毕业设计（论文）-高速串行通讯技术的研究.doc

目录 - 1 - 目录 摘要 abstr act(英文摘要) 第一章 并行通信和串行通信1 1.1 计算机的两种数据传输方式及其特点 1 1.2 两种传输方式的现状 6 1.3 并行传输技术遭遇发展困境 7 第二章 现行几种主要高速串行通信技术10 2.1 通用串行总线 usb10 2.2 突破芯片组传输瓶颈的 lvds 技术 12 2.3 为硬盘插上翅膀的 sata 技术 15 2.4 让图像传输如虎添翼的 firewire 技术 19 2.5 高速接口技术的主流-serdes 技术20 2.6 挑战网络时代的 10g 以太网技术 26 第三章 开启信号高速传输之门的金钥匙差分技术33 3.1 差分信号总概 33 3.2 差分信号为何传输速度快 34 3.3 差分信号传输的过程36 第四章 实现高速串行通信的设计方法39 目录 - 2 - 4.1 引言39 4.2 利用接口控制线来实现高速通信40 4.3 仅使用数据线时实现高速通信的方法41 第五章 高速串行通信中应注意的两个问题43 5.1 波特率误差问题 43 5.25.2 通信数据的准确性问题46 第六章 参考文献 48 第七章 致谢及声明50 目录 - 3 - 中文摘要 摘要 通信是电子技术最初得到的应用之一。今天，在光线、卫星电视、传真机、 和蜂窝电话普遍应用时代，通信系统仍处在引导电子技术发展的前沿。或许再 没有其它电子分支技术更能够对人们日常生活产生深刻的影响。 信号源或信息信号可以是模拟的或数字的。数字信号与模拟信号相比，更 易于再生。与模拟电路相比，数字电路不易产生失真和干扰。因为二进制数字 电路工作在全通或全断的开关状态下才有意义，所以干扰必须足够大才能使电 路从一个状态变到另一个状态。这两种工作状态有助于信号的再生，因而能在 传输中有效地抑制噪声和其他累积干扰。然而，模拟信号不是双态信号，它的 波形有无限多个。在模拟电路中，即使很小的干扰也能导致信号产生难以接受 的失真。失真一旦产生，就无法通过放大器来去除。由于模拟信号与累积噪声 密不可分，所以不能完全再生。若采用数字技术，通过检错与纠错可获得极低 的差错概率从而产生高保真信号，而模拟系统则没有类似的技术。 数字通信系统还有其他优点：数字电路比模拟电路更可靠，且其生产成本 比模拟电路低。数字硬件比模拟硬件更具有灵活性，比如微处理器、数字开关、 大规模集成(lsl)电路等；时分复用(tdm)信号比频分复用(fdm)的模拟信号更 简单：不同类型的数字信号(数据、电报、电话、电视等)在传输和交换中都被 看成是相同的信号比特信号；为方便交换，还可将数字信号以数据包 (packet)的形式进行处理。数字技术本身借助于信号处理，具有抗人为千扰和 自然干扰的能力，还能够提供加密和隐私处理。计算机与计算机之间、数字设 备或终端与计算机之间的数据通信需求越来越多，这些数字终端可以通过数字 通信链路获得最好的服务。 尽管并行输人-输出方案能提供快速数据传送，并且操作简便，但要求大 量的连线是其缺点。例如，典型 8 位并行数据端口使用 8 根数据线，再加上一 或两根信息交换线和一根及其以上的地线。为每根信号线都提供一根独立的地 线返回线是相当普遍的，因此 8 位端口，通常要使用 20 芯连接导线。尽管这 种多芯导线对只有几米的短距离连接是可接受的，但对长距离连接来说则太昂 中文摘要 贵。 中文摘要 因为长距离情况下，除了多芯导线成本高之外，10 根信号线每根可能都需 要有独立的驱动和接收电路。在一部分连线是由无线电波代替（例如通过空间 卫星）的情况下，每个数据位所需求的无线电频道可能彼此不同，这就难以接 受了。 替代并行数据传输的一种方法是串行系统。在串行系统中，数据各位的状 态是按顺序通过单根导线传送的。数据的每一位都分配有一个固定的时槽。在 接收端，检测出每一位的状态，并将其存储在彼此分离的触发器中，以便将数 据重新组装起来，生成并行的数据字。这种串行传送的优点是，不论所传送的 数据字的位数是多少，它只需一根信号线和一根接地返回线。而其主要缺点是 数据所能传送的速度，比并行传送要低。因为各位数据是按顺序处理的，字位 越长，传送的最高速度就变得越低。可是，对大多数应用场合而言，串行数据 流可以提供足够的数据传输率。由于数据的传送只需一个通道，因此这种类型 的通信系统非常适于无线电或电话线连接。本文就介绍几种最新的高速串行通 信技术 【关键词】：高速、串行通信 英文摘要 abstract communication was one of the first applications of electrical technology. today, in the age of fiber optics and satellite television, facsimile machines and cellular telephones, communication systems remain at the leading edge of electronics. probably no other branch of electronics has as profound an effect on peoples everyday lives. the source or information signal can be analog or digital. the primary advantage is the ease with which digital