Скорость обмена. 
Системная производительность интерфейса LVSD

Повышение скорости обмена интерфейса LVSD

Производительность системы зависит от скорости обмена данными между входящими в нее устройствами. В последнее время для повышения скорости обмена все чаще используют быстродействующие интерфейсы, поддерживающие дифференциальный метод передачи с использованием сигналов низкого уровня (Low-Voltage Differential Signaling — LVDS) и многоточечный двунаправленный способ обмена информацией (Multipoint-LVDS — M-LVDS). Эти методы позволяют организовать сверхскоростной обмен между микросхемами на печатной плате и установить эффективное взаимодействие между блоками и стойками. Кроме того, применение таких методов обеспечивает значительное уменьшение числа соединительных проводников и габаритов разъемов при увеличении надежности и снижении стоимости всего комплекса.

Существуют различные варианты обмена данными между устройствами (рис.1). Простейший из них, как следует из названия, Simplex (точка-точка) позволяет передавать информацию только в одну сторону и только одному приемнику. На приемной стороне тракта передачи обязательно наличие согласующего резистора (терминатора). Вариант Multidrop предполагает применение одного передатчика и нескольких приемников, каждый из которых располагается рядом с основной линией передачи. И в этом случае необходим только один резистор для устранения отраженных сигналов. Полудуплексный режим позволяет организовать двухсторонний обмен данными, но с разделением во времени, т. е. в любой момент времени информация передается только в одном направлении (отсюда и приставка «полу-»).

В полудуплексном режиме обмен точка-точка происходит только между двумя устройствами. При многоточечном полудуплексном режиме (half-duplex multipoint) двухсторонний обмен возможен между любыми устройствами, но опять же с условием временного разделения потоков информации. В этом случае терминальные резисторы должны быть установлены на обеих сторонах основного канала передачи и приема. Основное назначение любого последовательного интерфейса — «сворачивание» параллельного кода в скоростной последовательный канал и «разворачивание» последовательного кода в параллельный на приемной стороне.

Каждый тип интерфейса, как видно из кривых соотношения скорости обмена и допустимого расстояния (рис.2), имеет свою нишу и предназначен для определенных областей применения. При расстояниях до 30 м и скоростях передачи менее 50 Мбит/с обычно используют интерфейсы стандартов TIA/EIA-422 (RS-422, multidrop) и TIA/EIA-485 (RS-485, multipoint). Их положительные качества — выходные дифференциальные сигналы высокого уровня, наличие чувствительных приемников, работоспособность при уровнях помех до 7 В — гарантируют эффективный обмен данными между удаленным оборудованием.

Передачу и прием со скоростью около 10 Гбит/с обеспечивают микросхемы типа ECL или PECL (положительная эмиттерно-связанная логика). Однако при этом высокая скорость обмена достигается за счет роста стоимости и существенного увеличения потребляемой мощности. А экономичность интерфейса имеет немаловажное значение. Вот почему при скоростях передачи выше 50 Мбит/с, а также в устройствах, где важно низкое потребление энергии, применяют LVDSили M-LVDS-интерфейсы, занимающие лидирующие позиции по этому параметру (рис.3). Благодаря токовому выходу оконечного каскада (рис.4) потребляемая мощность интерфейсов этого типа практически не зависит от скорости передачи информации.

К тому же, LVDSили M-LVDS-интерфейсы, как видно из рис. 2, работоспособны при самых низких значениях напряжения питания. Работа с сигналами низкого уровня и дифференциальная схема передачи существенно облегчают решение проблемы электромагнитной совместимости, что добавляет очки в пользу LVDS-и M-LVDS-интерфейсов. Эти достоинства особенно важны для автономных и портативных устройств.

Обширную номенклатуру микросхем LVDS-интерфейсов предлагает фирма Texas Instruments (рис.5). Они поддерживают скорость обмена данными до 2 Мбит/c. Но, подобно спортивному скоростному автомобилю, которому необходима специальная трасса, эти интерфейсы для обеспечения сверхвысоких скоростей обмена требуют тщательного проектирования всего тракта передачи и приема.

LVDS-интерфейсы (один передатчик — несколько приемников, стандарт TIA/EIA-644) не позволяют, подобно интерфейсам.

RS-485 (стандарт TIA/EIA-485), напрямую организовывать двунаправленный многоточечный обмен. Для поддержки многоточечного полудуплексного режима «несколько передатчиков — несколько приемников на одной шине» фирмами Texas Instruments и National Semiconductor создан многоточечный M-LVDS-интерфейс (стандарт TIA/EIA-899−2001), с помощью которого возможен двухсторонний обмен данными. M-LVDS-интерфейс — это высокоскоростной экономичный многоточечный интерфейс стандарта RS-485, позволяющий создавать сеть, содержащую до 32 узлов, со скоростью обмена до 500 Мбит/c.

Для создания скоростной шинной архитектуры M-LVDS на фирме Texas Instruments также разработаны интерфейсные микросхемы LVDM с более высоким — в два раза — токовым выходом, чем у LVDS, что необходимо при работе на линию с двумя согласующими резисторами (полудуплексный обмен), — рис. 6. У фирмы National Semiconductor подобные микросхемы называются BusLVDS или BLVDS. Выходной ток микросхем LVDMи BusLVDS-интерфейсов составляет 8−10 мА, M-LVDS — примерно 11 мА.

В номенклатуру микросхем интерфейсов фирмы Texas Instruments входят и LVDT-интерфейсы (буква «Т» обозначает наличие в микросхеме встроенного согласующего резистора — терминатора — с сопротивлением ~100 Ом). Следует учесть, что LVDT-микросхемы можно устанавливать только на оконечных (основных) узлах основного тракта, так как на промежуточных узлах согласующие резисторы не нужны.

LVDSи M-LVDS-каналы легко создаются на печатной плате или с помощью широко распространенного кабеля CAT5. Рассмотренные скоростные интерфейсы выпускаются многими известными компаниями, что значительно расширяет выбор при построении скоростной сети различного уровня сложности.