最近的工作涉及到了一些串行通信的知识，了解到了有关 SerDes（Serializer/Deserializer，串行器/解串器）和 MGT（Multi-gigabit transceiver，数 G 比特的收发器）的许多知识，发现这块知识非常有趣，并且涉及到了许多有用的名词，于是进行了一些稍微深入的了解、调研。

串行通信的基本知识12345

通信是一种信息交换的过程。数字信号在两个设备之间的传输，可以是串行（Serial）的，也可以是并行（Parallel）的。

并行与串行通信

人的直觉通常是——并行通信同时用到了多根线，所以一定要快一些。可是，现实中绝大部分的数据传输方式都是串行的，例如 USB、以太网、RS 485、HDMI 等等。并行通信只在少数芯片之间的连接上能被找到，例如 CPU 的地址线与数据线就是并行的（为了确认这句话对于现代的 CPU 仍然有效，我特意翻了 Intel® Core™ i7-900 的 Datasheet）。这是为什么呢？这里就要谈到并行通信的局限性了。

并行通信的局限性

（由于这一块经过了许多独立思考，所以会罗嗦一点）

首先，需要明确的一点是，如果发送比特的频率相同，那么并行通信是比串行通信要快的。但是，并行通信本身有一些局限性，使其实际发送比特的频率比串行通信更低，或者更不适用于实际的系统。

局限性一：Skew 与 Jitter

并行通信必须要保证每根线的传输是同步的，每个数据进行传输时，必须要等到每一个比特都到达，才能进行下一个数据的传输；如果每根线自顾自地传，各自的数据率都不相同，那么接收端多个通道的数据就无法组合成正确的数据了。因此，并行通信必须要额外传输一个时钟信号，每根线上的传输需要和时钟信号同步。但是，实际的传输中，没办法保证各个每根线的信道特性完全一样，复杂的外界条件，例如线的长度和物理特性的不统一，线的不同弯曲变形方式导致的电气特性改变，外界的干扰不一致等等，都会导致每根传输线的信道特征各不相同，它们的传输延迟也将不一致。这种不一致的延迟，被称作 skew；同时，由于电磁干扰、码间干扰、外界噪声等原因，哪怕是每根线自己，每次传输的延迟都是不一致的，这种各个周期之间的不同被称作 jitter。哪怕各个导线传输数据的频率是完全符合时钟信号的节拍的，也无法保证它们接收时仍然保持一致。在这种情况下，两个数据的传输之间的等待时间，或者说时钟周期，就应该要长一些，应该比 skew+jitter 的时间还要长，如下图所示。

并行通信的时钟周期受限

skew 和 jitter 的影响，对于速度不快（即时钟周期本来就比较长），或者距离较近的传输来说，不是很大。当传输的距离增大时，每个信道受到的各种干扰会更多，skew 和 jitter 也会更大；而当传输的速度非常快时，时钟周期非常短，那么同样大小的 skew 和 jitter 就会对传输的可靠性造成更大的影响。因此，skew 和 jitter 使得并行通信只适合距离非常短或数据率不高的传输，例如 CPU 与其它设备的数据通信。

局限性二：串扰

数据传输时，传输线上的传播的是一个变化的电压，那么变化的电压就会在空间中激发出变化的电磁场。由于传输线的电容和电感特性，一根线上的电压和电流变化时，会在其它线上产生感应电压或感应电流，与其它线上本身传输的电压与电流信号发生叠加，这种现象叫做串扰（crosstalk）。两根传输线彼此的串扰大小，是随着信号频率的增大而增大的。沿着传输线的每一点上都会发生串扰，因此当传输的距离增大时，各个点的串扰信号叠加起来，在接收端观察到的串扰就会非常大；而当信号的数据率增加时，它的频率也会增大，串扰便会增大。虽然数字信号有一定的抗干扰能力，但是过大的串扰也会使得接收端不再能读取出正确的信号。因此，串扰的存在，同样使并行通信只适合距离非常短或数据率不高的传输。

串扰的示意图

局限性三：成本

第三个因素虽然不限制传输的速率和距离，但仍然是并行通信的一个重要的局限性。并行通信会需要用到更多根连接线、更复杂的接口，极大地提高成本和使用难度。

如果我们的鼠标使用并行通信，那么鼠标的连线可能会和你的手机的充电线一样又粗又难以弯折；如果以太网使用并行通信，那么以太网的接头会比现在复杂十多倍，巨大的接头难以设计在笔记本电脑上，网线会变的像铠装电缆一样粗，全世界因特网的布线成本也会增加几十倍（这里都没有考虑并行通信能不能传输那么远的问题了）。而且线多了之后，更容易坏；接头复杂了之后，更难用。对于复杂集成电路来说，更多的接口，也会使其制造难度和成本急剧增加。并行通信带来的复杂程度、制造成本与维护成本的提升，实在是太大。

