“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1根線的怪事。無論從通信速度、造價還是通信質(zhì)量上來看，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準并行口(Standard Parallel Port)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位的時間內(nèi)，并行口可以傳送一個字節(jié)。當并行口完成單詞“advanced”的傳送任務(wù)時，串行口中僅傳送了這個單詞的首字母“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更勝一籌?下文將從并行、串行的變革以及技術(shù)特點，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，這在當時卻已算是“先進技術(shù)”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。這種技術(shù)一直沿用到386系統(tǒng)中。
到了486時代，同時出現(xiàn)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(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總線標準成為Pentium時代PC總線的王者，硬盤控制器、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)向來是提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段，但是，進一步發(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(shù)據(jù)傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數(shù)據(jù)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。因此，并行方式難以實現(xiàn)高速化。另外，增加位寬無疑會導(dǎo)致主板和擴充板上的布線數(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300KB/s，傳輸圖形數(shù)據(jù)時采用壓縮技術(shù)可以提高到2MB/s，而RS-232C標準串行口的數(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打印機來說，情況發(fā)生了變化。筆者使用愛普生6200L(同時具備并行口和USB接口)在打印2MB圖片時，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，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，就用了33秒。從這一測試結(jié)果可以看出，現(xiàn)行的并行口對于時下的應(yīng)用需求而言，確實出現(xiàn)了瓶頸。
你知道嗎?IEEE 1284的三種接口
早期的并行口是一種環(huán)形端口，IEEE 1284則采用防呆設(shè)計的D型連接器。IEEE 1284定義了D-sub、Centronics和MDR-36等三種連接器(圖3)。我們所見到打印機電纜，一端是D-sub連接器，用來與主機連接，另一端為帶有鎖緊裝置的Centronics連接器，用來連接到打印機。連接起來不僅方便，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，多出來的11根基本上是冗余的信號地。MDR(Mini Delta Ribbon，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、Zip驅(qū)動器等小型設(shè)備而設(shè)計的，實際上很少被使用。
圖3: 三種不同尺寸的并行口連接器
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IEEE 1284并行口的速率可達300KB/s，而RS-232C標準串行口的數(shù)據(jù)傳輸率通常只有20KB/s，并行口的數(shù)據(jù)傳輸率無疑要勝出一籌。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機上，1998年起即進入大規(guī)模實用階段。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)定自動選擇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)備時必須關(guān)閉PC機的麻煩。USB接口之所以能夠獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸率，主要是因為其摒棄了常規(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擾。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: 采用差模信號傳送方式的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，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5米。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個連接器，將一個USB設(shè)備置于距離主機最遠為30米的位置。
為解決長距離傳輸問題，擴展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。
三、差分信號技術(shù):開啟信號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)生幾率就越高，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。
差分信號技術(shù)是20世紀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、低串擾和低輻射等特點，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?
圖6: 差分信號傳輸電路
眾所周知，在傳統(tǒng)的單端(Single-ended)通信中，一條線路來傳輸一個比特位。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(圖7)。
圖7: 單端信號傳輸
在差分電路中，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，當兩個相同的干擾信號分別進入接收端的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(shù)對干擾信號具有很強的免疫力。
圖8: 差分信號傳輸
正因如此，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?shù)囊蟆＜俣ㄘ撦d電阻為100Ω，采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù)時，如果雙絞線長度為10米，傳輸速率可達400Mbps;當電纜長度增加到20米時，速率降為100Mbps;而當電纜長度為100米時，速率只能達到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，同時還是一個低成本的方案。LVDS器件可采用經(jīng)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(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，LVDS技術(shù)在USB、SATA、PCI Express以及HyperTransport中得以應(yīng)用，而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(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。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(xiàn)出從并行整體轉(zhuǎn)移到新串行時代的大趨勢，串行接口技術(shù)的應(yīng)用在2005年將進入鼎盛時期(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到極限的情況下，設(shè)計師轉(zhuǎn)向從高速串行信號尋找出路，因為串行總線技術(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I/O總線標準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(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 x1。PCI Express 標準中定義了x1、x2、x4和x16。PCI Express x16擁有最多的物理線路(16×4=64)。
圖10: PCI Express x1數(shù)據(jù)通道
即便采用最低配置的x1體系，因為可以在兩個方向上同時以2.5GHz的頻率傳送數(shù)據(jù)，帶寬達到5Gbps，也已經(jīng)超過了傳統(tǒng)PCI總線1.056Gbps(32bit×33MHz)的帶寬。況且，PCI總線是通過橋路實現(xiàn)的共享總線方式，而PCI Express采用的“端對端連接”(圖11)，也讓每個設(shè)備可以獨享總線帶寬，因此可以獲得比PCI更高的性能。
圖11: PCI Express端對端連接消除了橋路
AMD的HyperTransport技術(shù)與PCI Express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)線之間存在串擾，限制了信號頻率的提升。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)，還是無法徹底解決干擾問題，使得PATA接口的最高工作頻率停留在133MHz上。除了信號干擾這一根本原因之外，PATA還存在不支持熱插拔和容錯性差等問題。
圖12: 并行ATA的線間串擾
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SATA 1.0規(guī)范。而在春季IDF2002上，SATA 2.0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SATA 1.0標準，數(shù)據(jù)傳輸率為150MB/s，與ATA133接口133MB/s的速度略有提高，但未來的SATA 2.0/3.0可提升到300MB/s以至600MB/s。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(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(yīng)用目標為攝錄設(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、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，并取名為i.Link。
FireWire數(shù)據(jù)傳輸率與USB相當，單信道帶寬為400Mbps，通信距離為4.5米。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(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展到100米。
五、“串行”能紅到哪天?
閱讀本文之后，如果有人問關(guān)于串行傳輸與并行傳輸誰更好的問題，你也許會脫口而出:串行通信好!但是，串行傳輸之所以走紅，是由于將單端信號傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘杺鬏�，并提升了控制器工作頻率的原因，而“在相同頻率下并行通信速度更高”這個基本道理是永遠不會錯的，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。當然，前提是有更好的措施來解決并行傳輸?shù)姆N種問題。
技術(shù)進步周而復(fù)始，以至無窮，沒有一項技術(shù)能夠永遠適用。電腦技術(shù)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(shù)是否能滿足要求?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?不妨拭目以待!
