|
近兩年，大家聽得最多的一個詞可能就是串行傳輸了。從技術發展的情況來看，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，并行傳輸方式其實優于串行傳輸方式。通俗地講，并行傳輸的通路猶如一條 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間公路。以古老而又典型的標準并行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗稱COM口)為例，并行接口的位寬為8，數據傳輸率高；而串行接口只有1位，數據傳輸速度低。在串行口傳送1位的時間內，并行口可以傳送一個字節。當并行口完成單詞“advanced”的傳送任務時，串行口中僅傳送了這個單詞的首字母“a”。 那么，現在的串行傳輸方式為何會更勝一籌呢？ 一、并行傳輸技術遭遇發展困境 電腦中的總線和接口是主機與外部設備間傳送數據的“大動脈”，隨著處理器速度的節節攀升，總線和接口的數據傳輸速度也需要逐步提高，否則就會成為電腦發展的瓶頸。 我們先來看看總線的情況。1981年第一臺PC中以ISA總線為標志的開放式體系結構，使用了ISA總線，數據總線為8位，工作頻率為8.33MHz，這在當時卻已經算作“先進技術（Advanced Technology）”了，所以ISA總線還有另一個名字“AT總線”。到了286時，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的數據傳輸率，但直到386時代，都一直是主板與外部設備間最快的數據通道。 到了486時代，同時出現了PCI和VESA兩種更快的總線標準，它們具有相同的位寬（32位），但PCI總線能夠與處理器異步運行，當處理器的頻率增加時，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總線類型的外圍設備工作頻率也得隨著提高，適應能力較差，因此很快失去了競爭力。PCI總線標準成為Pentium時代PC總線的王者，硬盤控制器、聲卡到網卡，全部使用PCI插槽。而顯卡方面對數據傳輸速度要求更高，出現了專用的AGP， 并行數據傳輸技術向來是提高數據傳輸率的重要手段，但是，進一步發展卻遇到了障礙。首先，由于并行傳送方式的前提是用同一時序傳播信號，用同一時序接收信號，而過分提升時鐘頻率將難以讓數據傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數據就會以與時鐘不同的時序送達，另外，提升時鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾，導致傳輸錯誤。因此，并行方式難以實現高速化。從制造成本的角度來說，增加位寬無疑會導致主板和擴充板上的布線數目隨之增加，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300kBps，傳輸圖形數據時采用壓縮技術可以提高到2MBps，而RS-232C標準串行口的數據傳輸率通常只有20kbps，并行口的數據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首選的連接方式。對于僅傳輸文本的針式打印機來說，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來說，情況發生了變化。筆者使用愛普生6200L在打印2MB圖片時，速度差異不甚明顯，但在打印7.5MB大小的圖片文件時，從點擊“打印”到最終出紙，使用USB接口用了18秒，而使用并行口時，用了33秒。這一測試結果說明，現行的并行口對于時下流行的激光打印機來說，已經力難勝任了。 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接口首次出現在PC機上，1998年起即進入大規模實用階段，作為IEEE 1284并行口和RS-232C串行口的接班人，USB現在已經呈現出大紅大紫了。 USB雖然只有一位的位寬，但數據傳輸速度卻比并行口要高，而且具有很大的發展空間。USB設備通信速率的自適應性，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備檢測能力，設備插入之后，操作系統軟件會自動地檢測、安裝和配置該設備，免除了增減設備時必須關閉PC機的麻煩。 USB接口之所以能夠獲得很高的數據傳輸率，主要是因為其摒棄了常規的單端信號傳輸方式，轉而采用差分信號（differential signal）傳輸技術，有效地克服了因天線效應對信號傳輸線路形成的干擾，以及傳輸線路之間的串擾。USB接口中兩根數據線采用相互纏繞的方式，形成了雙絞線結構，如圖3。 圖4是由兩根信號線纏繞在環狀鐵氧體磁芯上構成的扼流線圈。在單端信號傳輸方式下，線路受到電磁輻射干擾而產生共模電流時，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規范還限制物理層的層數不超過7層，這意味著用戶可以通過最多使用5個連接器，將一個USB設備置于距離主機最遠為30m的位置。 為了解決長距離傳輸問題，擴展USB的應用范圍，一些廠商在USB規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，可以簡單地將擴展至100m；采用光纖更可擴展至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決定了抗干擾的能力和通訊的質量，纏繞得越緊密其通訊質量越高，所支持的數據傳輸率越高，制造成本當然也相應提高。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，且通信距離可以達到100m。 三、差分信號技術：高速信號傳輸的金鑰匙 電腦發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，數據傳輸失敗的發生機率就越高，傳統的單端信號傳輸技術無法適應高速總線的需要。于是差分信號技術就開始在各種高速總線中得到應用，我們已經知道，USB實現高速信號傳輸的秘訣在于采用了差分信號傳輸方式。 差分信號傳輸技術是20世紀90年代出現的一種數據傳輸和接口技術，與傳統的單端傳輸方式相比，這種技術具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點，其傳輸介質可以是銅質的PCB連線，也可以是平衡電纜，最高傳輸速率可達1.923Gbps。Intel倡導的第三代I/O技術（3GIO），其物理層的核心技術就是差分信號技術。那么，差分信號技術究竟是怎么回事呢？ 我們知道，在傳統的單端（Single-ended）通信中，一條線路來傳輸一個比特位。高電平表示1，低電平表示0。