Высокоскоростные последовательные интерфейсы — это развивающаяся технология, призванная сократить размеры устройств и значительно увеличить скорость передачи данных. Можно увидеть кардинальный поворот в шинах передачи данных от параллельных шин к последовательным, который начался в начале 2000-ых. Переход от параллельных интерфейсов к высокоскоростным последовательным шинам привело к появлению таких технологий как SATA, USB и PCI Express, преимущества которых хорошо оценены сегодня.
Есть физическое ограничение тактовой частоты параллельных шин величиной порядка 1/2 ГГц. Это происходит потому, что существуют задержки между сигналом тактовой частоты и битами данных, которые вызывают ошибки на высоких скоростях. Высокоскоростные последовательные шины передают кодированные данные, в которых содержатся и сами данные и информация о частоте в едином дифференциальном сигнале, что позволяют инженерам избежать ограничений параллельных шин. В настоящее время, часто используются последовательные интерфейсы со скоростями передачи данных до 10 Гбит/с. Дополнительно, несколько линий последовательного интерфейса могут быть объединены вместе для получения линков с большей пропускной способностью.
Преобразование данных в последовательный вид и передача их с большей скоростью позволяет сократить количество контактов у микросхем. Кроме того, последовательные линии могут работать на гораздо большей частоте, реализуя лучшую пропускную способность, чем в случае использования параллельного интерфейса.
Уменьшение количество контактов у микросхем может уменьшить сложность изделия, но большая частота передачи добавляет проблем при проектировании. Когда скорость передачи данных достигает диапазона радиочастот, цепи для таких сигналов должны быть спроектированы как радиочастотные приемопередатчики для обеспечения целостности сигнала. Для упрощения способов обеспечения целостности сигналов при реализации высокоскоростных последовательных технологий используются специальные меры такие, как специальной кодирование, технологий «pre-emphasis» и выравнивание уровней.
Для того, чтобы последовательные соединения корректно работали, каждая сторона должна быть согласована и оперировать со специфичными параметрами. Эти параметры можно распределить на множественные функциональные уровни.
Самый нижний уровень — физический, который отвечает за удачную передачу и восстановление ноликов и единичек. Кроме того, канальный уровень отвечает за «упаковку» чистого потока данных в значащие структуры, что позволяет физическому уровню корректно осуществлять передачу и прием. Затем, верхние уровни, расположенные над физическим и канальным уровнями, могут предоставлять дополнительные функции такие, как коррекция ошибок, упаковка в пакеты или данные маршрутизации.
Физический уровень отвечать за электрическую совместимость между устройствами и передаёт синхронно тактированные биты на канальный уровень. Физический уровень — самый низкий. На этом уровне разработчики должны проектировать приёмники и передатчики электрически совместимыми.
Различные высокоскоростные последовательные протоколы определяют различные требования для электрического интерфейса приемника и передатчика. Электрический сигнал для высокоскоростных интерфейсов, как правило, дифференциальный. Информация передаётся как два комплементарных сигнала (положительный и отрицательный сигналы), каждый из которых передаётся по своему проводнику. Такой технический прием требуется для достижения коротких фронтов и спадов сигнала для скоростей выше 1 Гбит/с, электромагнитной совместимости и увеличения помехостойкости за счёт снижения синфазных помех. Кроме того, магнитуда сигнала редко превышают 1 В на таких скоростях и используемые электрические стандарты — это LVDS (low-voltage differential signaling), ECL (emitter-coupled logic) или CML (current mode logic).
Другая важная особенность физического уровня для высокоскоростных последовательных связей — это возможность восстановления тактовой синхронизации из потока данных CDR (clock and data recovery). Технология CDR — это возможность на стороне приёмного устройства синхронизировать ко входному потоку данных без необходимости использования отдельного тактового сигнала. Это реализуется с помощью канального уровня, пропускающего обычные биты данных через кодировку. Это позволяет схемам ФАПЧ (PLL — phase -locke loop) и фазовой интерполяции (PI — phase interpolator) восстанавливать переданную частоту и использовать её для захвата входящих данных с минимальными ошибками.
Выравнивание (equalization) — это процесс компенсации электрических характеристик сигнала для улучшения частотного отклика канала. Такая компенсация может быть необходима на приёмной или передающей стороне линии связи для улучшения такой характеристики, как «link margin», обычно она реализуется на приёмной стороне.
Когда высокоскоростной последовательный сигнал передаётся по дорожке на печатной плате, через соединители или кабели и в приёмнике выравнивание неодинаково влияет на все частотные компоненты сигнала, в результате чего происходит искажение сигнала. Настройки выравнивания в мультигигабитных приемопередатчиках могут усиливать или ослаблять различные частоты в сигнале до его обработки для улучшения запаса устойчивости сигнала. Многие мультигигабитные приемопередатчики обладают функцией автовыравнивания, которая детектирует и последовательно настроивает эквалайзеры к идеальным настройкам.
Термин «pre-empsis» или «предыскажение» обычно используют для обозначения коррекции частоты на стороне передатчика высокоскоростной коммуникационной линии. Она применяется для устранения аналоговых искажений, таких как межсимвольная интерференция (ISI-inter-symbol interference). На высоких скоростях передачи, биты данных начинают влиять друг на друга при передаче. Предыскажение противодействует деградации сигнала в канале.
Источники
Материал предназначен для использования в образовательных целях