signals, compared with analog signals, are regenerated. digital circuits are less subject to distortion and interference than analog circuits. b binary digital circuits operate in one of two states fully on or fully of - to be meanin disturbance must be large enough to change the circuit operating point from one state to the other such two-state operation facilitates signal regeneration and thus prevents noise and disturbances from accumulating in transmission. analog signals, however, are not two-state s they can take an infinite variety of shapes. with analog circuits, even a small disturbance can the reproduced waveform unacceptably distorted. once the analog signal is distorted, the dis cannot be removed by amplification. because accumulated noise is irrevocably bound to, signals, they cannot be perfectly regenerated. with digital techniques, extremely low error rates producing high signal fidelity are possible through error detection and correction but similar procedures are not available with analog. typical block diagram and transformations reliable and can be produced at a lower cost than analog circuits. also, digital hardware lends itself to more flexible implementation than analog hardware (e.g., microprocessors, digital switching, and large-scale integrated (lsi) circuits). the combining of digital signals using time- division multiplexing (tdm) is simpler than the combining of analog signals using frequency-division multiplexing (fdm). different types of digital signals (data, telegraph, telephone, television) can be treated as identical signals in transmission and switching - a bit is a bit. also, for convenient switching, digital messages can be 英文摘要 handled in autonomous groups called packets. digital techniques lend themselves naturally to signal processing functions that protect against interference and jamming, or that provide encryption and privacy. also, much data communication is from computer to computer, or from digital instruments or terminal to computer. such digital terminations are naturally best served by digital communication links. although a parallel input-output scheme can provide fast data transfer and is simple in operation, it has the disadvantage of requiring a large number of interconnections. as an example a typical 8 bit parallel data port uses 8 data lines, plus one or two