在當今移動應用的寬范圍內，高速串行接口取代并行拓撲結構。當今很多公用互連標準(如USB，PCIExpress)都是基于串行傳輸來實現(xiàn)速度，物理緊密度和鏈路些韌性，廣泛提供給用戶，如筆記本電腦顯示互連、高速背板互連和呈現(xiàn)出的存儲器結構。

盡管目標和特定環(huán)境中性能的最佳化不同，但高速串行互連都采用少量基本元件。主要的是靠采用不同信令實現(xiàn)，其好處包括：降低噪聲發(fā)射，使信號幅度降低，從而降低所需信號功率量。

作為一個微控制器系統(tǒng)設計者了解有關高速串行口技術的應用特征與選擇要領至關重要，值此本文將作分析說明。需要說明的是常見的HDMI／DVI連接、桌上型電腦、移動PC、服務器、存儲、PC擴展卡與嵌入式系統(tǒng)及數(shù)據采集系統(tǒng)等均離不開高速串行總化線與橋接器接口。

1、解決串行高速信號傳輸難題HDMI切換開關產品

*隨著HDMll.3標準的推出，其3.3Gbps的高速傳輸速率對信號傳輸質量形成挑戰(zhàn)。HDMI不只局限于板卡上的信號傳送，它同時更關注不同器材間的信號傳送。在長距離纜線的傳輸上，信號質量通常都會受到衰減而變差。另外，當系統(tǒng)設置上需要多個信號源或多個接收終端時，串音干擾也是一個問題。通常，當DVI／HDMI信號以1．65Gbps速度通過25m長的24AWG線纜傳送時，會造成15dB-16dB的信號失真，這一失真足以導致信號傳送失敗。針對這一問題，如美信與百利通的HDMI切換開關采用整合型均衡器(16dB)及解預強(9.5dB)技術，確保HDMI信號達到最長的傳輸和接收距離并減低字符串擾。

*舉例應用

完全兼容HDMI 1.3應用的MAX3814電纜均衡器／驅動器,以輕松實現(xiàn)HDMI／DVI連接提供15dB損耗補償并可吸收連接器反射，見圖1所示。

圖1

MAX3814均衡器／驅動器能夠補償電纜及電路板的信號損失，并且吸收連接器反射,以極低價格提供所有功能。這款小尺寸、5mmx 5mm器件可以直接放置在HDMI／DVI接口處，為長電纜或電路板引線提供高達15dB的損耗補償。為了吸收連接器反射，可以選擇大電流輸出以便使用背向終端匹配電阻。MAX3814非常適合VGA、SVGA、XGA和UXGA計算機分辨率，以及480P、720p、1080i和1080pHDTV分辨率。完全兼容HDMI 1.3應用。

其HDMI擴展器/均衡器特征為：將28AWG HDMI電纜的數(shù)據傳輸離延長至36m；將FR4電路板的數(shù)據傳輸距離延長至2m；增加15dB(最大值)的損耗補償裕量。

其HDMI電纜驅動器特征為：兼容于HDMI和DVI標準的輸出；可選擇大電流模式，以便使用吸收輸出反射的終端匹配電阻；關斷模式下關閉輸出。

2、PCI總線始于數(shù)據采集系統(tǒng)的應用

外圍組件互連(PCI)總線是當今使用的最為廣泛的內部計算機總線之一。通常會發(fā)現(xiàn)在臺式計算機上有3個或更多的PCI插槽。PCI總線的廣泛使用使得它成為數(shù)據采集系統(tǒng)的首要選擇。另一方面，PCI提供了高速的傳輸，理論帶寬的速度可達1056Mbits／s。因此，那些需要高速數(shù)據流盤應用的客戶可能喜歡使用PCI而不是一些其他的總線選擇。如NI公司針對PCI提供了多功能的數(shù)據采集設備，并且具有多種采樣速率(高達1.25MS／s)且并行采樣速率高達10MS／s。PCI也提供閉鎖連接器，這對于在惡劣環(huán)境下的工業(yè)應用來說是一個重要的特性。近年來出現(xiàn)了一些對PCI總線的改進?，F(xiàn)在，一些PCI插槽提供32位傳輸，而另外一些的傳輸數(shù)據速率高達66MHz。甚至PCI板卡需要的電源也有所改不同，一些需要5V，而另外的則僅需要3.3V。另外一個技術標準，稱為PCI-X，允許高達133MHz的傳輸速率。

