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近兩年，大家聽得最多的一個(gè)詞可能就是串行傳輸了。從技術(shù)發(fā)展的情況來看，串行傳輸方式大有徹底取代并行傳輸方式的勢頭，USB取代 IEEE 1284，SATA取代PATA，PCI Express取代PCI…… 從原理來看，并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式。通俗地講，并行傳輸?shù)耐藩q如一條 多車道的寬闊大道，而串行傳輸則是僅能允許一輛汽車通過的鄉(xiāng)間公路。以古老而又典型的標(biāo)準(zhǔn)并行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗稱COM口)為例，并行接口的位寬為8，數(shù)據(jù)傳輸率高；而串行接口只有1位，數(shù)據(jù)傳輸速度低。在串行口傳送1位的時(shí)間內(nèi)，并行口可以傳送一個(gè)字節(jié)。當(dāng)并行口完成單詞“advanced”的傳送任務(wù)時(shí)，串行口中僅傳送了這個(gè)單詞的首字母“a”。 那么，現(xiàn)在的串行傳輸方式為何會更勝一籌呢？ 一、并行傳輸技術(shù)遭遇發(fā)展困境 電腦中的總線和接口是主機(jī)與外部設(shè)備間傳送數(shù)據(jù)的“大動脈”，隨著處理器速度的節(jié)節(jié)攀升，總線和接口的數(shù)據(jù)傳輸速度也需要逐步提高，否則就會成為電腦發(fā)展的瓶頸。 我們先來看看總線的情況。1981年第一臺PC中以ISA總線為標(biāo)志的開放式體系結(jié)構(gòu)，使用了ISA總線，數(shù)據(jù)總線為8位，工作頻率為8.33MHz，這在當(dāng)時(shí)卻已經(jīng)算作“先進(jìn)技術(shù)（Advanced Technology）”了，所以ISA總線還有另一個(gè)名字“AT總線”。到了286時(shí)，ISA的位寬提高到了16位，為了保持與8位的ISA兼容，工作頻率仍為8.33MHz。ISA總線雖然只有16MBps的數(shù)據(jù)傳輸率，但直到386時(shí)代，都一直是主板與外部設(shè)備間最快的數(shù)據(jù)通道。 到了486時(shí)代，同時(shí)出現(xiàn)了PCI和VESA兩種更快的總線標(biāo)準(zhǔn)，它們具有相同的位寬（32位），但PCI總線能夠與處理器異步運(yùn)行，當(dāng)處理器的頻率增加時(shí)，PCI總線頻率仍然能夠保持不變，可以選擇25MHz、30MHz和33MHz三種頻率。而VESA總線與處理器同步工作，因而隨著處理器頻率的提高，VESA總線類型的外圍設(shè)備工作頻率也得隨著提高，適應(yīng)能力較差，因此很快失去了競爭力。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)成為Pentium時(shí)代PC總線的王者，硬盤控制器、聲卡到網(wǎng)卡，全部使用PCI插槽。而顯卡方面對數(shù)據(jù)傳輸速度要求更高，出現(xiàn)了專用的AGP， 并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)向來是提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段，但是，進(jìn)一步發(fā)展卻遇到了障礙。首先，由于并行傳送方式的前提是用同一時(shí)序傳播信號，用同一時(shí)序接收信號，而過分提升時(shí)鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序與時(shí)鐘合拍，布線長度稍有差異，數(shù)據(jù)就會以與時(shí)鐘不同的時(shí)序送達(dá)，另外，提升時(shí)鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾，導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。