handshake lines and one or more ground return lines. it is fairly common practice to provide a separate ground return line for each signal line, so an 8 bit port could typically use a 20core interconnection cable. whilst such a multiway cable is quite acceptable for short distance links, up to perhaps a few meters, it becomes too expensive for long distance links where, in addition to the cost of the multicore cable, separate driver and receiver circuits may be required on each of the 10 signal lines. where part of the link is to be made via a radio link, perhaps through a space satellite, separate radio frequency channels would be required for each data bit and this becomes unacceptable. an alternative to the parallel transfer of data is a serial system in which the states of the individual data bits are transmitted in sequence over a single wire link. each bit is allocated a fixed time slot. at the receiving end the individual bit states are detected and stored in separate flip-flop stages, so that the data may be reassembled to produce a parallel data word. the advantage of this serial method of transmission is that it requires only one signal wire and a ground return, irrespective of the number of bits in the data word being transmitted. the main disadvantage is that the rate at which data can be transferred is reduced in comparison with a parallel data transfer, since the bits are dealt with in sequence and the larger the number of bits in the word, the slower the maximum transfer speed becomes. for most applications however, a serial data stream can provide a perfectly adequate data 英文摘要 transfer rate. this type of communication system is very suitable for radio or telephone link .this article introduces some of the latest high-speed serial communications technology key words: high speed 、serial communication 第一章 并行通信和串行通信 - 1- 第一章并行通信和串行通信 1.1 计算机的两种数据传输方式及其特点 数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。 （1） 并行通信 并行通信是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，各个位同时传送， 可以以字或字节为单位并行进行。传输速度快，信息率高。但它比串行通信所 用的电缆多，故常用在传输距离较短（几米至几十米） 、数据传输率较高的场 合。计算机或 plc 各种内部总线就是以并行方式传送数据的。另外，在 plc 底 板上，各种模块之间通过底板总线交换数据也以并行方式进行。 实现并行通信的接口就是并行接口。 并行接口可设计为只作为输入/输出 接口，也可设计为既作为输入又作为输出的接口。它可以用两种方法实现，一 种是利用同一个接口中的两个通路，一个作输入通路，一个作输出通路；另一 种使用同一个双向通路，既作为输入又作为输出。连接设备接口有 ps/2，pata，lpt 等。