通過保持這些設備專門針對通用信號，來保證所提供的基于PCI的數(shù)據采集設備與目前所有的改進的PCI協(xié)議兼容。此外，如NI公司，M系列下一代數(shù)據采集設備在PCI上實現(xiàn)了高性能的16位或18位數(shù)據采集。

2.1基于PCI的 PXl模塊化儀器平臺

需指出的是，傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術的PCI-Express取代，而它的最新標準支持的數(shù)據率已經到5Gb/S，一個U1的寬度僅200ps。而PXl是一種專為工業(yè)數(shù)據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業(yè)特性。PXl(PCIextensionsforlnstrumentation)充分利用了當前最普及的臺式計算機高速標準結構-PCI。PXl規(guī)范是CompactPCI規(guī)范的擴展。CompactPCI定義了封裝堅固的工業(yè)版PCI總線架構，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機械整合性。

其PXI系統(tǒng)機箱為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝結構。按尺寸不同，機箱有4槽到18槽不等，機箱具有高性能PXI背板，它包括PCI總線，定時和觸發(fā)總線(見圖2所示)，并且還可以有一些專門特性，如DC電源和集成式信號調理。PXl在背板上結合了工業(yè)標準的PCI總線和測量與自動化系統(tǒng)專用的定時與觸發(fā)特性高級及同步擴展。

圖2

2.2PCI橋接器特征與應用

外圍設備互連(PCI)橋接器提供了任意兩條PCI總線之間或PCI元件與一個或多個DSP器件之間提供高性能連接通路。

*設計思想

外設組件接口(PCI)是一種用于連接微處理器及其附加器件的互連系統(tǒng)，其中為了實現(xiàn)高速操作，擴展槽被緊密放置。一個PCI至PCI橋是兩條PCI總線之間的高性能連接通道，允許在兩條PCI總線上并行處理橋接事務。當兩個總線通行線路通過橋接器連接并獨立運作時，猝發(fā)模式(Burstmode)可以支持最大的數(shù)據傳輸量。在未來的系統(tǒng)中，許多PCI總線結構將被新的連續(xù)的PCI Express體系結構代替。引正在積極開發(fā)一系列的PCI Express產品組合以占領這個新的市場。

*主要特點：兩條32位、33或66MHz總線；可針對PCI電源管理接口規(guī)范進行配置；

CompactPCI熱交換(hot-swap)功能；3.3V核心邏輯，具有與3.3V至5V PCI信號的兼容性；

InteI橋接兼容性；透明橋接(Transparent bridging)

3、高速串行總線PCI Express與橋接器

3.1高速串行總線PCI Express特征

*設計思想

PCI Express是一種近年來發(fā)布的總線結構，其初始速度達2．5Gb／s。它在每個PCIExpress通道單方向上提供的標稱帶寬大約為250MBls。考慮到附加信息的帶寬占用，大約其中的200MB／s由設備用來傳輸數(shù)據。這一速率是大多數(shù)典型的PCI設備的兩倍至四倍。因為使用PCIExpress可以將同樣水平的帶寬分配至每一個設備，而不是像PCI那樣在所有的設備間共享帶寬，所以PCI Express設備可以比它們相應的PCI達到更高的性能水平。對于測量應用，這就意味著更高的采樣速率和數(shù)據吞吐速率。

PCI Express具有了繼PCI之后最優(yōu)的特性及理念。而PCI Express所引入的強健、可升級、靈活、經濟高效的輸入／輸出互聯(lián)將在下一個10-15年內提供服務。圖3為PCI Express的拓撲示意圖。

圖3

PCIExpress技術指標也提供了熱交換和熱插拔功能。因為熱插撥特性需要依賴特定的操作系統(tǒng)特性，所以可能初始時不能使用。此外，PCIExpress設備提供各種不同的格式，尤其是SIOM和ExpressCard，極大地提高了在服務器和筆記本上添加高性能外設的能力。

