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声纳信号处理中UDP协议数据传输研究与设计
[导读]摘要：为了在声纳系统中通过以太网口进行大批量、高速率的数据传输处理，在FPGA中硬件实现了嵌入式UDP协议栈，完成了架构设计、软件仿真验证及硬件实现。用FPGA硬件实现UDP协议栈，加速了网络数据处理能力，使信号传
摘要：为了在声纳系统中通过以太网口进行大批量、高速率的数据传输处理，在FPGA中硬件实现了嵌入式UDP协议栈，完成了架构设计、软件仿真验证及硬件实现。用FPGA硬件实现UDP协议栈，加速了网络数据处理能力，使信号传输速率达到了80MB／s，实现了千兆级通信，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统性能。同时，用FPGA硬件实现UDP协议，栈减小了PCB版图面积和布局布线复杂度，提高了开发效率，有效地降低了开发成本。
关键词：UDP协议；FPGA；数据传输；信号处理
&&& UDP协议是一个简单的面向数据报的传输层协议，提供不呵靠的传输层服务。它只负责将应用数据打包交给网络层，但是不保证数据报能正确到达。UDP协议提供了一种最简单的基于数据包的、不可靠的传输机制。其特点是以数据包为最小传输单位，并且没有任何流量控制机制，适合传输效率要求较高且对传输可靠性要求不高的情况。
&&& 现有XXX型号声纳系统需要实现Link口转UDP格式数据传输，以满足大批量、高速率的数据传输要求，现有的CPU和软件协议栈无法满足此要求。经仔细研究，发现用FPGA硬件实现UDP协议栈，可以很好地提高数据传输速率，满足该声纳系统的性能要求。本文实现了一种可配置、可重用的硬件UDP协议栈，完成了UDP协议的FPGA设计：设计了UDP发送端模块，UDP接收端模块以及Link端模块等，同时对所设计系统进行了验证。经过实际验证，系统数据通信速率达到了80 MB／s，实现了千兆级以太网通信，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统的性能，满足了XXX型声纳系统对大批量、高速率数据传输的要求。并且，此方案减小了PCB版图面积和布局布线复杂度，可以移植到任何其他的FPGA设计中，使开发效率得到了极大的提高，有效地降低了开发成本。
1 声纳系统信号处理中UDP协议的FPGA设计
1．1 UDP模块设计
&&& UDP包头包括IP，端口号，UDP包长度，CHECKSUM四个部分。并且UDP信息包的标题很短(标题即头部)，只有8 B，其中，源端口(2 B)、目的端口(2 B)、长度(2 B)、校验码(2 B)。这里设计的架构通过发送端对数据进行打包，通过接收端进行解包。
&&& UDP协议的FPGA架构如图1所示。本文引用地址:
&&& 发送端(Tx)是头信息生成模块，从Link口发出的数据传入发送模块Tx内。然后，发送模块Tx中的裸数据发送到数据缓冲区RAM中，经由PartenGen模块在数据前面添加首部，即为数据进行传输层协议UDP打包。传输层协议打包好的数据传输到物理层模块，通过物理层调节芯片传送到以太网口。发送完成后，发送模块恢复空闲状态，等待下一次数据发送。在发送过程中，传输数据的IP地址是固定的。UDP发送过程没
有可靠性的保证机制，只是进行数据的打包传输。发送模块结构图如图2所示。
&&& 外部数据从以太网口经过物理层传入到接收端的数据缓冲区RAM中，外部数据是UDP格式的数据。接收模块Rx从数据缓冲区RAM中提取数据，在提取的过程中，Rx模块中的应用程序将UDP格式的数据的首部去除，只提取有效载荷部分。根据UDP数据包中的目的端口号，Rx将去UDP格式化的裸数据发送给Link口，完成接收端模块的功能任务，其示意图如图3所示。
1．2 Link模块设计
&&& 在发送过程中，外部数据经过Link口传输给发送模块(Tx)进行打包处理，然后传输至MAC。Link端模块设计如图4所示。
&&& 当acki为0时开始进行数据传输。工作时，有3个时钟输入：Link口时钟clk和clk270，以及系统本地时钟clk4。其中，clk4的频率是Link口时钟的1／4。Link的时序效果图如图5所示，在时钟的卜升沿与下降沿进行数据存写。双倍速率的数据通过Link后被分为单倍速率的数据写入UDP发送端Tx中。从Link出来的数据传入发送端Tx时，时钟每跳变一次，地址增加一次，发送端Tx将增加的地址写入到数据缓冲区RAM中，进行打包。