Parallel SCSI，一种并行接口，的插头

除此之外，并行传输的线太占空间，导致没有空间再为之设计屏蔽层了，因此并行线的抗干扰能力也会差得多。

串行通信的优势

并行通信的各种限制，使得它基本只适合一块印刷电路板上的短距离传输，而无法用于正常距离的传输。在大多数通信情形下，串行通信更为常见。它的优点，正是与并行通信的缺点一一对应的：

  • 结构非常简单，成本低廉，容易实现。
  • 对于异步串行通信（后面介绍）而言，不存在 skew，只需要考虑 jitter 的影响。
  • 只有一根数据线，没有串扰的影响。
  • 由于占用的空间更小，更容易设计屏蔽层来屏蔽外界的影响。
  • 可以使用两根线来传输一对差分信号，非常有效地抵抗外界干扰。

差分传输

正是因此，并行通信成了中远距离信号传输的主流方式。

单工、全双工与半双工

只要是通信，就都存在单工、全双工与半双工的概念。

单工（Simplex） 是指只能在一个方向上传输数据，一边固定发送，另一边固定接收。参考广播。

半双工（Half duplex） 是指虽然可以在任一个方向上传输数据，但是在同一时间只能在一个方向上传输数据，无法一边发一边收。参考对讲机。

全双工（Full duplex） 是指两边均可以同时收发数据。参考电话。

三种工作模式

波特率

常用波特率（Baud Rate）来表示串行通信的速率，单位为波特（baud）。它与比特率不同的是，波特率是每秒内发送的码（符号）数，而并不是符号和比特并不是一一对应的，因为串行通信通常要对原始数据进行特殊的编码，以及加入一些额外的位。如果一个串行字符由 1 个起始位、7 个数据位、1 个奇偶校验位和 1 个停止位，一共 10 个数位构成，每秒传送 120 个字符，那么波特率就是：

$$ 10 \, \text{bit}/\text{char} \times 120 \, \text{char}/\text{sec} = 1200 \, \text{baud} $$

串并转换的原理

这是一个简单的电路，能够将四位的串行数据转换为并行数据，耗时为四个时钟周期。

串/并转换

这是另一个简单的电路，能够将四位的并行数据转换为串行数据，耗时也是四个时钟周期。

并/串转换

高速通信中用于进行串/并和并/串转换的功能模块，通常被称为 SerDes，即 serializer/deserializer。

同步与异步通信

同步通信是指发送方与接收方使用一个一致的参考时钟信号来同步波特率。当距离较短、时钟信号可以较稳定可靠地传输时，这个时钟信号由发送方提供，另外开一根线来传输到接收方（如 I2C 和 SPI 协议）；有时也可以由收发两端独立产生，并用特定机制保持波特率一致（如 USB 协议）。这里使用时钟来同步数据率的做法，和并行通信中的做法是一致的，所以从某种意义上说，并行通信都是同步通信。

同步通信示意图

异步通信的方式下，发送方与接收方没有时钟来同步数据率，只能约定一个大致的数据率，当发送方要开始发送数据时，会发送一个特殊的开始符号，然后开始发送待传输的符号；传输完成后，还要发送一个停止符号。由于没有统一的时钟来规定，发送方和接收方遵照的数据率可能会有误差，这种误差积累之后，可能会导致误码，因此异步通信通常还会有一些同步符号。

异步通信示意图

异步通信的每次传输需要许多额外信息，并且很容易产生误差，因此常用在对速度要求不高的场合。例如，键盘在不使用时传输信号，而当某个键被按下时，才会传输一串码流；而按键被按下的时间也不是固定的，因此键盘与计算机的通信特别适合使用异步通信。而同步通信，则更适合高速传输的场合。

串行信号的编码

数字信号在使用串行传输时，通常要用特定的编码方式。原因有三：

  1. 高速串行传输的接收端往往要使用 CDR 技术来恢复时钟（后文详细讲）。如果信号的跳变沿太少（过多连 0 或连 1），会难以 CDR。
  2. 如果数据的重复性太强，在高数据率下，会产生电磁干扰。
  3. 如果数据的 0 或 1 中的一个比另一个更多，电路中耦合电容的充电与放电不均匀，会产生 DDJ（data dependent jitter，是一种 jitter，会限制数据率的提高）。

这一张图总结较为常见的一些数字信号编码方式。

常见的编码方式

除了这些方式之外，常用在高速串行通信中的编码方式有：

8B/10B 编码

8B/10B 编码将 8-bit 长度的字，编码成 10-bit 的符号，从而达到电平平衡，并且提供足够的电平变化，方便时钟恢复。使用 8B/10B 编码的技术有千兆以太网、Aurora、光纤通道、USB 3.0，等等。

64B/66B 编码

64B/66B 编码与 8B/10B 编码类似，但是它的编码开销更小。使用它的技术有万兆以太网、十万兆以太网、Aurora、SATA 3.2、USB 3.1 Gen2、DisplayPort 2.0 等等。