它有 2 个主要特点；一是同时并行传送的二进位数就是 数据宽度；二是在计算机与外设之间采用应答式的联络信号来协调双方的数据 传送操作，这种联络信号又称为握手信号。 一、简单的并行接口 简单的并行接口分 0 线握手并行接口、1 线握手并行 接口和 2 线握手并行接口等多种。 1、0 线握手并行接口 所谓 0 线握手（连络） ，即接口电路中不含协调数据传送的连络信号，这是并行接口的最简形式，它 又分输入并行接口和输出并行接口以及输入输出双向并行接口 3 种形式。 0 线握手输入接口 在输入量比较稳定的情况下（输入的状态信息在一个的时间 内不改变，如开关量输入） ，可采用三态门直接读取。 0 线握手输出接口 当输 出数字量无需锁存时，可采用三态门直接输出。 0 线双向输入输出接口 当 外设与 cpu 之间需要利用数据总线进行双向传送信息时，io 设备即能发送 信息 第一章 并行通信和串行通信 -2- ，又能接收信息。 2、1 线握手并行接口 1 线握手并行接口是在 0 线握手并行 接口的基础上，增加了一条握手信号线。 1 线握手方式总是假设发送方式所发 送的数据已经就绪，接收方可以接收。 二、可编程并行接口 可编程并行接口芯片种类较多，intel 公司的 8255a（ppi） ，motorola 公司的 mc6820（pia）和 zilog 公司的 z80pio 都属于这一类器件。 （2）串行通信 串行通信时数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的 速度低，但传送的距离可以很长，其只要少数几条线就可以在系统间交换信息， 特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。在 plc 网络中 传送数据绝大多数采用串行方式。连接设备接口有 sata，usb 等 串口通信的几个概念: 单工、半双工和全双工通信 在串行通信中，数据通常是在两个站之间传送，按照数据的方向可分为 3 种基本的传送方式：单工、半双工和全双工，3 种传输方式的示意图如图 （1）所示 第一章 并行通信和串行通信 - 3- 1）单工 单工通信使用一根导线，信号的传送方和接收方有明确的方向性。也就是 说，通信只在一个方向上进行。打印机、电视机就是典型的日常单工设备。 2）半双工 若使用同一根传输线既作为接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传 送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式称为半双工。采用半双工 方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收发开关分时转接到通信线 上，进行方向的切换。 3）全双工 第一章 并行通信和串行通信 - 4- 当数据的发送和接收，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在 同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工。在全双工方式下， 通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方 向上传输。全双工方式无需进行方向的切换。 单工通信不能实现双方交流信息，故在 plc 网络中极少使用。而半双工及 全双工通信可实现双方数据传送，故在 plc 网络中应用很多。 同步通信和异步通信: 串行通信可分为两种类型，一种是同步通信，另一种是异步通信。采用同 步通信时，将许多字符组成一个组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是， 在每组信息的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因 为同步传输不允许有空隙。采用异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意 的，所以，每个字符的前后都要用一些数位来作为分隔位。比较起来，在传输 率相同时，同步通信方式下的信息有效率要比异步方式下的高，因为同步方式 下的非数据信息比例比较小。但是，从另一方面看，同步方式下，要求进行信 息传输的双方必须用同一个时钟进行协调，正是这个时钟确定了同步串行传输 过程中每1 位的位置。这样一来，如采用同步方式，那么，在传输数据的同时， 还必须传输时钟信号。而在异步方式下，接收方的时钟频率和发送方的时钟频 率不必完全一样，而只要比较相近，即不超过一定的允许范围就行了。在数据 传输中，较为广泛采用异步通信，异步通信时的标准数据格式如下： 第一章 并行通信和串行通信 - 5- 从所列格式可以看出，异步通信的特点是一个字符一个字符传输，并且传 送一个字符总是以起始比特开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间 隔要求。每一次有一个起始位，过了就是58个的数据位，接着为校验位，可 为奇检验，也可为偶校验，也可不设置，最后是1 比特，或1 比特半，或二比 特的停止比特位，停止比特后面是不定长度的空闲比特。停止比特和空闲比特 都规定为高电平，这样就保证起始比特开始处一定有一个下降沿，从而标识数 据开始传送。 串行通信中，传输速率用每秒中传送的位数（位/秒）来表示，称之为波 特率（bps） 。常用的标准波特率有 300、600、1200、2400、4800、9600 和 19200 bps 等。