作者:Atul Patel,德州儀器 (TI)

近年來,通信設備廠商和消費類電子產品系統開發商一樣,不得不應對其系統必須要處理和傳輸的數據量成指數倍增長的問題。系統設計人員現在發現,一些用于在其系統中進行數據傳輸的傳統數據傳輸方法(該方法經過驗證且非常有效)對于其系統必須為之服務的數據速率而言,不再行之有效。這些系統的帶寬要求通常可以超過每秒數千兆。

相當長的一段時間里,系統設計人員均使用大量由單端信號技術組成的鏈路,例如:晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 和 LVTTL(低壓 TTL)。在那個時候,TTL 技術提供了一種在應用中傳輸數據的簡易、低成本的解決方案。隨著時間的推移,系統中的數據速率要求不斷增長,設計人員為了獲得其應用所需要的數據吞吐量而簡單地增加信號通道的數量。這種并行通道調節方法僅僅給設計人員提供了一種滿足其數據傳輸需要的臨時解決方案。由于系統大小、成本以及功耗開始成為重要的設計要求,于是系統設計人員便開始運用差動信號技術,例如:發射極耦合邏輯 (ECL)/正向發射極耦合邏輯 (PECL) 和低壓差動信號 (LVDS)。

這些差動信號技術,可以使設計人員能夠增加每一條數據通道的頻率,同時保持信號完整性并將其功率預算控制在一定范圍之內。差動信號技術給并行數據總線帶來了新的活力。但是,由于數據速率的增長與日俱增,就算是并行差動信號技術方法也無法跟上現代通信和消費類應用對帶寬要求的步伐。現在,同應對小型化要求一樣,系統設計人員不得不增加其系統的數據吞吐量,提高功耗(特別是對便攜式應用而言)、故障安全和服務質量的要求。

對系統數據鏈路的眾多要求日漸提高,在此情況下,許多設計人員都轉向采用串行器/解串器 (SerDes) 技術,作為其過去使用的并行信號技術的理想替代解決方案。通過使用SerDes技術,數據鏈路設計人員可以解決困擾現代高速數據鏈路設計的主要問題。這些主要問題包括:

·信號完整性

·功耗和散熱(散熱性能)

·板級空間占用

·冗余和故障安全實施

為了更好地理解 SerDes 技術給現代高速數據鏈路設計帶來的好處,讓我們來了解一下 SerDes 技術是如何解決上述重要問題的。

信號完整性

幾乎在所有系統的數據鏈路設計中,保持信號完整性都是其重要組成部分之一,在數據速率開始增高至每秒一千兆以上時,保持信號完整性就顯得更為重要。在大多數情況下,信號完整性問題會導致數據損壞,而數據損壞又會導致系統性能降低,或者應用功能的徹底失效。在并行數據鏈路實施中,諸如信號抖動、信號衰減以及通道間延遲差 (channel-to-channel skew) 的問題僅僅是能夠導致并行數據鏈路信號完整性問題的少數幾種情況。

在信號抖動的情況下,單端信號技術均較容易受到噪聲的影響,因為在差動信號電路中通常沒有共模噪聲抑制功能。系統中各種噪聲源通常以信號抖動的形式出現,進而導致數據比特誤差。當數據速率超過每秒一千兆時,尤為如此。在更高數據速率時,當單位間隔(占一個數據比特的時間)縮短時,時序裕度變得更小。

當使用差動信號技術的并行方法克服了一些出現在單端實施中的信號完整性問題時,其在面對諸如由并行數據線之間的不匹配引起的通道間延遲差問題時卻有點力不從心。這種不匹配可以導致數據比特以非確定性次數到達目的端,從而導致出現數據比特誤差和系統時間誤差。同樣地,不管是否使用了單端或差動信號技術,大多數并行信號方法通常不對傳輸的信號進行編碼。編碼可以用于提供直流平衡和轉換密度。在沒有使用編碼方案的情況下,單個數據鏈路的數據變得易受數據模式的影響,該數據模式會出現一個“一”或“零”(數據運行周期問題)的長時間運行。通常,運行周期問題會導致數據比特的丟失。