2 系统实现
&&& 本文在FPGA中对所设计的系统进行了验证与硬件实现。发送过程的QuartusⅡ8．0仿真波形图如图6所示。
&&& 接收过程QuartusⅡ8．0仿真波形图如图7所示。
&&& 本系统中FPGA选用的是Altera公司的EP2S60F672C5。系统有3个时钟域：系统时钟、发送时钟、接收时钟。其时序分析结果如表1所示。
&&& 从表1中可以看出，系统时钟为83．28 MHz，发送和接收时钟分别达到93．57 MHz，79．16 MHz。因此，整个系统能够满足80 MB／s的速率要求。
&&& 本文提出采用FPGA实现UDP协议栈，完成了架构设计、软件仿真验证及硬件实现。FPGA实现UDP协议栈的引入，加速了网络数据处理能力，提高了开发效率，降低了开发成本，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统性能。
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ModbusTCP/IP在工业自动化中的应用
一、前言Modbus是一种全开放，免费提供，非常容易理解和实施的协议，从70年代诞生以来，一直在不同的工作领域中得到广泛应用，是一种事实上工业标准。其主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，这恰好与互联网的客户机/服务器的通信机理相对应。它与以太网TCP/IP结合，在TCP帖中嵌入Modbus信息帧，成为ModbusTCP/IP，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的理想解决方案，试验表明了它的有效性，应用案
一、前言 Modbus是一种全开放，免费提供，非常容易理解和实施的协议，从70年代诞生以来，一直在不同的工作领域中得到广泛应用，是一种事实上工业标准。其主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，这恰好与互联网的客户机/服务器的通信机理相对应。它与以太网TCP/IP结合，在TCP帖中嵌入Modbus信息帧，成为Modbus TCP/IP，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的理想解决方案，试验表明了它的有效性，应用案例已证明了它在实际应用中的价值。 Modbus可把“符号名”赋于不同的数据类型，可在应用程序中修改数据类型，而且几乎不产生负面影响。Modbus尽管历史悠久，但应用灵活，能跟上时代的发展，满足网络通信发展提出的各种新要求，如SEMI（半导体芯片）制造行业要求一个全开放和透明的解决方案，Modbus TCP/IP仅采用一个新的功能代码“91”，使用级别，实例，牲码号改变数据。完全满足SEMI传感器总线有效传输数据的有关要求，该功能代码“91”的定义可查阅网站（http://www.modicon.com） 二、传输速率进行对比试验 以太网作为现场总线使用时，首先应在性能和传输速率上满足客户的控制要求，因此施耐德按实际应用的要求，对Modbus TCP/IP的传输速率与现场总线的传输速率进行了对比试验；试验结果证明10M的自适应以太网的Modbus TCP/IP的通信速率与现场总线（Interbus和Modbus+）的通信速率大致相同，见表1。试验是在一个国际快递公司进行的，施耐德的PLC分别连接10、20、30、40台Momentum的远程分布式I/O块，数据和长度为输入一个字/输出一个字，采用基于吞吐量方式测量时间，即测量处理器处理的整个过程的时间，包括读一个物理输入，扫描时间，然后写到一个物理输出口。施耐德在酒钢2号高炉使用了100M交换式以太网，4000多个I/O点，采用Modbus TCP/IP,网络速度远远高于传统的现场总线系统。 单从网络的通信速率进行比较，多少还带有片面性，应从以太网和现场总线两类网络的不同特性，编程性能，网络对设备类型的可连接性，网络的可伸缩性，（支持设备的台数）以及最大的传输距离等指标作进一步比较。采用Modbus TCP/IP，既可用作控制，又可传输文件，两者兼可，使传输文件和实现控制功能两个轮子同时运转。如采用10/100M自适应以太网，10M作I/O控制，100M作PLC通信，无论从运行速度，性能和投资上看，施耐德的“透明工厂”（基于Modbus TCP/IP）的解决方案要优越于各类现场总线的解决方案。
