串行傳輸_VS_并行傳輸

1、串行傳輸VS并行傳輸“眾人拾柴火焰高”是句老話，但電腦領(lǐng)域卻發(fā)生了多根線比不過(guò)1根線的怪事。無(wú)論從通信速度、造價(jià)還是通信質(zhì)量上來(lái)看，現(xiàn)今的串行傳輸方式都比并行傳輸方式更勝一籌。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(lái)看，串行傳輸方式大有徹底取代并行傳輸方式的勢(shì)頭，USB取代IEEE1284，SATA取代PATA，PCIExpress取代PCI從原理來(lái)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(guò)的鄉(xiāng)間公路“眾人拾柴火焰高”是句老話，但電腦領(lǐng)域卻發(fā)生了多根線比不過(guò)1根線的怪事。無(wú)論從通信速度、造

2、價(jià)還是通信質(zhì)量上來(lái)看，現(xiàn)今的串行傳輸方式都比并行傳輸方式更勝一籌。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(lái)看，串行傳輸方式大有徹底取代并行傳輸方式的勢(shì)頭，USB取代IEEE1284，SATA取代PATA，PCIExpress取代PCI從原理來(lái)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(guò)的鄉(xiāng)間公路。以古老而又典型的標(biāo)準(zhǔn)并行口(StandardParallelPort)和串行口(俗稱COM口)為例，并行接口有8根數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)傳輸率高;而串行接口只有1根數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)傳輸速度低。在串行口傳送1位的時(shí)

3、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”。圖1:并行接口速度是串行接口的8倍那么，為何現(xiàn)在的串行傳輸方式會(huì)更勝一籌?下文將從并行、串行的變革以及技術(shù)特點(diǎn)，分析隱藏在表象背后的深層原因。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(dòng)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(huì)成為電腦發(fā)展的瓶頸。我們先來(lái)看看總線的情況。1981年第一臺(tái)PC中以ISA總線為標(biāo)志的開放式體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線為8位，工作頻率為8.33MHz，這在當(dāng)時(shí)卻已算是“先進(jìn)技術(shù)”了，所

4、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。這種技術(shù)一直沿用到386系統(tǒng)中。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(jìng)爭(zhēng)力。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)成為Pentium時(shí)代PC總線的王者，硬盤

5、控制器、聲卡到網(wǎng)卡和顯卡全部使用PCI插槽。圖2:并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)向來(lái)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(hào)，用同一時(shí)序接收信號(hào)，而過(guò)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(zhǎng)度稍有差異，數(shù)據(jù)就會(huì)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(hào)線間的相互干擾。因此，并行方式難以實(shí)現(xiàn)高速化。另外，增加位寬無(wú)疑會(huì)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IEEE1284并行口的速率可達(dá)300KB/s，傳輸圖形數(shù)據(jù)時(shí)采用壓縮技術(shù)可以提高到2MB/s，而RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口的數(shù)據(jù)

6、傳輸率通常只有20KB/s，并行口的數(shù)據(jù)傳輸率無(wú)疑要?jiǎng)俪鲆换I。因此十多年來(lái)，并行口一直是打印機(jī)首選的連接方式。對(duì)于僅傳輸文本的針式打印機(jī)來(lái)說(shuō)，IEEE1284并行口的傳輸速度可以說(shuō)是綽綽有余的。但是，對(duì)于近年來(lái)一再提速的打印機(jī)來(lái)說(shuō)，情況發(fā)生了變化。筆者使用愛普生6200L(同時(shí)具備并行口和USB接口)在打印2MB圖片時(shí)，并行口和USB接口的速度差異并不明顯，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)，就用了33秒。從這一測(cè)試結(jié)果可以看出，現(xiàn)行的并行口對(duì)于時(shí)下的應(yīng)用需求而言，確實(shí)出現(xiàn)了瓶頸。你知道嗎?IEEE1284的三種接口早期的并行