串行接口标准： 目前普遍采用的一种串行接口标准是 rs232c 标准。rs232c 接口标准采用 25 个引脚的连接器（d 型插 座） 。rs232c 规定有 25 根连线。 波特率: 计算机通信速度的单位称为波特率，波特率是指单位时间内传送的信息量， 信息量单位为bit,时间单位为秒，即：1 波特=1 位/秒=1bit/s=1bps。例如： 如果在异步通信中使用1 位起始位、8 位数据位、无奇偶校验位、1 位停止位， 则一帧的长度为10bit,如果应用中要求在1s 内传送1 000 个字符，则需要将 波特率设为：10 位/字符*1000 字符/秒=10000bit/s=10 000bps。在异步通信 中，接收方和发送方应使用相同的波特率，才能成功传送数据。 第一章 并行通信和串行通信 -6- rs-232c 标准: 串行通信中，只有通信双方采用相同的接口标准，才能进行正常的通信。 由于不同设备串行接口的信号线定义、电气规格等特性都不尽相同，因此要使 这些设备能够相互连接，需要一个统一的串行通信接口rs-232(又称eia-rs- 323c)，是目前较为常用的一种串行通信接口，rs-232c 标准的全称是eia-rs- 323c 标准，其中eia 代表美国电子工业协会，rs 代表推荐标准，232 是标识 号，c 代表rs-232的最新一次的修改。该标准对串行通信的连接电缆和机械、 电气特性、信号功能以及传送过程都进行了明确的规定， 适合于数据传输速 率在020000bit/s 范围内的通信。rs-232c 串行通信接口是目前最常用的一 种串行接口。 1.2 两种传输方式的现状 随着对信息流量需求的不断增长，传统并行接口技术成为进一步提高数据 传输速率的瓶颈。“众人拾柴火焰高”是句老话，但电脑领域却发生了多根线 比不过 1 根线的怪事。无论从通信速度、造价还是通信质量上来看，现今的串 行传输方式都比并行传输方式更胜一筹。 近两年，大家听得最多的一个词可能就是串行传输了。过去主要用于光纤 通信的串行通信技术serdes 正在取代传统并行总线而成为高速接口技术 的主流。而越过 ghz 这一频率界线、此前仅限于高端通信设备用的串行接口正 开始被服务器、个人电脑，以及游戏机所采用。单向传输速率达到 2.5gbps 的 高速串行通信技术 pcl express 正快速上升为 pc 产业界的新热点，pci express 总线将取代目前的 i/o（输出输入）接口，如用于服务器、工作站、台 式电脑、笔记本电脑和通信设备等所有产品中连接设备的 pci 总线，和连接图 形卡的 agp8x 接口。 从技术发展的情况来看，串行传输方式大有彻底取代并 行传输方式的势头，usb 取代 ieee 1284，sata 取代 pata，pci express 取 代 pci目前，一系列高速串行总线标准已经出现，例如 ieee1394、usb2.0、吉位以太网和光通道等，新的标准也正在开发之中，如 第一章 并行通信和串行通信 -6- rapid i/o 和 infiniband 第一章 并行通信和串行通信 -7- 标准。 串行通信在基于单片机的应用系统和工控系统中使用得比较广泛。串行通 信速率一般在 1 mbps 以下，但近年来，对串行口的速度要求越来越高， 特别 是一些进口的机电产品( 如电梯) ， 常常用到大于 1 mbps 的串行通信， 因 此迫切需要设计高速的串行通信设备。目前 nec 已经研制出能够实现最大 100bit/s 传送速度的串行通信 macro 技术。 1.3 并行传输技术遭遇发展困境 从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式。通俗地讲，并行传输 的通路犹如一条多车道的宽阔大道，而串行传输则是仅能允许一辆汽车通过的 乡间公路。以古老而又典型的标准并行(standard parallel port)和串行口 (俗称 com 口)为例，并行接口有 8 根数据线，数据传输率高；而串行接口只有 1 根数据线，数据传输速度低。在串行口传送 1 位的时间内，并行口可以传送 一个字节。当并行口完成单词“advanced”的传送任务时，串行口中仅传送了 这个单词的首字母“a”。 如图 1-1，1-2： 并行接口速度是串行接口的 8 倍。 图 1-1 并行传输示意图 第一章 并行通信和串行通信 -8- 图 1-2 串行传输示意图 那么，为何现在的串行传输方式会更胜一筹？下文将从并行、串行的变革 以及技术特点，分析隐藏在表象背后的深层原因。 电脑中的总线和接口是主机与外部设备间传送数据的“大动脉”，随着处 理器速度的节节攀升，总线和接口的数据传输速度也需要逐步提高，否则就会 成为电脑发展的瓶颈 我们先来看看总线的情况。1981 年第一台 pc 中以 isa 总线为标志的开放 式体系结构，数据总线为 8 位，工作频率为 8.33mhz，这在当时却已算是“先 进技术”了，所以 isa 总线还有另一个名字“at 总线”；到了 286 时，isa 的 位宽提高到了 16 位，为了保持与 8 位的 isa 兼容，工作频率仍为 8.33mhz。这 种技术一直沿用到 386 系统中。 到了 486 时代，同时出现了 pci 和 vesa 两种更快的总线标准，它们具有 相同的位宽(32 位)，但 pci 总线能够与处理器异步运行，当处理器的频率增加 时，pci 总线频率仍然能够保持不变，可以选择 25mhz、30mhz 和 33mhz 三种频 率。