因此，并行方式難以實(shí)現(xiàn)高速化。從制造成本的角度來說，增加位寬無疑會導(dǎo)致主板和擴(kuò)充板上的布線數(shù)目隨之增加，成本隨之攀升。 在外部接口方面，我們知道IEEE 1284并行口的速率可達(dá)300kBps，傳輸圖形數(shù)據(jù)時(shí)采用壓縮技術(shù)可以提高到2MBps，而RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口的數(shù)據(jù)傳輸率通常只有20kbps，并行口的數(shù)據(jù)傳輸率無疑要勝出一籌。因此十多年來，并行口一直是打印機(jī)首選的連接方式。對于僅傳輸文本的針式打印機(jī)來說，IEEE 1284并行口的傳輸速度可以說是綽綽有余的。但是，對于近年來一再提速的激光打印機(jī)來說，情況發(fā)生了變化。筆者使用愛普生6200L在打印2MB圖片時(shí)，速度差異不甚明顯，但在打印7.5MB大小的圖片文件時(shí)，從點(diǎn)擊“打印”到最終出紙，使用USB接口用了18秒，而使用并行口時(shí)，用了33秒。這一測試結(jié)果說明，現(xiàn)行的并行口對于時(shí)下流行的激光打印機(jī)來說，已經(jīng)力難勝任了。 二、USB，串行接口欲火重生 鳳凰涅槃，欲火重生。1995年，由Compaq、Intel、Microsoft和NEC等幾家公司推出的USB接口首次出現(xiàn)在PC機(jī)上，1998年起即進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用階段，作為IEEE 1284并行口和RS-232C串行口的接班人，USB現(xiàn)在已經(jīng)呈現(xiàn)出大紅大紫了。 USB雖然只有一位的位寬，但數(shù)據(jù)傳輸速度卻比并行口要高，而且具有很大的發(fā)展空間。USB設(shè)備通信速率的自適應(yīng)性，使得它可以自動選擇HS（High-Speed，高速，480 Mbps）、FS（Full-Speed，全速，12Mbps）和LS（Low-Speed，低速，1.5Mbps）三種模式中的一種。USB總線還具有自動的設(shè)備檢測能力，設(shè)備插入之后，操作系統(tǒng)軟件會自動地檢測、安裝和配置該設(shè)備，免除了增減設(shè)備時(shí)必須關(guān)閉PC機(jī)的麻煩。 USB接口之所以能夠獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸率，主要是因?yàn)槠滢饤壛顺Ｒ?guī)的單端信號傳輸方式，轉(zhuǎn)而采用差分信號（differential signal）傳輸技術(shù)，有效地克服了因天線效應(yīng)對信號傳輸線路形成的干擾，以及傳輸線路之間的串?dāng)_。USB接口中兩根數(shù)據(jù)線采用相互纏繞的方式，形成了雙絞線結(jié)構(gòu)，如圖3。 圖4是由兩根信號線纏繞在環(huán)狀鐵氧體磁芯上構(gòu)成的扼流線圈。在單端信號傳輸方式下，線路受到電磁輻射干擾而產(chǎn)生共模電流時(shí)，磁場被疊加變成較高的線路阻抗，這樣雖然降低了干擾，但有效信號也被衰減了。而在差動傳輸模式下，共模干擾被磁芯抵消，但不會產(chǎn)生額外的線路阻抗。換句話說，差動傳輸方式下使用共模扼流線圈，既能達(dá)到抗干擾的目的，又不會影響信號傳輸。 差分信號傳輸體系中，傳輸線路無需屏蔽即可取得很好的抗干擾性能，降低了連接成本。不過，由于USB接口3.3V的信號電平相對較低，最大通信距離只有5m。USB規(guī)范還限制物理層的層數(shù)不超過7層，這意味著用戶可以通過最多使用5個(gè)連接器，將一個(gè)USB設(shè)備置于距離主機(jī)最遠(yuǎn)為30m的位置。 為了解決長距離傳輸問題，擴(kuò)展USB的應(yīng)用范圍，一些廠商在USB規(guī)范上添加了新的功能，例如Powered USB和Extreme USB，前者加大了USB的供電能力，后者延長了USB的傳輸距離。