三、开发“透明工厂”应用 “透明工厂”施耐德电气公司的一个注册商标，是基于Modbus TCP/IP实现工业自动化具有可伸缩性和高性能价格比的一种解决方案，节点数范围在10~10000之间，以太网的结构可以是一个简单的I/O网络，也可以是复杂的高档计算机网络。工业自动化使用网络技术时，首先应考虑网络的规模和投资费用，也要考虑网络维护工具的方便和实用性。对于种类繁多的现场总线，客户多少有点神秘感觉，而当今，大家都已知道以太网和网卡，熟悉互联网和PC机，单从这一点讲，客户对工业以太网多少有亲切感。因具有明显的优越性。 4年前，当我们承担一个新建的汽车制造厂的自动化项目的时，非常大胆地转向开发和使用工业以太网技术的解决方案，因为我们正处于试验阶段，一些供应商和客户还对工业以太网或多或少持有怀疑的态度，因而，在总体结构中局部还使用Interbus现场总线。然而，这个基于Modbus TCP/IP的模块化分布式的工业以太网解决方案实施非常成功，并于2001年1月全部投入生产，这就是我们所说的美洲豹车生产厂“透明工厂”（工业以太网自动化系统）。美洲豹汽车厂“透明工厂”实施方案见图1。
汽车制造厂生产线分类6个楼区，每一个楼区内使用热备冗余100M以太网光纤环网，均为独立的子网络，各楼区之间需要传输相互联锁的信息。每一个楼区生产线的PLC和机器人焊接机分别由控制中心的内置交换器控制。整个生产线与公司的广域网相连（WAN）为安全起见，采用路由器技术进行隔离。通过模块化设计后，“透明工厂”系统组态结构非常灵活，几乎不作任何修改，即可扩展模块和子系统，能实现“即插即用”，恰到好处地添加单元和设备。曾经持怀疑态度的供应商们，由于尝到了矩头，坚定不移地要求施耐德为他们的下一个工程项目提供全以太网方式的解决方案和产品。模块化以太网技术方案的突出优点是性能价格比高，可伸缩性和灵活性。 四、“透明工厂”支持网页技术 使用TCP/IP后，最大的好处是可引入网页技术。即TCP/IP除了作为现场总线使用外，还可在设备中内置网页服务器，使以太网的远程I/O设备具备了在网上浏览该远程I/O状态的功能。一台内置网页的变频器，可在网上浏览它的工况信息和状态参数，对一个自动化系统来说，这是一个非常重要的优点，通过网页不仅能在网上知道该系统中的各种设备的类型，还能实时知道他们在系统中的作用和体现的功能价值。 我们可以对一个工业以太网自动化系统建立一个完整的网址，使PLC具备了在网上的诊断功能，从网上了解I/O状态，系统工况，以及网络信息的繁忙度，也可为用户的某些特殊节点定义一些特殊的网页，如生产信息，库存状态，维护工具等。浏览生产过程中的报警记录，或给维护人员发送E-mail信息等。 下面为美国密西根Holland市日处理3850万加仑城市用水处理厂的一个案例，见图2。该工程采用施耐德Quantum产品组成以太网，实现整个水厂生产过程的自动化。Quantum的以太网模块中内置有网页服务器，水厂人员可通过互联网和标准浏览器快速访问和统计数据，了解各控制器及远程I/O的状态及配置，被授权人员可以通过拨号软件和编程软件对控制器进行编程，10M以太网已能满足水厂（即使I/O点数增加至1002点）控制系统通信速率的要求，工作站刷新周期仅为1~1.5s，满足了通信的要求。
水厂配置了4台Windows NT PC电脑，分别作为操作、管理、维护及实验室分析等用途的人机界面设备，在以太网上它们是独立对等节点。数据库和DDE驱动是分开的。4台PC电脑装入了不同的实用软件。PC电脑之间唯一可交换的信息是报警信息，若一台PC电脑出现故障，即可在其他3台电脑上显示出来。操作和实验室用的电脑，功能基本相似，均装有拨号软件，通过SCADA运行版软件对水厂进行控制和操作。用于实验室的电脑可开发SCADA程序。用于管理和维护的两台电脑功能也基本相同，但只装入SCADA只读版软件，4台PC电脑和5套可编程控制器、RTU以及通信设备均由UPS供电。UPS电源系统具有抗电涌保护功能。 内置网页技术给用户带来了极大的好处，水厂现场工程师在我们的指点下，独自开发了系统的网址，把操作手册和维护手册用超文本“HTML”文件的格式保存（而不是文本）文件，因此可利用该网址下载“HTML”文件，包括操作指南、接线图、PLC I/O清单、以及备用I/O等，并把这台PLC放在公司的互联网上供大家访问。使用这种技术后，有关人员均可同时访问相同数据。从理论上讲，最多可有32个用户同时访问同一个网址。