而 vesa 总线与处理器同步工作，因而随着处理器频率的提高，vesa 总线 类型的外围设备工作频率也得随着提高，适应能力较差，因此很快失去了竞争 力。pci 总线标准成为 pentium 时代 pc 总线的王者，硬盘控制器、声卡到网卡 和显卡全部使用 pci 插槽。 并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展 却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同 第一章 并行通信和串行通信 -9- 一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍， 布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达另外，提升时钟频率还 容易引起信号线间的相互干扰。因此，并行方式难以实现高速化。另外，增加 位宽无疑会导致主板和扩充板上的布线数目随之增加，成本随之攀升。 在外部接口方面，我们知道 ieee 1284 并行口的速率可达 300kb/s，传输图 形数据时采用压缩技术可以提高到 2mb/s，而 rs-232c 标准串行口的数据传输 率通常只有 20kb/s，并行口的数据传输率无疑要胜出一筹。因此十多年来，并 行口一直是打印机首选的连接方式。对于仅传输文本的针式打印机来说，ieee 1284 并行口的传输速度可以说是绰绰有余的。但是，对于近年来一再提速的打 印机来说，情况发生了变化。据称使用爱普生 6200l(同时具备并行口和 usb 接 口)在打印 2mb 图片时，并行口和 usb 接口的速度差异并不明显，但在打印 7.5mb 大小的图片文件时，从点击“打印”到最终出纸，使用 usb 接口用了 18 秒，而使用并行口时，就用了 33 秒。从这一测试结果可以看出，现行的并行 口对于时下的应用需求而言，确实出现了瓶颈。 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 10- 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 2.1 通用串行总线 usb usb 的英文缩写是 universalserialbus,翻译成中文就是“通用串行总线” ，也称通用串联接口。计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、 调制解调器、打印机、扫描仪早为人所共知，数码相机、mp3 随身听接踵而至， 要真有了这么多的设备，该接到计算机的哪儿？usb 就是基于此产生的。usb 是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口。 usb 标准接口传输速率为 12mbps。一个 usb 设备最多只可以得到 6mbps 的 传输频宽。因此若要外接光驱,至多能接六倍速光驱而已,无法再高。而若要即 时播放 mpeg-1 的 vcd 影片,至少要 1.5mbps 的传输频宽,这点 usb 办得到,但是 要完成数据量大四倍的 mpeg-2 的 dvd 影片播放,usb 可能就很吃力了,若再加上 ac-3 音频数据,usb 设备就很难实现即时播放了。 一个 usb 接口理论上可以支 持 127 个装置，但是目前还无法达到这个数字。其实，对于一台计算机，所接 的周边外设很少有超过 10 个的，因此这个数字是足够我们使用的。 usb 还有 一个显著优点就是支持热插拔，也就是说在开机的情况下，你也可以安全地连 接或断开 usb 设备，达到真正的即插即用。 回顾前面所介绍的并行接口与串行接口，我们知道 ieee 1284 并行口的速 率可达 300kb/s，而 rs-232c 标准串行口的数据传输率通常只有 20kb/s，并行 口的数据传输率无疑要胜出一筹。外部接口为了获得更高的通信质量，也必须 寻找 rs-232 的替代者。 1995 年，由 compaq、intel、microsoft 和 nec 等几家公司推出的 usb 接 口首次出现在 pc 机上，1998 年起即进入大规模实用阶段。usb 比 rs-232c 的 速度提高了 100 倍以上，突破了串行口通信的速度瓶颈，而且具有很好的兼容 性和易用性。usb 设备通信速率的自适应性，使得它可以根据主板的设定自动 选择 hs(high-speed，高速，480mbps)、fs(full-speed，全速，12mbps)和 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 11- ls(low-speed，低速，1.5mbps)三种模式中的一种。usb 总线还具有自动的设 备检测能力，设备插入之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备， 免除了增减设备时必须关闭 pc 机的麻烦。usb 接口之所以能够获得很高的数据 传输率，主要是因为其摒弃了常规的单端信号传输方式，转而采用差分信号 (differential signal)传输技术，有效地克服了因天线效应对信号传输线路 形成的干扰，以及传输线路之间的串扰。usb 接口中两根数据线采用相互缠绕 的方式，形成了双绞线结构(图 2-1)。 采用差模信号传送方式的 usb: 图 2-1 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 12- 图 2-2 差分传输方式具有更好的抗干扰性能 图 2-2 是由两根信号线缠绕在环状铁氧体磁芯上构成的扼流线圈。