为什么串行接口比并行接口快？

刘继仆

1，高速串口不需要传时钟来同步数据流，没有时钟周期性的沿变，频谱不会集中，所以噪声干扰少很多。以PCIE和SATA为例，时钟信息通过8b/10b编码已经集成在数据流里面，数据本身经过加扰，绝对不可能有多于5个0或者5个1的长串（利于时钟恢复），也绝对不存在周期性（避免频谱集中）。这样，通过数据流的沿变可以直接用PLL恢复出时钟，再用恢复的时钟采集数据流。这有什么好处？时钟信号消耗的功耗极多，带来的噪声也最大，不传时钟可以降低功耗，减少噪声。

2，所有高速串口都采用差分总线传输，外界噪声同时加载到并行传输的两条差分线上，相减之后可以抵消，对外部噪声的抵抗能力强。

3，没有时钟skew问题，因为它根本就没有同步时钟，不存在时钟和数据流的对齐问题。只需要保证差分信号线是对齐的就行，这是很容易的，因为差分信号线的值总是相反，相关性强，易控制。一根线跳的时候，另一根线经过一个非门的延时马上会跳，这个非门的延时是很容易补偿的。并行总线最大的问题就是多根线传输的时候，无法保证所有的沿变都对齐，很有可能传着传着某些信号跟不上，落后了一个T，数据就传错了。想控制也难，因为各个信号没有相关性，互相的沿变本身就是独立的，因为布线不同，很有可能一个跳的早点，另一个跳的晚点，再加上各个传输线电阻不同，噪声不同，传一会儿就分辨不出来哪个值对应哪个周期。

4，线少，干扰少。并行传输，一般32根或者64根，一根线跳变，会给旁边的线带来噪声，频率越高，这种噪声越大，很容易导致别的线值被篡改或者无法辨认，所以频率不可能很高。串行传输一般就4根数据线，分成Rx两根差分线和Tx两根差分线，差分线总是往相反方向跳，可以抵消各自的跳变噪声，比如Rx的正极性发生跳变时会产生噪声，这种噪声可以被Rx的负极性以相反的跳变直接抵消掉（因为他们是差分信号对），总的噪声为0，根绝了内部噪声。综上，串口传输的各种优势使得其内外噪声皆免疫，又没有信号对齐之忧，可以以极高的速率传输。比如SATA可以以6Gb的速率传输数据流，PCIE可以以8Gb的速率传输数据流。这种速率，并行传输是根本做不到的，更不要说串行传输还能节省大量引脚。

为了提高单根线的传输速率，必须要讲到我们模拟电路工程师的三大法宝，差分信号（differential signaling），时钟-数据恢复（Clock-Data Recovery，简称CDR），和信道均一化（Channel Equalization，Eq）

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差分信号的好处 不外乎抗干扰能力强，引入的噪声也比较小，虽然必须要两根线，但速度从几百M提高到几G，还是很值得的。

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CDR的好处 消灭了skew，减少了时钟的功耗和噪声（但多出了CDR电路本身的功耗和噪声），同时避免了电磁干扰。想想在PCB或者电线上传一个15G的时钟，太带感了，幸亏我们不用做这种事。

信道均一化 相当值得一提，这才是SerDes高速发展的决定性因素，所以我决定花点文字讲一下。

一般来说，真实世界中的信道都是低通特性的，到处都是小电容，所谓绝缘体中的分子在高频情况下吸收电场能量，再加上金属线中的趋肤效应，所以我们想要的高频信号走不了多远就不像样子了，比如下面某信道的频率特性（绿线）。



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如图所示，在对应28Gbps的频点上，信号能量被衰减了30db，电压幅度只剩3%了；在对应56Gbps的频点上更惨，65db意味着信号电压摆幅剩下不到千分之一。在这种信道中，发送端一个完美漂亮的数据眼图：

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到了接收端会变成这样的一堆垃圾：

什么都辨认不出来对吧。但是，经过我们聪明的工程师们一番努力，均一化开关打开，信号就变成了这样：

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既然有了三大法宝，他们只能用在串口上吗？

答案很显然，不是，串口可以用的，我们并口一样可以用。那为什么并口不用呢？

差分信号这条不用说了，并口的电线本来已经够多了，数目还要再翻一倍？系统工程师会杀人的。
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CDR 意义也不大，反正你并口速度也不高，一堆数据线中顺便传下时钟，比做接收端做CDR再采样每一位数据省事多了。
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信道均一化属于屠龙之技，不用差分信号的话也就传几百M，本来就没啥衰减，用这个干啥？还是考虑下各种噪声串扰的问题吧。

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于是答案就呼之欲出了。串口为啥比并口快？是因为串口的特性和应用场景，决定了它更加适合采用一些可以提高单根信道速率的设计方法，这些方法用在并口上并不合适。

从现有的应用看来，需要持续稳定高带宽的应用，往往使用高速串行接口，一根带宽不够再加一根，各种视频网络应用，基本如此。而一些历史遗留速度不高的应用，还有一些需要突发性高带宽的应用，并口仍然存活，比如很特殊的DDR。虽然XDR/GDDR/HMC/HCM这些新标准都在试图引入SerDes， 但DRAM行业的特殊性还是让并口继续存活着。

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