我们做试验时，只安排5位用户同时访问同一个网址，测试表明同时访问对性能毫无影响，缺少配置时，网址上的数据为只读方式，但可以通过密码控制也可配置写入功能代码。使用写入功能代码后，用户可作用于处理数据。即可改变整定值，起动和停止顺序，以及可视数据和参数等。用户还可定义系统支持企业使用的标准的网页浏览器，快速创建和起动预配置的诊断服务和在线工具等。 使用微软的Front Page或其它商用的软件包工具，可为工业自动化系统建立网址、网页，而使用开放式的Java技术也可创建用户的网址和网页。专用的Java applets程序可调用标准的工具库（图形符号等）来开发满足用户需要的界面，使网页生动活泼，反映实时工况，满足生产工艺的要求。由于以太网已得到广泛地应用，技术成熟，有现成的零配件、电缆及接插件提供，因此组建一个网络时具有投资省，成本低的优点。一些工业级产品如电缆、集线器、交换器、路由器、介质转换器、PC网卡等均可在市场上买到，可用来组建新的工业以太网网络。 五、“透明工厂”e网到底 一个大型制造业自动化系统中，包含有制造执行系统（MES）和先进过程控制系统（APC）。制造设备通常集成有传感器，用于实时检测生产过程中出现的问题，及时处理，控制工艺流程，提高产品质量。这类以智能传感器为基础的解决方案，必须能ms级的实时控制功能，必要时能独立于MES和APC，并能干预制造过程。智能传感器采集和分析的数据必须与MES融为一体。基于以太网和TCP/IP的联网技术可一网到底，向下延伸到（智能）传感器层。该项重大成果主要反映在Modbus TCP/IP为基础的SEMI（半导体）传感器总线上。而向对象的Modbus TCP/IP传感器总线符合SEMI.E54.9标准，被认为是一个里程碑。数据采集系统见图3。该数据采集系统包括设备层、控制层和信息层，彼此相互连接，独立运行。设备层有一台Momentum MIE控制器，通过10/100M以太网切换器，把传感器连接到以太网。MIE内置的以太网端口执行数据采集，不定期可执行实时控制功能；中间控制层采用Quantum PLC，它具有586 CPU的处理能力，高速处理和储存数据，并管理设备层的传感器，按请求向信息层输送数据。最高信息层驻留有APC，MES和CIM（计算机集成制造系统），通过切换器和路由器隔离现场局域网和其他控制网络。使用了Modbus TCP/IP后，能从办公室环境浏览连接到网络的所有设备和智能传感器。可在以太网环境中实现自动化系统或智能设备的升级，极大地简化了控制系统的更新改造。在一个工厂环境中集成有APC构架和智能设备的自动化系统，见图4。使用Modbus TCP/IP SEMI传感器总线后能方便实施经济有效地传感器技术方案，把传感器采集和处理的数据川流不息和透明地传送到高层MEC和APC。应该指出APC应用与传感器总线之间无直接的连接。采用以太网技术和SEMI传感器总线技术的另外一个优点是能兼容其它传感器层的异种现场总线，因而综合利用用户带来的好处是不言而喻的。 六、结束语 文章中谈到的应用案例仅仅涉及了“透明工厂”开发过程中的一些情况，通过4年的努力，“透明工厂”的概念已被广大用户接受，应用案例遍及全球，应用领域包括制造业、电力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施等。从发展角度看，所有现场设备均可内置微型网页服务器，不必通过操纵和编程，可直接使用。在一个多业主的运行环境中，每一台现场仪表均可与企业广域网相连。因此可预料在TCP/IP上将会看到有更多的功能和掀起性出现。Modbus协议是免费提供的，大家都知道的一种工业标准。嵌入在TCP/IP上的Modbus开创了我国工业自动化的新起点。扮演了一个十分重要的角色。
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广州市卢工电子技术有限公司
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玉堂科技有限公司
玉堂科技有限公司"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。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……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口(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"。