通過使用 SerDes 技術,系統設計人員可以減少已經確認的大量信號完整性問題帶來的影響。千兆 SerDes 采用了低壓晶體管-晶體管邏輯 (LVTTL) 并行接口,以輕松地實現與現有并行數據源以及使用諸如電流模式邏輯 (CML) 或電壓模式邏輯 (VML) 技術的高速差動串行 I/O 的連接。在大多數情況下,SerDes 器件均內置了數據編碼和解碼功能。這些編碼機制通常使用業界標準算法(例如:8b/10b 編碼)或變異算法(例如:4b/5b)。編碼方法(例如:8b/10b)有助于確保串行數據流實現直流平衡,因此更不易受到前面已作討論的運行周期問題的影響。另外,SerDes 還將時鐘嵌入到了串行化的數據輸出中,并對串行接收數據進行時鐘數據恢復。通過使用這種方法,時鐘信息可以隨數據一并傳輸,而并非和并行數據鏈路方法的情況一樣將時鐘信息放在一條單獨的數據線中進行傳輸。

如上所述,信號完整性問題與單端及差動并行高速信號方法有著密切的聯系,而在當今的電子系統中使用 SerDes 器件來實施數據鏈路,則有助于將信號完整性問題最小化。

功耗與散熱

現代電子系統設計在其實施方面功能正變得日益豐富,與此同時,其尺寸變得更小、功耗更低。事實上,對于當今的許多電子系統而言,外形尺寸和電池使用壽命均為重要的應用參數。系統尺寸的壓縮與散熱性能密切相關。出色的電源管理設計和散熱管理為一個全面的系統級綜合因素的結果,通常會被看作是系統劃分的組成部分。

系統設計人員已經可以在降低其整體功耗要求方面邁出了一大步(主要體現數據接口層)。明確地來講,也就是系統設計人員已經可以在他們的系統中用基于 SerDes 的數據鏈路來替代單端或者差動并行數據總線。這種方法極大地降低了系統功耗要求,同時能夠將系統設計調節至更高的數據速率。

例如,通信系統設備的數據總線設計人員已經成功地運用 SerDes 技術來增加系統端口密度,同時保持功耗和散熱預算在可控范圍內。以在背板上傳輸 10 千兆的數據所需要的功耗為例(見圖 1 和圖 2)。傳統的并行方法每個方向需要 ~16 條 LVDS 信號技術通道。因此,全雙工環境需要使用 ~32 條 LVDS 通道(工作在 ~622 Mbps 下)。假定為一般的 LVDS 緩沖器功耗數量,那么僅該數據信號所需要的全部功耗就為 ~2W。

除了功耗以外,與基于 SerDes 的方法相比,板級空間的占用量也非常之大。 SerDes 方法利用 10GbE XAUI SerDes 技術,該技術提供四個運行于  Gbps、帶有嵌入式時鐘的全雙工鏈接。一般而言,現代 XAUI SerDes 器件可提供 1W 以內的功耗。同并行 LVDS 方法相比,可節省 50% 的功耗。在那些需要支持多 10 Gbps 鏈接的系統中,使用 SerDes 技術的優勢甚至更為明顯。使用 SerDes 技術可以使通信系統設計人員能夠極大地增加系統端口數量,同時保持系統功耗和散熱在可控范圍內,此外,還降低了系統的尺寸,以滿足市場需求。

圖 1 帶 32 線差動 LVDS 數據的萬兆背板

圖 2 帶 8 線差動高速數據的萬兆背板

板級空間占用及系統尺寸

對于當今的許多電子器件來說,外形尺寸都是整個設計目標中的一個重要部分。對系統設計人員而言,達到目標外形尺寸的一個重要組成部分是電路板設計。特別是,組成系統電子設計的集成電路對于板級空間的占用。