*主要特點：PCI Express的架構是業(yè)界標準的高性能、多用途串行輸入輸出互聯(lián)，設計用于企業(yè)設施、桌上型電腦、移動通信以及嵌入式平臺；通過使用已制定的PCI軟件編程模塊，PCI Express可實現(xiàn)與PCI的兼容。PCI Express~推動了硬件更新的順利過渡，支持軟件的發(fā)展和升級，提升了PCI Express的特性優(yōu)勢；Gen I在其最初的2.5GHz信號傳輸速率時就擁有了16G比特／秒的可升級帶寬。而將來，GenII將采用更高頻率的信號傳輸技術，實現(xiàn)更高的傳輸速率；通過1、2、4、8、1 2、16及32通道(1ane)的配置集合匹配應用所需的帶寬，從而支持多個互聯(lián)寬度；服務于新型及革新的、熱插入／熱交換擴展卡及模塊化器件；提供了獨特的高級特性，例如電源管理、服務質量以及其它PCI—E本身獨有而其他的輸入輸出架構所不具有的功能。

*PCI Express器件分類為：根聯(lián)合體(RootComplex)器件，開關，PCI／PC-X，橋接器，舊式的端點器件與端點器件。

3.2使用PCI EXpreSSM系列的高速模擬和數(shù)字I／0

如新型NI PCIe—6251和NIPCIe—6259是最先出現(xiàn)的PCI Express多功能數(shù)據采集設備。它們提供高達32個16位精度，1.25MS／s模擬輸入通道，另外有32個10MHz數(shù)字I／O通道和4個16位，2.8MS／s模擬輸出。當您通過一個x1 PCI Express連接器與PC互傳數(shù)據時，所有這些I／O可以同時運行。即高速模擬和數(shù)字I／O和通過PCI EXpress每個設備獲得專用帶寬及向后兼容針對同類PCI設備設計的軟件。

3.3 PCIExpress橋接芯片

如TI的X102000A是新型PCI Express橋接芯片，其設計用于老式PCI至PCI Express接口的無縫移植。該器件將x1 PCI Express總線橋接至32位、33／66MHz PCI總線(見圖4所示)，最多可支持多達6個下行流(downstream)PCI器件。

圖4

X102000A完全支持PCI Express 2．5Gbps的數(shù)據率。其架構支持PCI 2．3接口。該芯片的設計使得個人電腦及輸入／輸出擴展卡廠商一方面開始著手向優(yōu)秀的PCI Express技術轉變，另一方面仍保有與現(xiàn)存PCI系統(tǒng)軟件及固件的兼容性。

*X102000A主要特征與優(yōu)勢

兼容PCI ExpressPCI／PCI-X橋接標準rev 1.0與兼容PCI Express基本標準1.0a及兼容PCI本地總線標準rev 2.3；采用100MHz差分PCI Express通用基準時鐘或125MHz單端基準時鐘；完全的PCI體地總線66MHz／32位吞吐能力；Wake／Beacon(喚醒／信標)事件支持強健的架構，使延遲最小化。而其優(yōu)勢為內置自適應接收機均衡,由于改善的抖動容忍度，因此X102000允許可靠的增加PCB線跡{trace)，或增加纜線長度；7個緩沖的PCI時鐘輸出(33MHz或66MHz),降低了外部組件數(shù)量、成本，并獲得了額外的板載空間；32位二級PCI總線，具有33MHz或66MHz時鐘選項，允許客戶自定義，以滿足高性能或低功耗應用的需要；具有經驗證的，與各類PCI Express芯片集及PCI擴展卡的兼容性,與主流的根聯(lián)合體(rootcomplex)器件以及眾多的PCI擴展卡一起經受了嚴格的現(xiàn)場測試；緊湊的引腳分布，允許在其有限的板載空間內配置Expresscard及mini-PCI卡；高級電源管理特性，軟件可編程及硬件自身享有的電源管理特性，可用于諸如Expresscard等低功耗應用。

