啥比并口快,還有的因素是串口的特性和應用場景,決定了它更加適合采用一些可以提高單根信道速率的設計方法:差分信號(differential signaling),時鐘-數據恢復(Clock-Data Recovery,簡稱CDR),和信道均一化(Channel Equalization,Eq)。而這些方法目前用在并口上并不合適。
既然串口有如此大的優勢,為什么并口還是存在?
從現有的應用看來,有一些歷史遺留速度不高的應用,還有一些需要突發性高帶寬的應用,還是需要并口的應用,比如很特殊的DDR。雖然XDR/GDDR/HMC/HCM這些新標準都在試圖引入SerDes, 但DRAM行業的特殊性還是讓并口繼續存活著。
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