近年來,通過將系統數據鏈路設計從以前的并行實施改為使用 SerDes 技術的串行實施,系統設計人員已經可以降低板級空間的占用。在當今的手持終端設備(例如:手機和便攜式娛樂和通信設備)中使用 SerDes 技術就是一個很好的例子。如今的便攜式娛樂和通信設備要求將高分辨率圖像和視頻數據從中央視頻處理器傳送到一個液晶顯示屏進行顯示。使用傳統的并行數據鏈路設計方法要求電路設計人員要給大體積并行連接器分配空間,同時還要在電路板上給信號分配路由空間(見圖 3)。相比之下,基于 SerDes 技術的串行鏈路設計方法只需要一個體積小很多的串行連接器,并且需要分配給數據信號的路由空間也非常小。在該實例中顯示,使用 TI 的移動 Flatlink 3G SerDes SN65LVDS301/302,除了能夠帶來設計人員想要的功耗降低以外,還可以使設計人員能夠節省相當多的板級空間。Flatlink 3G SerDes 有助于將并行總線從高達 27 比特減少至僅僅三個 sub-LVDS 信號差動通道。這種節省可以直接影響封裝的類型,對于當今的便攜式娛樂和通信設備來說,這是可以做到的。

圖 3 Flatlink 3G SerDes 和并行信號實施

冗余和故障安全實施

當今的通信和任務關鍵的計算系統需要向終端用戶提供一種高可靠性。在許多情況下,系統中斷會使終端用戶損失數百萬美元的收入,從而降低了用戶滿意度,在某些情況下,還會帶來安全風險。由于這些原因,通信和企業計算系統的設計人員將系統可靠性作為其整個系統設計目標的一個重要組成部分。

應該將系統可靠性盡可能地全面滲透到系統設計的方方面面。特別值得注意的方面是系統關鍵組件之間的數據鏈路。這些數據鏈路可以采取背板線跡、點對點線纜連接以及通過銅線跡連接的點對多點數據鏈路的形式。這些只是通信系統中使用的數據鏈路類型的幾個例子。通常,一旦主數據通路功能異常,那么設計人員便可識別出其需要冗余通路的系統關鍵數據通路。這些故障安全通路容許設計人員對系統固件進行預編程,以便在主通路功能異常時切換至冗余通路。

如果設計人員使用一個并行信號方法來實施其主數據通路,那么創建冗余備份鏈路就需要相同數量的數據鏈路。在通過使用 32 條通道(全雙工)的 LVTT 信號實施 2.5 Gbps 鏈路的情況下,除了可能需要的時鐘和控制信號以外,另外還需要 32 條信號通道來實施冗余鏈路。但是,如果數據鏈路是通過使用 SerDes 技術方法實施的,那么添加一個冗余鏈路就簡化為另外添加一個 SerDes ,其只需要使用兩個差動信號通道(對于全雙工而言)。

如果一個系統包含多個需要被復制的關鍵高速數據鏈路,那么使用基于 SerDes 數據鏈路的影響對于并行數據鏈路是相當大的。SerDes 技術方法具有為系統設計人員節省板級空間的潛力,使功耗要求易于管理,同時還有助于設計人員在散熱包絡 (thermal envelope) 的范圍內設計他們的系統。在實施故障安全和冗余時,適用于許多類型通信系統數據鏈路的串行鏈接方法通常是最佳的選擇。在一個系統中,用于高數據吞吐量鏈路的基于 SerDes 的數據鏈路是設計人員管理和實施其系統可靠性要求整體戰略的一個關鍵組成部分。

結論

給出的這些實例表明,運用基于 SerDes 的串行鏈路來實施關鍵的高速系統數據總線可以對整個系統設計及其性能產生極大的影響。隨著包括便攜式手持終端設備和大型網絡設備在內的系統的發展,其將支持更高的數據吞吐量,功耗更低,可靠性也更高,并且在大多數情況下均可支持更小的外形尺寸。所有這些宏觀系統要求就是設計人員應該將基于 SerDes 的數據鏈路看作是解決其有可能要面對的數據鏈路問題的關鍵組成部分的重要原因。