在单端 信号传输方式下，线路受到电磁辐射干扰而产生共模电流时，磁场被叠加变成 较高的线路阻抗，这样虽然降低了干扰，但有效信号也被衰减了。而在差动传 输模式下，共模干扰被磁芯抵消，但不会产生额外的线路阻抗。换句话说，差 动传输方式下使用共模扼流线圈，既能达到抗干扰的目的，又不会影响信号传 输。 差分信号传输体系中，传输线路无需屏蔽即可取得很好的抗干扰性能，降 低了连接成本。不过，由于 usb 接口 3.3v 的信号电平相对较低，最大通信距 离只有 5 米。usb 规范还限制物理层的层数不超过 7 层，这意味着用户可以通 过最多使用 5 个连接器，将一个 usb 设备置于距离主机最远为 30 米的位置。 为解决长距离传输问题，扩展 usb 的应用范围，一些厂商在 usb 规范上 添加了新的功能，例如 powered usb 和 extreme usb，前者加大了 usb 的供电 能力，后者延长了 usb 的传输距离。 2.2 突破芯片组传输瓶颈的 lvds 技术 lvds 即低压差分信号传输 ，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 13- 技术。 由于其可使系统供电电压低至 2v，因此它还能满足未来应用的需要。 此技术基于 ansi/tia/eia-644 lvds 接口标准。 lvds 技术拥有 330mv 的低压差分信号 (250mv min and 450mv max) 和 快速过渡时间。 这可以让产品达到自 100 mbps 至超过 1 gbps 的高数据速 率。 此外，这种低压摆幅可以降低功耗消散，同时具备差分传输的优点。 lvds 技术用于简单的线路驱动器和接收器物理层器件以及比较复杂的接 口通信芯片组。 通道链路芯片组多路复用和解多路复用慢速 ttl 信号线路以 提供窄式高速低功耗 lvds 接口。 这些芯片组可以大幅节省系统的电缆和连 接器成本，并且可以减少连接器所占面积所需的物理空间。 lvds 解决方案为设计人员解决高速 i/o 接口问题提供了新选择。 lvds 为当今和未来的高带宽数据传输应用提供毫瓦每千兆位的方案。 更先进的总线 lvds (blvds)是在 lvds 基础上面发展起来的，总线 lvds (blvds) 是基于 lvds 技术的总线接口电路的一个新系列，专门用于实现多点 电缆或背板应用。 它不同于标准的 lvds，提供增强的驱动电流，以处理多点 应用中所需的双重传输。blvds 具备大约 250mv 的低压差分信号以及快速的 过渡时间。 这可以让产品达到自 100 mbps 至超过 1gbps 的高数据传输速率。 此外，低电压摆幅可以降低功耗和噪声至最小化。 差分数据传输配置提供有 源总线的 +/-1v 共模范围和热插拔器件。blvds 产品有两种类型，可以为所 有总线配置提供最优化的接口器件。 两个系列分别是：线路驱动器和接收器 和串行器/解串器芯片组。总线 lvds 可以解决高速总线设计中面临的许多挑 战。 blvds 无需特殊的终端上拉轨。 它无需有源终端器件，利用常见的供电 轨（3.3v 或 5v） ，采用简单的终端配置，使接口器件的功耗最小化，产生很 少的噪声，支持业务卡热插拔和以 100 mbps 的速率驱动重载多点总线。 总 线 lvds 产品为设计人员解决高速多点总线接口问题提供了一个新选择。 随着电脑速度的提高，cpu 与北桥芯片之间，北桥与南桥之间，以及与芯 片组相连的各种设备总线的通信速度影响到电脑的整体性能。可是，一直以来 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 14- 所采用的 fr4 印刷电路板因存在集肤效应和介质损耗导致的码间干扰，限制了 传输速率的提升。 在传统并行同步数字信号的速率将要达到极限的情况下，设计师转向从高 速串行信号寻找出路，因为串行总线技术不仅可以获得更高的性能，而且可以 最大限度地减少芯片管脚数，简化电路板布线，降低制造成本。intel 的 pci express、amd 的 hypertansport 以及 rambus 公司的 redwood 等 i/o 总线标准 不约而同地将低压差分信号(lvds)作为新一代高速信号电平标准。 一个典型的 pci express 通道如图 2-3 所示，通信双方由两个差分信号对 构成双工信道，一对用于发送，一对用于接收。4 条物理线路构成 pci express x1。pci express 标准中定义了 x1、x2、x4 和 x16。pci express x16 拥有最多的物理线路(16464)。 即便采用最低配置的 x1 体系，因为可以在两个方向上同时以 2.5ghz 的频 率传送数据，带宽达到 5gbps，也已经超过了传统 pci 总线 1.056gbps(32bit33mhz)的带宽。况且，pci 总线是通过桥路实现的共享总线 方式，而 pci express 采用的“端对端连接” ，也让每个设备可以独享总线带 宽，因此可以获得比 pci 更高的性能。 amd 的 hypertransport 技术与 pci express 极其相似，同样采用 lvds 数 据通道，最先用于南北桥之间的快速通信。其工作频率范围从 200mhz 到 1ghz，位宽可以根据带宽的要求灵活选择 2、4、8、16 或 32 位。 hypertransport 最先用于南北桥之间的快速通信，今后会用于所有芯片间的连 接。 