超全|高速总线接口总结

雪山白凤凰_ 2022-08-21 发布于广西

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1.PCI-E

2.SATA

3.Ethernet

4.MIPI

5.USB

6.HDMI

7.DisplayPort

8.LVDS

1.PCI-E

◆PCI-E总线简介

PCI-E(PCI-Express)是一种通用的总线规格，它由Intel所提倡和推广，其最终的设计目的是为了取代现有电脑系统内部的总线传输接口，这不只包括显示接口，还囊括了CPU、PCI、HDD、Network等多种应用接口。

PCI-E采用多对高速差分信号传输数据,数据速率可以是1代的2.5Gbps.2代的5Gbps或者3代的8Gbps。根据总线吞吐带宽的要求,可以选择x1/x2/x4/ x8/x16/x32的模式。x1/x2/x4/ x8/x16/x32是指总线的 Lane的数量,比如在x4模式下是收发各使用4对高速的差分线,而x16模式是收发各使用16对高速的差分线。由于可以根据传输带宽需要选择系统Lane的数量,因此PCI-E使用起来非常灵活。

PCI-E总线的协议采用类似以太网的TCP/IP的分层结构,从下至上依次分为物理层(Physical Layer)、数据链路层(Data LinkLayer)和传输层(Transaction Layer)。在传输层以上的软件接口和传统的PCI/PCI-X是兼容的,因此早期在PCI/PCI-X接口上开发的程序不需要做太多的修改就可以移植到PCI-E接口上,大大节省了升级的成本。

◆应用场景

由于PCI-E总线吞吐率高、实现成本低、技术成熟,目前在台式机、笔记本,服务器等应用中已经成为标准的外设接口,在很多需要高速数据交换的嵌入式应用中,PCI-E也越来越普及。

1.南桥及北桥

北桥（多集成在CPU内部）：挂高速设备，如显卡，内存

南桥：挂低速设备，如LPC接口，网卡

2.外围

1）具有PCI-E接口的外围设备

2）其他处理器系统

如：

1.x1/x2，用来扩展低速设备，如网卡，声卡，替代PCI插槽

2.x4，用来扩展中速设备,如磁盘阵列卡，替代PCI-X插槽

3.x8/x16，用来扩展高速设备，如显卡，淘汰AGP插槽

◆PCI-E接口定义

在PCI-E总线的物理链路的一个数据通路(Lane)中，由2组差分信号，共4根信号线组成。其中发送端的TX部件与接收端的RX部件使用一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的发送链路，也是接收端的接收链路；而发送端的RX部件与接收端的TX部件使用另一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的接收链路，也是接收端的发送链路。

一个PCI-E链路可以由多个数据通路(Lane)组成，目前PCI-E链路可以支持1、2、4、8、12、16和32个数据通路(Lane)，即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32宽度的PCI-E链路。

PCI-E总线除了TX/RX数据线对，PCI-E接口还定义了一些辅助信号线，包括PERST#信号、REFCLK+和REFCLK-信号、WAKE#信号、SMCLK和SMDAT信号、PRSNT1#和PRSNT2#信号、JTAG信号等。

2.SATA

◆SATA简介

在台式机、笔记本和服务器的应用中,硬盘是必不可少的存储介质,传统的硬盘和计算机主板间的连接接口是并行的ATA接口。为了能够提供更高的传输速度和更方便的连接，目前串行ATA(SerialATA,即 SATA)已经取代并行ATA成为硬盘接口的主流。SATA 用7pin的连接器取代了传统并行 ATA 的40pin电缆,因此连接更加方便,传输速率更高。

SATA用两对差分线提供双向数据收发,因此可以用比较小的信号摆幅提供更高的传输速率,而且差分线本身具有更好的抗干扰能力和更小的 EMI,因此可以支持更高速率的信号传输。

SATA总线使用了嵌入式时钟频率信号，具备了比以往更强的纠错能力，能对传输指令（不仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，提高了数据传输的可靠性。SATA和以往最明显的分别，是用上了较细的排线，有利机箱内部的空气流通，增加了整个平台的稳定性。

◆应用场景

主要是用作主板和大量存储设备（如硬盘及光盘驱动器）之间的数据传输。

◆接口定义

SATA接口的信号部分由7根电缆线组成，其中3根地线，可以削弱消除串行电缆间的干扰，另外4根为两两差分的信号线，分别起到发送与接收。

3.Ethernet

◆Ethernet技术简介

在PC和数据通信等领域中,以太网的应用非常广泛。现在广泛使用的以太网的技术从20世纪90年代10Base-T标准推出以来,发展非常迅速。目前比较普遍使用的是基于双绞线介质的10M/100M/1000M以太网,同时10G及更高速率的以太网技术也在服务器、数据交换等领域得到广泛应用。

10Base-T、100Base-Tx,1000Base-T都是使用双绞线介质和RJ-45连接器(有时称为水晶头)做数据传输的以太网标准,由于布线简单、成本低廉、使用方便,目前是最广泛使用的以太网技术(标准里的T是指Twisted Pair,即双绞线)。

◆应用场景

以太网

◆接口定义（以RJ45为例）

RJ45连接器上有8个pin脚,可以连接4对双绞线。其中10Base-T、100Base-Tx只使用其中的2对，一对用来发送,另一对用来接收；而在1000Base-T标准里,会同时用到4对双绞线,而且每对双绞线上都是同时有数据的收发。

4.MIPI

◆MIPI简介

MIPI(Mobile Industry Processor Interface)是2003年由ARM, Nokia, ST ,TI等公司成立的一个联盟，目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。

MIPI联盟下面有不同的WorkGroup，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和功能时更加快捷方便。

