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高速数字总线,你不仅得认识它,还得知道它跑

在高速PCB设计的时候,会遇到各种各样的高速信号,高速的数字信号常见于各类并行的总线和串行的总线。信号的质量设计的怎么样,取决于你对它们的认识。它是谁?信号的速率有多高,有没有时序要求...

 

有人要问了,什么是并行的总线?什么是串行的总线?最好的区分方式就是,串行传输方式为数据排成一行、一位一位送出接收也一样并行传输8位数据一次送出

 

以最具典型代表的DDR并口为例,每8bit要附带一对DQS线作为时钟,每个bit都要同步到这对DQS上去,skew超标就不能工作。而串口信号在一个独立的信道上,每次只同时传输1bit,其他信道传什么跟我没关系。标准的串口如HDMISATASASPCIE...等,每对差分线组成一个信道,每个信道是否能成功传输并不取决于其他信道。而DDR这种,11根线(8根数据线,一对DQS,一个DM)组成一个信道,每次同时传8bit,错了某一bit只能重新传。在大部分情况下,为什么串行的差分对之间不用做等长,而并行的单端信号之间通常要绕几下,跟它们的传输方式有很大关系。

 

按照这种定义,各接口协议其实就已经很好划分了。

 

当你看到从某个IC出来的信号网络名有D0D1D2...有时钟,有地址,那肯定就是并行无疑了。这类高速总线相对来说比较好处理,除了必要的完整参考面和3W原则之外,通常还会绕个等长。不信来看图。

 

DDR并行总线

 

PHY的接口RGMII总线

 

SD卡的数据总线

 

模拟信号通过AD出来的数据总线

 

由串并转换器出来的并行数据总线

...

 

图还有很多,挨个截出来,光图就可以写个好几期了。所以每次做完一个高速板,手都会绕的发抖,真想让老板招个绕等长工程师。当然并行总线不仅仅绕个等长就完事了,数据速率越高,负载越多,越讲究,DDR1,DDR2,DDR3,DDR4从1个颗粒到几十个颗粒都画过的同学应该就比较清楚。我们这里就不讨论了。

 

串行信号因为速率比较高,业界大佬研究的10G25G28G40G甚至100G的信号都是在研究它。所以它的设计要更讲究,来看图。

 

 

 

 

 

 

...

说真的,要是再早几年看到这些个图片,我都不知道这些都是在干什么,怎么把线扯成这样子。当然,不要觉得串行总线的设计就很难,速率高甚至超高的,当然讲究,速率低的就比较好处理。所以认识高速数字总线的传输速率很重要,当你认识它是谁的时候还得知道它是第几代产品。你说PCIE1.0的信号和PCIE4.0的信号处理起来能一样吗?

下面就来跟大家科普一下。

 

并行总线还是以DDR为例

 

常见的高速串行总线标准如下图所示。

 

 

1.QPI总线

QPI是双向的,在发送的同时也可以接收另一端传输来的数据,这样,每个QPI总线总带宽=每秒传输次数(即QPI频率)×每次传输的有效数据(即16bit/8=2Byte)×双向。QPI频率为6.4GT/s总带宽=6.4GT/s×2Byte×2=25.6GB/s。

 

2.PCIE总线

 

3.USB总线

USB1.1:低速模式:1.5Mbps  全速模式:12Mbps

USB2.0:最高速率:480Mbps

USB3.0:理论上最高达4.8Gbps

USB3.1:理论上最高可达10Gbps

 

3.SATA总线

SATA1.0: 1.5Gbps

SATA2.0: 3Gbps

SATA3.0: 5Gbps

SATA3.1:8Gbps

 

4.SAS总线

SAS1.0: 3Gbps

SAS2.0: 6Gbps

SAS3.0: 12Gbps

SAS4.0:24Gbps

 

5.HDMI总线

HDMI1.0: 1.65Gbps

HDMI1.3:3.4Gbps

HDMI1.4:HDIM1.4版的线只是增加了网络的那对线的,功能不具备TMDS的功能,所以1.4版仍然是3.4Gbps

HDMI2.0:6Gbps

业界所说的HDMI的传输速度可达10Gbps,18Gbps是三对数据差分线叠加效应的结果,也就是3.4GbpsX3和6GbpsX3

 

6.Ethernet以太网口总线

早期以太网:10Mbps

百兆以太网:理论上最大100Mbps

千兆以太网:理论上最大1Gbps

 

7.光纤

集成高速串行收发芯片可以实现40/100Gbps以太网,其速度并不是一路串行差分对实现40/100Gbps速率传输,而是多对差分对叠加效应的结果。Alteration FPGA芯片实现100Gbps的方案有两种,一种是10对差分对,每对速率为10.312Gbps 10Gbps;另一种为4对差分对,每对速率为25.781 25Gbps

 

8.雷电Thunderbolt总线

Thunderbolt1.0:10Gbps

Thunderbolt2.0:20Gbps

Thunderbolt3.0:40Gbps

 

9.光模块

SFP10Gbps

QSFP40Gbps

ZQSFP:100Gbps

...

这些如果同学们在设计的过程中如果遇到了,并且知道它是谁,是第几代产品,信号速率是多少,就能够以不变应万变,这些都画过的同学,不是大神也是老司机了。

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