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 15- 图 2-3 典型的 pci express 通道 2.3 为硬盘插上翅膀的 sata 技术 sata 是 serial ata 的缩写，即串行 ata。这是一种完全不同于并行 ata 的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。sata 总线使用嵌入 式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输 指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上 提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。 与并行 ata 相比，sata 具有比较大的优势。首先，serial ata 以连续串 行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输 的带宽。serial ata 一次只会传送 1 位数据，这样能减少 sata 接口的针脚数 目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，serial ata 仅用四支针 脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据， 同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，serial ata 的起 点更高、发展潜力更大，serial ata 1.0 定义的数据传输率可达 150mb/sec， 这比目前最块的并行 ata(即 ata/133)所能达到 133mb/sec 的最高数据传输率 还高，而目前 sata ii 的数据传输率则已经高达 300mb/sec。 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 16- serial ata 规范不仅立足于未来，而且还保留了多种向后兼容方式，在使 用上不存在兼容性的问题。在硬件方面，serial ata 标准中允许使用转换器提 供同并行 ata 设备的兼容性，转换器能把来自主板的并行 ata 信号转换成 serial ata 硬盘能够使用的串行信号，目前已经有多种此类转接卡/转接头上 市，这在某种程度上保护了我们的原有投资，减小了升级成本；在软件方面， serial ata 和并行 ata 保持了软件兼容性，这意味着厂商丝毫也不必为使用 serial ata 而重写任何驱动程序和操作系统代码。 另外，serial ata 接线较传统的并行 ata(paralle ata)接线要简单得多， 而且容易收放，对机箱内的气流及散热有明显改善。而且，sata 硬盘与始终被 困在机箱之内的并行 ata 不同，扩充性很强，即可以外置，外置式的机柜 (jbod)不单可提供更好的散热及插拔功能，而且更可以多重连接来防止单点故 障；由于 sata 和光纤通道的设计如出一辙，所以传输速度可用不同的通道来 做保证，这在服务器和网络存储上具有重要意义。 而 sata ii 是在 sata 的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从 sata 的 1.5gbps(150mb/sec)进一步提高到了 3gbps(300mb/sec)，此外还包括 ncq(native command queuing，原生命令队列)、端口多路器(port multiplier)、交错启动(staggered spin-up)等一系列的技术特征。单纯的外 部传输率达到 3gbps 并不是真正的 sata ii。 sata ii 的关键技术就是 3gbps 的外部传输率和 ncq 技术。ncq 技术可以 对硬盘的指令执行顺序进行优化，避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的 先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，与此相反，它会在接收命令后对其进 行排序，排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址，从而避免磁头反复移动带 来的损耗，延长硬盘寿命。另外并非所有的 sata 硬盘都可以使用 ncq 技术， 除了硬盘本身要支持 ncq 之外，也要求主板芯片组的 sata 控制器支持 ncq。 此外，ncq 技术不支持 fat 文件系统，只支持 ntfs 文件系统。 由于 sata 设备市场比较混乱，不少 sata 设备提供商在市场宣传中滥 第二章 现行几种主要高速串行通信技术 - 17- 用“sata ii”的现象愈演愈烈，例如某些号称“sata ii”的硬盘却仅支持 3gbps 而不支持 ncq，而某些只具有 1.5gbps 的硬盘却又支持 ncq，所以，由希 捷(seagate)所主导的 sata-io(serial ata international organization，sata 国际组织，原 sata 工作组)又宣布了 sata 2.5 规范，收 录了原先 sata ii 所具有的大部分功能从 3gbps 和 ncq 到交