并行接口速度是串行接口的8倍
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。
一、并行传输技术遭遇发展困境
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。笔者使用爱普生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。
你知道吗？IEEE 1284的三种接口
早期的并行口是一种环形端口，IEEE 1284则采用防呆设计的D型连接器。IEEE 1284定义了D-sub、Centronics和MDR-36等三种连接器(图3)。我们所见到打印机电缆，一端是D-sub连接器，用来与主机连接，另一端为带有锁紧装置的Centronics连接器，用来连接到打印机。连接起来不仅方便，而且十分可靠。D-sub连接器有25根插针，而Centronics连接器有36根插针，多出来的11根基本上是冗余的信号地。MDR(Mini Delta Ribbon，小型三角带)连接器也是36根插针，这种小尺寸连接器是为数码相机、Zip驱动器等小型设备而设计的，实际上很少被使用。
三种不同尺寸的并行口连接器
二、USB，让串行传输浴火重生
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4)。
采用差模信号传送方式的USB
差分传输方式具有更好的抗干扰性能
图5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。
三、差分信号技术：开启信号高速传输之门的金钥匙
电脑发展史就是追求更快速度的历史，随着总线频率的提高，所有信号传输都遇到了同样的问题：线路间的电磁干扰越厉害，数据传输失败的发生几率就越高，传统的单端信号传输技术无法适应高速总线的需要。于是差分信号技术就开始在各种高速总线中得到应用，我们已经知道，USB实现高速信号传输的秘诀在于采用了差分信号传输方式。
差分信号技术是20世纪90年代出现的一种数据传输和接口技术，与传统的单端传输方式相比，它具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆，最高传输速率可达1.923Gbps。Intel倡导的第三代I/O技术(3GIO)，其物理层的核心技术就是差分信号技术。那么，差分信号技术究竟是怎么回事呢？
差分信号传输电路
众所周知，在传统的单端(Single-ended)通信中，一条线路来传输一个比特位。高电平表示为"1"，低电平表示为"0"。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号完全可能因此产生突破临界值的大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界值，信号就会出错(图7)。
单端信号传输
在差分电路中，输出电平为正电压时表示逻辑"1"，输出负电压时表示逻辑"0"，而输出"0"电压是没有意义的，它既不代表"1"，也不代表"0"。而在图7所示的差分通信中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，当两个相同的干扰信号分别进入接收端的差分放大器的两个反相输入端后，输出电压为0。所以说，差分信号技术对干扰信号具有很强的免疫力。
差分信号传输
正因如此，实际电路中只要使用低压差分信号(Low Voltage Differential Signal，LVDS)，350mV左右的振幅便能满足近距离传输的要求。假定负载电阻为100Ω，采用LVDS方式传输数据时，如果双绞线长度为10米，传输速率可达400Mbps；当电缆长度增加到20米时，速率降为100Mbps；而当电缆长度为100米时，速率只能达到10Mbps左右。
在近距离数据传输中，LVDS不仅可以获得很高的传输性能，同时还是一个低成本的方案。LVDS器件可采用经济的CMOS工艺制造，并且采用低成本的3类电缆线及连接件即可达到很高的速率。同时，由于LVDS可以采用较低的信号电压，并且驱动器采用恒流源模式，其功率几乎不会随频率而变化，从而使提高数据传输率和降低功耗成为可能。因此，LVDS技术在USB、SATA、PCI Express以及HyperTransport中得以应用，而LCD中控制电路向液晶屏传送像素亮度控制信号，也采用了LVDS方式。
四、新串行时代已经到来