7、口是一種環(huán)形端口，IEEE1284則采用防呆設(shè)計(jì)的D型連接器。IEEE1284定義了D-sub、Centronics和MDR-36等三種連接器(圖3)。我們所見到打印機(jī)電纜，一端是D-sub連接器，用來(lái)與主機(jī)連接，另一端為帶有鎖緊裝置的Centronics連接器，用來(lái)連接到打印機(jī)。連接起來(lái)不僅方便，而且十分可靠。D-sub連接器有25根插針，而Centronics連接器有36根插針，多出來(lái)的11根基本上是冗余的信號(hào)地。MDR(MiniDeltaRibbon，小型三角帶)連接器也是36根插針，這種小尺寸連接器是為數(shù)碼相機(jī)、Zip驅(qū)動(dòng)器等小型設(shè)備而設(shè)計(jì)的，實(shí)際上很少被使用。圖3:三種不同尺寸的并行

8、口連接器二、USB，讓串行傳輸浴火重生回顧前面所介紹的并行接口與串行接口，我們知道IEEE1284并行口的速率可達(dá)300KB/s，而RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口的數(shù)據(jù)傳輸率通常只有20KB/s，并行口的數(shù)據(jù)傳輸率無(wú)疑要?jiǎng)俪鲆换I。外部接口為了獲得更高的通信質(zhì)量，也必須尋找RS-232的替代者。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。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頸，而且具有很好的兼容性和易用性。USB設(shè)備通信速率的自適應(yīng)性，使得它可以根據(jù)主板的設(shè)定自動(dòng)選

9、擇HS(High-Speed，高速，480Mbps)、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(dòng)的設(shè)備檢測(cè)能力，設(shè)備插入之后，操作系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)地檢測(cè)、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(hào)傳輸方式，轉(zhuǎn)而采用差分信號(hào)(differentialsignal)傳輸技術(shù)，有效地克服了因天線效應(yīng)對(duì)信號(hào)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)(圖4)。圖4:采

10、用差模信號(hào)傳送方式的USB圖5:差分傳輸方式具有更好的抗干擾性能圖5是由兩根信號(hào)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(hào)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(chǎng)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(hào)也被衰減了。而在差動(dòng)傳輸模式下，共模干擾被磁芯抵消，但不會(huì)產(chǎn)生額外的線路阻抗。換句話說(shuō)，差動(dòng)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(huì)影響信號(hào)傳輸。差分信號(hào)傳輸體系中，傳輸線路無(wú)需屏蔽即可取得很好的抗干擾性能，降低了連接成本。不過(guò)，由于USB接口3.3V的信號(hào)電平相對(duì)較低，最大通信距離只有5米。USB規(guī)范還限制物理層的層數(shù)不超過(guò)7層，這意味著用

11、戶可以通過(guò)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30米的位置。為解決長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)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PoweredUSB和ExtremeUSB，前者加大了USB的供電能力，后者延長(zhǎng)了USB的傳輸距離。三、差分信號(hào)技術(shù):開啟信號(hào)高速傳輸之門的金鑰匙電腦發(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(hào)傳輸都遇到了同樣的問(wèn)題:線路間的電磁干擾越厲害，數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生幾率就越高，傳統(tǒng)的單端信號(hào)傳輸技術(shù)無(wú)法適應(yīng)高速總線的需要。于是差分信號(hào)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(hào)傳輸?shù)拿卦E在于采用了差分

12、信號(hào)傳輸方式。差分信號(hào)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，它具有低功耗、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(hào)技術(shù)。那么，差分信號(hào)技術(shù)究竟是怎么回事呢?圖6:差分信號(hào)傳輸電路眾所周知，在傳統(tǒng)的單端(Single-ended)通信中，一條線路來(lái)傳輸一個(gè)比特位。高電平表示為“1”，低電平表示為“0”。倘若在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到干擾，高低電平信號(hào)完全可能因此產(chǎn)生突破臨界值的大幅度擾動(dòng)，一旦高電平或低電平信