*應用領域；XI02000A可滿足多個不同市場段的需求，包括了桌上型電腦、移動PC、服務器、存儲、PC擴展卡及嵌入式系統(tǒng)。

3.4 x1 PCIExpress至1394aOHCI橋接器特征與應用

以TI的X102200A為例。主要特點：x1 PCI Express主接口與支持兩個1394a端口完全兼容1394開放式主機控制器接口規(guī)范revl.1；Expresscard設計支持兩個1394a端口；內部專用的PCI總線，工作于32位、66MHz。圖5為x1 PCIExpress至1394aOHCI橋接器示意圖。

圖5

它所帶來的功效：其單芯片解決方案，用于1394a Expresscard，又有高級電源管理特性；其軟件可編程及硬件自身享有的電源管理特性，可支持諸如Expresscard等低功耗應用,緊湊的引腳分布，采用176圓球腳MicroStarTMBGA封裝，而EEPROM配置允許通過用于1394構架的一個全局唯一性的ID實現(xiàn)載入。

應用Expresscard與PC擴展卡及PC母板(motherboard)。

3.5 4通道，4端口PCIExpress開關(X103130型)特征與應用

X103130是集成的PCI Express出升關解決萬案，帶有一個x1上行端口及三個x1下行端口。此高性能的解決方案提供了最新的PCI Express開關技術。其特色的直接穿越架構(cut—through architecture)以及集成的基準時鐘緩沖器可用于下行端口。X103130完全兼容PCI Express基本規(guī)范Rev 1.1。該器件支持PCI Express基本規(guī)范中所定義的高級錯誤報告，并與PCI本地總線規(guī)范Rev 2．3后向兼容。

主要特征：PCI Express扇出開關，具有一個x1上行端口及三個x1下行端口；完全兼容PCI Express基本規(guī)范Revl.1；直接穿越架構；四個端口均內置了自適應均衡器；喚醒事件(Wake-event)及信標(Beacon)支持；主動狀態(tài)電源管理(ASPM)；低功耗PCI Express發(fā)射機模式(pre-emphasisdsabled，預加重失效)；僅當主電源關斷(off)時，集成的AUX電源開關通過VAUX(輔助電源)吸取供電；集成熱插入支持；集成基準時鐘(REFCLK)緩沖器，以用于開關的下行端口；高級錯誤報告，可用于輔助系統(tǒng)調試工具；3．3V多功能輸入輸出引腳(例如，用于熱插入狀況及控制，或用作多用途輸入／輸出口)。

應用：將X103130作為一個扇出型器件的主要用意是高效的擴展芯 片集的計算資源至多個輸入輸出端口，并增強系統(tǒng)的功能性及靈活性。X103130的目標應用包括了個人電腦、服務器、存儲設備、工業(yè)控制及背板。

4、USB 2.0應用特征與USB-串行橋接器TUSB3410

*總線系統(tǒng)中傳輸速率最快的兩種是USB 2.0. 它們采用點對點電氣連接。使用先進的節(jié)點或集線器，可以構成樹狀拓撲的虛擬總線，數(shù)據包從源端發(fā)送至端點(USB)，突發(fā)數(shù)據速率高達480Mbps(USB 2.0)。TUSB3410提供了一種通過USB端口與增強型UART串行端口之間的橋接來使您的老式串行設備與快速、靈活的USB接口相連的簡易方法。USB的拓撲和協(xié)議允許最多連接126個節(jié)點，使用無源電纜時節(jié)點間的最大傳輸距離為4.5m。專為包括PC外設、多媒體、工業(yè)控制應用而設計，USB可以帶電插入系統(tǒng)(熱插拔)。該特性允許網絡節(jié)點數(shù)動態(tài)變化。

*TUSB3410包含采用USB總線來與主計算機進行通信所需的全部邏輯電路。圖為串行橋接器TUSB3410應用示意圖6。

圖6

主要特點：符合USB全速規(guī)格：12Mbps的數(shù)據率；8052微控制器以及能夠從主機或通過總線從外部板載存儲器裝入數(shù)據的16Kbyte RAM；集成、增強型UART功能包括可編程軟件／硬件流量控制自動RS-485總線收發(fā)器控制(帶或不帶回波抑制)、50-921.6kbaud的軟件可選波特率；用于USB／UART成批I／O的內置、雙通道DMA控制器；

應用：手持式計量儀表、健康狀況測量裝置／監(jiān)控器與所有需要升級至USB的老式串行設備。