差分传输技术不仅突破了速度瓶颈，而且使用小型连接可以节约空间。近年来，除了USB和FireWire，还涌现出很多以差分信号传输为特点的串行连接标准，几乎覆盖了主板总线和外部I/O端口，呈现出从并行整体转移到新串行时代的大趋势，串行接口技术的应用在2005年将进入鼎盛时期(图9)。
所有的I/O技术都将采用串行方式
1.LVDS技术，突破芯片组传输瓶颈
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9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(16×4＝64)。
图10： PCI Express x1数据通道
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(32bit×33MHz)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"(图11)，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。
图11： PCI Express端对端连接消除了桥路
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。
2.SATA，为硬盘插上翅膀
在ATA33之前，一直使用40根平行数据线，由于数据线之间存在串扰，限制了信号频率的提升。因此从ATA66开始，ATA数据线在两根线之间增加了1根接地线正是为了减少相互干扰。增加地线后，数据线与地线之间仍然存在分布电容C2(图12)，还是无法彻底解决干扰问题，使得PATA接口的最高工作频率停留在133MHz上。除了信号干扰这一根本原因之外，PATA还存在不支持热插拔和容错性差等问题。
并行ATA的线间串扰
SATA是Intel公司在IDF2000上推出的，此后Intel联合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等业界巨头，于2001年正式推出了SATA 1.0规范。而在春季IDF2002上，SATA 2.0规范也已经公布。
SATA接口包括4根数据线和3根地线，共有7条物理连线。目前的SATA 1.0标准，数据传输率为150MB/s，与ATA133接口133MB/s的速度略有提高，但未来的SATA 2.0/3.0可提升到300MB/s以至600MB/s。从目前硬盘速度的增长趋势来看，SATA标准至少可以满足未来数年的要求了。
3.FireWire，图像传输如虎添翼
FireWire(火线)是1986年由苹果电脑公司起草的，1995年被美国电气和电子工程师学会(IEEE)作为IEEE 1394推出，是USB之外的另一个高速串行通信标准。FireWire最早的应用目标为摄录设备传送数字图像信号，目前应用领域已遍及DV、DC、DVD、硬盘录像机、电视机顶盒以及家庭游戏机等。
FireWire传输线有6根电缆，两对双绞线形成两个独立的信道，另外两根为电源线和地线。SONY公司对FireWire进行改进，舍弃了电源线和地线，形成只有两对双绞线的精简版FireWire，并取名为i.Link。
FireWire数据传输率与USB相当，单信道带宽为400Mbps，通信距离为4.5米。不过，IEEE 1394b标准已将单信道带宽扩大到800Mbps，在IEEE 新标准中，更是将其最大数据传输速率确定为1.6Gbps，相邻设备之间连接电缆的最大长度可扩展到100米。
五、"串行"能红到哪天？
阅读本文之后，如果有人问关于串行传输与并行传输谁更好的问题，你也许会脱口而出：串行通信好！但是，串行传输之所以走红，是由于将单端信号传输转变为差分信号传输，并提升了控制器工作频率的原因，而"在相同频率下并行通信速度更高"这个基本道理是永远不会错的，通过增加位宽来提高数据传输率的并行策略仍将发挥重要作用。当然，前提是有更好的措施来解决并行传输的种种问题。
技术进步周而复始，以至无穷，没有一项技术能够永远适用。电脑技术将来跨入THz时代后，对信号传输速度的要求会更高，差分传输技术是否能满足要求？是否需要另一种更好的技术来完成频率的另一次突破呢？不妨拭目以待！
摘抄自：http://blog.csdn.net/yiwuya/article/details/4136319
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