譬如采用CAT5電纜和RJ45連接器，可以簡單地將擴(kuò)展至100m；采用光纖更可擴(kuò)展至2km，只是成本比CAT5更高。 小知識：雙絞線，絞在一起有什么好？ 雙絞線互相纏繞的目的是利用銅線中電流產(chǎn)生的電磁場互相作用抵消鄰近線路的干擾并減少來自外界的干擾。每對線在每英寸長度上相互纏繞的次數(shù)決定了抗干擾的能力和通訊的質(zhì)量，纏繞得越緊密其通訊質(zhì)量越高，所支持的數(shù)據(jù)傳輸率越高，制造成本當(dāng)然也相應(yīng)提高。雙絞線即使外面沒有屏蔽層，也能獲得很好的抗干擾性能，所以局域網(wǎng)中選用CAT5非屏蔽雙絞線（UTP）便能滿足傳輸100Mbps信號的要求，且通信距離可以達(dá)到100m。 三、差分信號技術(shù)：高速信號傳輸?shù)慕痂�匙 電腦發(fā)展史就是追求更快速度的歷史，隨著總線頻率的提高，所有信號傳輸都遇到了同樣的問題：線路間的電磁干擾越厲害，數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生機(jī)率就越高，傳統(tǒng)的單端信號傳輸技術(shù)無法適應(yīng)高速總線的需要。于是差分信號技術(shù)就開始在各種高速總線中得到應(yīng)用，我們已經(jīng)知道，USB實(shí)現(xiàn)高速信號傳輸?shù)拿卦E在于采用了差分信號傳輸方式。 差分信號傳輸技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)，與傳統(tǒng)的單端傳輸方式相比，這種技術(shù)具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)，其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的PCB連線，也可以是平衡電纜，最高傳輸速率可達(dá)1.923Gbps。Intel倡導(dǎo)的第三代I/O技術(shù)（3GIO），其物理層的核心技術(shù)就是差分信號技術(shù)。那么，差分信號技術(shù)究竟是怎么回事呢？ 我們知道，在傳統(tǒng)的單端（Single-ended）通信中，一條線路來傳輸一個(gè)比特位。高電平表示1，低電平表示0。倘若在數(shù)據(jù)傳輸過程中受到干擾，高低電平信號完全可能因此產(chǎn)生突破臨界值的大幅度擾動，一旦高電平或低電平信號超出臨界值，信號就會出錯(cuò)，如圖6所示。 在差分傳輸電路中，輸出電平為正電壓時(shí)表示邏輯“1”，輸出負(fù)電壓時(shí)表示邏輯“0”，而輸出“0”電壓是沒有意義的，它既不代表“1”，也不代表“0 ”。而在圖7所示的差分通信中，干擾信號會同時(shí)進(jìn)入相鄰的兩條信號線中，在信號接收端，兩個(gè)相同的干擾信號分別進(jìn)入差分放大器的兩個(gè)反相輸入端后，輸出電壓為0。所以說，差分信號技術(shù)對干擾信號具有很強(qiáng)的免疫力。對于串行傳輸來說，LVDS能夠低于外來干擾；而對于并行傳輸來說，LVDS可以不僅能夠抵御外來干擾，還能夠抵御數(shù)據(jù)傳輸線之間的串?dāng)_。 因?yàn)樯鲜鲈颍瑢?shí)際電路中只要使用低壓差分信號（Low Voltage Differential Signal，LVDS），350mV左右的振幅便能滿足近距離傳輸?shù)囊蟆＜俣ㄘ?fù)載電阻為100Ω，采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果雙絞線長度為10m，傳輸速率可達(dá)400 Mbps；當(dāng)電纜長度增加到20m時(shí)，速率降為100 Mbps；而當(dāng)電纜長度為100m時(shí)，速率只能達(dá)到10 Mbps左右。 