目前已经比较成熟的 MIPI应用有摄像头的CSI接口、显示屏的 DSI接口以及基带和射频间的DigRF接口。UFS、LLI等规范正在逐步制定和完善过程中。

◆应用场景

移动通信的内部接口。

◆接口定义（MIPI DSI）

CSI/DSI的物理层(PhyLayer)由专门的WorkGroup负责制定,其目前采用的物理层标准是D-PHY。D-PHY采用1对源同步的差分时钟和1～4对差分数据线来进行数据传输。数据传输采用DDR方式,即在时钟的上下边沿都有数据传输。

MIPI-DSI接口

5.USB

◆USB总线简介

USB是一个外部总线标准，规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口具有热插拔功能。USB接口可连接多种外设，如鼠标和键盘等。USB是在1994年底由英特尔等多家公司联合在1996年推出后，已成功替代串口和并口，已成为当今电脑与大量智能设备的必配接口。

USB系统设备类型包括主机(Host)、集线器(Hub)以及外设(Device)。USB的Host负责管理I/O系统及应用软件,管理外设枚举(Enumeration),在运行过程中初始化对特定外设的操作。USB的Hub提供扩展的USB外设接口,最多可以级联5级,最多可以连接127个USB设备。USB的 Device接受Host发起的操作,并发送或接收数据。

USB其总线标准主要经历：

USB1.1——支持低速率（ HalfSpeed）的1.5Mbps和全速率（FullSpeed）的 12Mbps；

USB2.0——支持高速率（High Speed）的480Mbps；

USB3.0——支持超高速率（ SuperSpeed）的5Gbps。。

◆应用场景

USB 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接键盘、鼠标、大容量存储设备等多种外设，该接口也被广泛用于智能手机中。计算机等智能设备与外界数据的交互主要以网络和USB接口为主。

◆接口定义

USB 3.0在原有USB 2.0的4根线(VCC、GND、D＋、D一)基础上另外增加了2对差分线,这样USB 3.0的接口上就总共有8根线。原来的4根完全兼容原来的USB 2.0设备;增加的这两对差分线采用全双工模式，一对线负责发送,另一对线负责接收,发送和接收都可实现5Gbps的数据速率。

6.HDMI

◆HDMI简介

高清多媒体接口（High Definition MultimediaInterface，HDMI）是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。

按照 HDMI标准的定义,HDMI的设备分为Source设备(源设备)、Sink 设备(接收设备)以及Cable(电缆)。Source设备是产生 HDMI信号输出的,如DVD、机顶盒、数码相机、计算机、游戏机等;Sink 设备是接收HDMI信号并显示的,如电视、投影、显示器等。除此以外,还有一种Repeater 设备(中继设备),用于接收 HDMI信号并重新分配输出,因此Repeater设备上同时有Sink设备的接口和Source设备的接口。

◆应用场景

HDMI可以同时传送音频和影像信号，可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑、电视游乐器、综合扩大机、数字音响与电视机。

◆接口定义

在HDMI的总线上,主要用来进行音视频信号传输的是4对 TMDS的差分信号,包括1对差分时钟信号和3对差分的数据信号。通常情况下﹐时钟线上的时钟频率为数据线上数据传输速率的1/10,例如每对数据线上的数据速率为1.485Gbps时,时钟线上传输的时钟信号频率为148.5MHz。

除了TMDS信号以外,在 HDMI总线上还有Hot Plug(HPD信号﹐热插拔控制)用于设备插入检测，DDC通道(Display DataChannel)用于接收设备的EDID信息读取，＋5V信号用于给外设供电等。

7.DisplayPort

◆DisplayPort简介

DisplayPort（简称DP）是一个由PC及芯片制造商联盟开发，视频电子标准协会（VESA）标准化的数字式视频接口标准。该接口免认证、免授权金，主要用于视频源与显示器等设备的连接，并也支持携带音频、USB和其他形式的数据。

此接口的设计是为取代传统的VGA、DVI和FPD-Link（LVDS）接口。通过主动或被动适配器，该接口可与传统接口（如HDMI和DVI）向后兼容。

DisplayPort可用于同时传输音频和视频，这两项中每一项都可以在没有另外一项的基础上单独传输。DP接口(DisplayPort)不仅可以支持全高清显示分辨率(1920×1080)，还能支持4k分辨率(3840×2160)，以及最新的8k分辨率(7680×4320)。DP接口不仅传输率高，而且可靠稳定。

DisplayPort接口传输的信号由传输图像的数据通道信号以及传输图像相关的状态、控制信息的辅助通道信号组成，具体包含DisplayPort数据传输主要通道(Main Link)、辅助通道(AUX Channel)与连接(Link Training)。

主链路(Main Link)：主链路是单向的、高带宽、低延迟的信道，用于传输同步数据流，如未压缩的视频和音频。

辅助通道(AUX CH)：辅助通道是半双工，双向通道，用于链路管理和设备控制。

◆应用场景

计算机和显示器上首选Displayport，家庭娱乐设备上则首选HDMI；

显示器校色：首选Displayport，因为HDMI接口的RGB范围会有缺失；

多屏扩展：Displayport支持多屏扩展，HDMI只支持单个屏幕。

◆接口定义

8.LVDS

◆LVDS简介

LVDS，即Low VoltageDifferential Signaling，是一种低压差分信号技术接口。克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。

LVDS输出接口利用非常低的电压摆幅（约350mV）在两条PCB走线或一对平衡电缆上通过差分进行数据的传输，即低压差分信号传输。采用LVDS输出接口，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit／s的速率传输，由于采用低压和低电流驱动方式，因此，实现了低噪声和低功耗。