倘若在數據傳輸過程中受到干擾，高低電平信號完全可能因此產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，如圖6所示。 在差分傳輸電路中，輸出電平為正電壓時表示邏輯“1”，輸出負電壓時表示邏輯“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，干擾信號會同時進入相鄰的兩條信號線中，在信號接收端，兩個相同的干擾信號分別進入差分放大器的兩個反相輸入端后，輸出電壓為0。所以說，差分信號技術對干擾信號具有很強的免疫力。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，還能夠抵御數據傳輸線之間的串擾。 因為上述原因，實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的要求。假定負載電阻為100Ω，采用LVDS方式傳輸數據時，如果雙絞線長度為10m，傳輸速率可達400 Mbps；當電纜長度增加到20m時，速率降為100 Mbps；而當電纜長度為100m時，速率只能達到10 Mbps左右。 LVDS最早由美國國家半導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，傳輸距離遠，易于匹配等優點，迅速得到諸多芯片制造廠商和應用商的青睞，并通過TIA/EIA（Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association）的確認，成為該組織的標準（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。 在近距離數據傳輸中，LVDS不僅可以獲得很高的傳輸性能，同時還是一個低成本的方案。LVDS器件可采用經濟的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到很高的速率。同時，由于LVDS可以采用較低的信號電壓，并且驅動器采用恒流源模式，其功率幾乎不會隨頻率而變化，從而使提高數據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，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、新串行時代已經到來 差分傳輸技術不僅突破了速度瓶頸，而且使用小型連接可以節約空間。因此，近年來，除了USB和FireWire，還涌現出很多以差分信號傳輸為特點的串行連接標準，幾乎覆蓋了主板總線和外部I／O端口，呈現出從并行整體轉移到新串行時代的大趨勢，串行接口技術的應用在2005年將進入鼎盛時期（圖8）。 ● LVDS技術，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和介質損耗導致的碼間干擾，限制了傳輸速率的提升。 在傳統并行同步數字信號的速率將要達到極限的情況下，設計師轉向從高速串行信號尋找出路，因為串行總線技術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，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總線標準（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準。 一個典型的PCI Express通道如圖9所示，通信雙方由兩個差分信號對構成雙工信道，一對用于發送，一對用于接收。4條物理線路構成PCI Express 1X。PCI Express 標準中定義了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，因為可以在兩個方向上同時以2.5GHz的頻率傳送數據，帶寬達到5Gbps，也已經超過了傳統PCI總線1.056Gbps（32bit×33MHz）的帶寬。況且，PCI總線是通過橋路實現的共享總線方式，而PCI Express采用所謂的“端對端連接”（如圖10），每個設備可以獨享總線帶寬，因此可以獲得比PCI更高的性能。 AMD的HyperTransport技術與PCI Express極其相似，同樣采用LVDS數據通道，其工作頻率范圍從200MHz到1GHz，位寬可以根據帶寬的要求靈活選擇2、4、8、16或32位。HyperTransport技術現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根平行數據線，由于數據線之間存在串擾，限制了信號頻率的提升。因此從ATA-66開始，ATA數據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，數據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 規范。而在IDF2002春季論壇上，SATA 2.0 規范也已經公布。 Serial ATA接口包括4根數據線和3 根地線，共有7 條物理連線。目前的SATA 1.0標準，數據傳輸率為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 標準至少可以滿足未來數年的要求了。 ● 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會（IEEE）作為IEEE 1394推出，是USB之外的另一個高速串行通信標準。FireWire最早的應用目標為攝錄設備傳送數字圖像信號，目前應用領域已遍及DV、DC、DVD、硬盤錄像機、電視機頂盒以及家庭游戲機等。 FireWire傳輸線有6根電纜，兩對雙絞線形成兩個獨立的信道，另外兩根為電源線和地線。SONY公司對FireWire進行改進，舍棄了電源線和地線，形成只有兩對雙絞線的精簡版FireWire，并給它起了個很好聽的名字i.Link。 FireWire數據傳輸率與USB相當，單信道帶寬為400Mbps，通信距離為4.5m。不過，IEEE 1394b標準已將單信道帶寬擴大到800Mbps，在IEEE 1394-2000新標準中，更是將其最大數據傳輸速率確定為1.6Gbps，相鄰設備之間連接電纜的最大長度可擴展到100m。 五、串行口能紅到哪天？ 閱讀本文之后，如果有人問你關于串行通信與并行通信哪個更好的問題，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，那是因為采用了四根信號線代替了傳統兩根信號線的信號傳輸方式，由單端信號傳輸轉變為差分信號傳輸的原因，而“在相同頻率下并行通信速度更高”這個基本的道理是永遠不會錯的，通過增加位寬來提高數據傳輸率的并行策略仍將發揮重要作用。 技術進步周而復始，以至無窮，沒有一項技術能夠永遠適用。電腦技術將來跨入THz時代后，對信號傳輸速度的要求會更高，差分傳輸技術是否還能滿足要求？是否需要另一種更好的技術來完成頻率的另一次突破呢？讓我們共同關注 |