LVDS最早由美國國家半導(dǎo)體公司提出的一種高速串行信號傳輸電平，由于它傳輸速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，易于匹配等優(yōu)點(diǎn)，迅速得到諸多芯片制造廠商和應(yīng)用商的青睞，并通過TIA/EIA（Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association）的確認(rèn)，成為該組織的標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。 在近距離數(shù)據(jù)傳輸中，LVDS不僅可以獲得很高的傳輸性能，同時(shí)還是一個(gè)低成本的方案。LVDS器件可采用經(jīng)濟(jì)的CMOS工藝制造，并且采用低成本的3類電纜線及連接件即可達(dá)到很高的速率。同時(shí)，由于LVDS可以采用較低的信號電壓，并且驅(qū)動器采用恒流源模式，其功率幾乎不會隨頻率而變化，從而使提高數(shù)據(jù)傳輸率和降低功耗成為可能。因此，USB、SATA、PCI Express以及HyperTransport普遍采用LVDS技術(shù)，LCD中控制電路向液晶屏傳送像素亮度控制信號，也采用了LVDS方式。 四、新串行時(shí)代已經(jīng)到來 差分傳輸技術(shù)不僅突破了速度瓶頸，而且使用小型連接可以節(jié)約空間。因此，近年來，除了USB和FireWire，還涌現(xiàn)出很多以差分信號傳輸為特點(diǎn)的串行連接標(biāo)準(zhǔn)，幾乎覆蓋了主板總線和外部I／O端口，呈現(xiàn)出從并行整體轉(zhuǎn)移到新串行時(shí)代的大趨勢，串行接口技術(shù)的應(yīng)用在2005年將進(jìn)入鼎盛時(shí)期（圖8）。 ● LVDS技術(shù)，突破芯片組傳輸瓶頸 隨著電腦速度的提高，CPU與北橋芯片之間，北橋與南橋之間，以及與芯片組相連的各種設(shè)備總線的通信速度影響到電腦的整體性能。可是，一直以來所采用的FR4印刷電路板因存在集膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗導(dǎo)致的碼間干擾，限制了傳輸速率的提升。 在傳統(tǒng)并行同步數(shù)字信號的速率將要達(dá)到極限的情況下，設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向從高速串行信號尋找出路，因?yàn)榇锌偩�技術(shù)不僅可以獲得更高的性能，而且可以最大限度地減少芯片管腳數(shù)，簡化電路板布線，降低制造成本。Intel的PCI Express、AMD的HyperTansport以及RAMBUS公司的redwood等第三代I/O總線標(biāo)準(zhǔn)（3GI/O）不約而同地將低壓差分信號（LVDS）作為新一代高速信號電平標(biāo)準(zhǔn)。 一個(gè)典型的PCI Express通道如圖9所示，通信雙方由兩個(gè)差分信號對構(gòu)成雙工信道，一對用于發(fā)送，一對用于接收。4條物理線路構(gòu)成PCI Express 1X。PCI Express 標(biāo)準(zhǔn)中定義了1X、2X、4X和16X。PCI Express 16X擁有最多的物理線路（16×4＝64）。 即便采用最低配置的1X體系，因?yàn)榭梢栽趦蓚�(gè)方向上同時(shí)以2.5GHz的頻率傳送數(shù)據(jù)，帶寬達(dá)到5Gbps，也已經(jīng)超過了傳統(tǒng)PCI總線1.056Gbps（32bit×33MHz）的帶寬。況且，PCI總線是通過橋路實(shí)現(xiàn)的共享總線方式，而PCI Express采用所謂的“端對端連接”（如圖10），每個(gè)設(shè)備可以獨(dú)享總線帶寬，因此可以獲得比PCI更高的性能。 AMD的HyperTransport技術(shù)與PCI Express極其相似，同樣采用LVDS數(shù)據(jù)通道，其工作頻率范圍從200MHz到1GHz，位寬可以根據(jù)帶寬的要求靈活選擇2、4、8、16或32位。HyperTransport技術(shù)現(xiàn)在被用于南北橋之間的快速通信，今后還將用于其它芯片間的連接。 ● Serial ATA，為高速硬盤插上翅膀 在ATA-33之前，一直使用40根平行數(shù)據(jù)線，由于數(shù)據(jù)線之間存在串?dāng)_，限制了信號頻率的提升。因此從ATA-66開始，ATA數(shù)據(jù)線在兩根線之間增加了1根接地線正是為了減少相互干擾。增加地線后，數(shù)據(jù)線與地線之間仍然存在分布電容C2，還是無法徹底解決干擾問題，使得并行ATA接口的最高頻率停留在133MHz上。除了信號干擾這一根本原因之外，并行PATA 還存在不支持熱插拔和容錯(cuò)性差等問題，采用Serial ATA才完成脫胎換骨的蛻變，使問題得到了解決。 Serial ATA 是Intel 公司在IDF 2000 上推出的概念，此后Intel 聯(lián)合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等幾家巨頭，于2001年正式推出了SATA 1.0 規(guī)范。而在IDF2002春季論壇上，SATA 2.0 規(guī)范也已經(jīng)公布。 Serial ATA接口包括4根數(shù)據(jù)線和3 根地線，共有7 條物理連線。目前的SATA 1.0標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率為150MBps，與ATA-133接口133MBps的速度略有提高，但未來的SATA 2.0/3.0可提升到300MBps以至600MBps。從目前硬盤速度的增長趨勢來看，SATA 標(biāo)準(zhǔn)至少可以滿足未來數(shù)年的要求了。 ● FireWire，圖像傳輸如虎添翼 FireWire（火線）是1986年由蘋果電腦公司起草的，1995年被美國電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）作為IEEE 1394推出，是USB之外的另一個(gè)高速串行通信標(biāo)準(zhǔn)。FireWire最早的應(yīng)用目標(biāo)為攝錄設(shè)備傳送數(shù)字圖像信號，目前應(yīng)用領(lǐng)域已遍及DV、DC、DVD、硬盤錄像機(jī)、電視機(jī)頂盒以及家庭游戲機(jī)等。 FireWire傳輸線有6根電纜，兩對雙絞線形成兩個(gè)獨(dú)立的信道，另外兩根為電源線和地線。SONY公司對FireWire進(jìn)行改進(jìn)，舍棄了電源線和地線，形成只有兩對雙絞線的精簡版FireWire，并給它起了個(gè)很好聽的名字i.Link。 FireWire數(shù)據(jù)傳輸率與USB相當(dāng)，單信道帶寬為400Mbps，通信距離為4.5m。不過，IEEE 1394b標(biāo)準(zhǔn)已將單信道帶寬擴(kuò)大到800Mbps，在IEEE 1394-2000新標(biāo)準(zhǔn)中，更是將其最大數(shù)據(jù)傳輸速率確定為1.6Gbps，相鄰設(shè)備之間連接電纜的最大長度可擴(kuò)展到100m。 五、串行口能紅到哪天？ 閱讀本文之后，如果有人問你關(guān)于串行通信與并行通信哪個(gè)更好的問題，你也許會脫口而出：串行通信好！但是，我要告訴你，新型串行口之所以走紅，那是因?yàn)椴捎昧怂母盘柧�代替了傳統(tǒng)兩根信號線的信號傳輸方式，由單端信號傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘杺鬏數(shù)脑颍霸谙嗤l率下并行通信速度更高”這個(gè)基本的道理是永遠(yuǎn)不會錯(cuò)的，通過增加位寬來提高數(shù)據(jù)傳輸率的并行策略仍將發(fā)揮重要作用。 技術(shù)進(jìn)步周而復(fù)始，以至無窮，沒有一項(xiàng)技術(shù)能夠永遠(yuǎn)適用。電腦技術(shù)將來跨入THz時(shí)代后，對信號傳輸速度的要求會更高，差分傳輸技術(shù)是否還能滿足要求？是否需要另一種更好的技術(shù)來完成頻率的另一次突破呢？讓我們共同關(guān)注 |