两种简单的串行通信规范

UART16

UART 的全称为 universal asynchronous receiver-transmitter，是一种通用的异步串行通信设备，被集成在微处理器周边，用于计算机的串行通信。如今，UART 的功能已经基本被 USB 取代了，但是仍然可以在一些地方，例如单片机上，找到它的身影。 UART 的原理比较简单，框图如下所示：

UART

它传输数据的模式就是最典型的异步传输模式。当不传输数据时，输出高电平；开始传输数据时，输出一个低电平，标志着传输的开始；随后输出 5 到 9 个数据比特，具体数量取决于采用的编码集；如果使用奇偶校验位，那就再传输它；最后再保持 1 到 2 个比特的高电平，标志着传输的结束。

UART 的异步传输

只有收发端的 UART 芯片设置成相同的数据率、字符长度、奇偶校验和停止位，才有可能正常通信。

UART 定义了一种标准的异步串行通信方式，而且是全双工的。它可以说是定义了串行通信的协议，以及接口（只有 TX 和 RX 两个端口），但是没有定义插头标准（一般使用 RS232 标准所定义的插头），并且是一种点到点的传输方式，不是一种总线标准。

SPI7

SPI 全称 serial peripheral interface，是一种同步的、全双工的、master-slave 架构的串行通信接口标准，常用于短距离通信，例如芯片之间的互连。它一共只有四根线，所以又被称作 four-wire serial bus。它的四根线的作用分别为：

  • SCLK：Serial clock，串行时钟。
  • MOSI：Master out slave in，从 master 发出的数据。
  • MISO：Master in slave out，从 slave 发出的数据。
  • SS：Slave select，slave 选择信号。

只要一个 slave 被选中，master 和 slave 之间就可以用 MOSI 和 MISO 两根线进行全双工的通信了，这个通信使用 SCLK 传输的时钟来同步。下面两张图展示了使用 SPI 接口的两种工作模式：普通模式和菊花链模式。

普通模式

菊花链模式

SPI 定义了一种芯片级的总线连接标准，没有定义插头（因为芯片互连不用插头），也没有定义通讯协议。

MGT 相关技术8

MGT 的全称为 multi-gigabit transceiver，是一种能够以超过 1 Gbps 的速度收发数据的 SerDes。收发如此高速的数据，使得 MGT 涉及到许多高深的技术，这里翻译、列举一下这些技术。

差分信号

MGT 通常都使用差分信号来传输数据，从而增强对电磁干扰和串扰的抵抗力。

MCML

即 MOS current-mode logic，是一种基于差分的数字逻辑，它的 swing 很低，所以功耗非常低。

Emphasis

由于高速信号的频带非常宽，而一般的信道特性都是低通滤波器，高频部分的衰减会造成 ISI。因此需要在发送端强化信号的高频部分，使其在通过低通信道后保持正常的频谱。

Receive Equalization

接上条，也可以在接收端强化接收到的信号的高频部分。这样做的缺点是信噪比比较差。

终端阻抗匹配

频率很高的情况下，传输信号的通道必须用分布参数模型来解释，传输线理论适用。此时，为了避免反射，保证信号完整性，MGT 设计时，就应该能够匹配传输线的阻抗。对于差分传输来说，匹配阻抗一般是 100Ω。

PLL

为了串行化高速信号，串行时钟的频率一般会是并行时钟的好几倍，大部分 MGT 会使用 PLL（锁相环）来对时钟进行倍频。

CDR

同步串行传输需要一根额外的时钟线来传输时钟，但是在数据率非常高的时候，这样做并不现实，因为线长稍有一点差异，就会引起非常严重的 skew。因此，高速传输通常只用一根线来传输数据，并且使用 CDR（clock data recovery）技术来从数据中恢复出时钟，再来解析数据。

编码/解码

串行信号的编码 已经说清楚了对高速串行信号进行编码的必要性。常用的编码方式有 8B/10B、64B/66B、64B/67B、128B/130B、PAM 等等。

误码检测

大部分系统都需要误码检测机制。有的系统使用基于编码的误码检测，有的系统使用 CRC 校验。

参考资料

  1. 周荷琴，《微型计算机原理与接口技术》，第 6 版，中国科学技术大学出版社。在京东上购买 ↩︎

  2. Serial communication - Wikipedia ↩︎

  3. Advantages And Disadvantages Of Serial And Parallel Data Transmission - energylifegiant ↩︎

  4. Synchronous vs. Asynchronous ↩︎

  5. Difference Between Synchronous and Asynchronous Transmission (with Comparison Chart) - Tech Differences ↩︎

  6. Universal asynchronous receiver-transmitter - Wikipedia ↩︎

  7. Serial Peripheral Interface - Wikipedia ↩︎

  8. Multi-gigabit transceiver - Wikipedia ↩︎