13、號(hào)超出臨界值，信號(hào)就會(huì)出錯(cuò)(圖7)。圖7:單端信號(hào)傳輸在差分電路中，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(méi)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(hào)會(huì)同時(shí)進(jìn)入相鄰的兩條信號(hào)線中，當(dāng)兩個(gè)相同的干擾信號(hào)分別進(jìn)入接收端的差分放大器的兩個(gè)反相輸入端后，輸出電壓為0。所以說(shuō)，差分信號(hào)技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的免疫力。圖8:差分信號(hào)傳輸正因如此，實(shí)際電路中只要使用低壓差分信號(hào)(LowVoltageDifferentialSignal，LVDS)，350mV左右的振幅便能滿足近距離傳輸?shù)囊?。假定?fù)載電阻為100，采用LVDS方式

14、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果雙絞線長(zhǎng)度為10米，傳輸速率可達(dá)400Mbps;當(dāng)電纜長(zhǎng)度增加到20米時(shí)，速率降為100Mbps;而當(dāng)電纜長(zhǎng)度為100米時(shí)，速率只能達(dá)到10Mbps左右。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(hào)電壓，并且驅(qū)動(dòng)器采用恒流源模式，其功率幾乎不會(huì)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，LVDS技術(shù)在USB、SATA、PCIExpress以及HyperTransport中得以應(yīng)用，而LCD中控制

15、電路向液晶屏傳送像素亮度控制信號(hào)，也采用了LVDS方式。四、新串行時(shí)代已經(jīng)到來(lái)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。近年來(lái)，除了USB和FireWire，還涌現(xiàn)出很多以差分信號(hào)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(shì)，串行接口技術(shù)的應(yīng)用在2005年將進(jìn)入鼎盛時(shí)期(圖9)。圖9:所有的I/O技術(shù)都將采用串行方式1.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?？墒?，一直以來(lái)所采用的FR4印刷電路板因存在集膚

16、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(hào)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(hào)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(jiǎn)化電路板布線，降低制造成本。Intel的PCIExpress、AMD的HyperTansport以及RAMBUS公司的redwood等I/O總線標(biāo)準(zhǔn)不約而同地將低壓差分信號(hào)(LVDS)作為新一代高速信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)典型的PCIExpress通道如圖9所示，通信雙方由兩個(gè)差分信號(hào)對(duì)構(gòu)成雙工信道，一對(duì)用于發(fā)送，一對(duì)用于接收。4條物理線路構(gòu)成PCIExpressx1。PCIExpress標(biāo)

17、準(zhǔn)中定義了x1、x2、x4和x16。PCIExpressx16擁有最多的物理線路(16×4=64)。圖10:PCIExpressx1數(shù)據(jù)通道即便采用最低配置的x1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(guò)了傳統(tǒng)PCI總線1.056Gbps(32bit×33MHz)的帶寬。況且，PCI總線是通過(guò)橋路實(shí)現(xiàn)的共享總線方式，而PCIExpress采用的“端對(duì)端連接”(圖11)，也讓每個(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。圖11:PCIExpress端對(duì)端連接消除了橋路AMD的HyperTransport技術(shù)與PCIE

18、xpress極其相似，同樣采用LVDS數(shù)據(jù)通道，最先用于南北橋之間的快速通信。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最先用于南北橋之間的快速通信，今后會(huì)用于所有芯片間的連接。2.SATA，為硬盤插上翅膀在ATA33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(hào)頻率的提升。因此從ATA66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(圖12)，還是無(wú)法徹底解決干擾問(wèn)題，使得PATA接口的最高工作頻率停留在133MHz上。

19、除了信號(hào)干擾這一根本原因之外，PATA還存在不支持熱插拔和容錯(cuò)性差等問(wèn)題。圖12:并行ATA的線間串?dāng)_SATA是Intel公司在IDF2000上推出的，此后Intel聯(lián)合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等業(yè)界巨頭，于2001年正式推出了SATA1.0規(guī)范。而在春季IDF2002上，SATA2.0規(guī)范也已經(jīng)公布。SATA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SATA1.0標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率為150MB/s，與ATA133接口133MB/s的速度略有提高，但未來(lái)的SATA2.0/3.0可提升到300MB/s以至600MB/s。從目前硬盤速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，SATA標(biāo)準(zhǔn)至少可以滿足未來(lái)數(shù)年的要求了。3.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(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IE