總線揭密：串行傳輸VS并行傳輸

&n bsp;圖5差分信號(hào)傳輸電路

圖6 單端信號(hào)傳輸

圖7差分信號(hào)傳輸

差分信號(hào)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(hào)技術(shù)。那么，差分信號(hào)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(lái)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(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號(hào)超出臨界值，信號(hào)就會(huì)出錯(cuò)，如圖6所示。

在差分信號(hào)通信電路中，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，在信號(hào)接收端，兩個(gè)相同的干擾信號(hào)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(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。對(duì)于串行傳輸來(lái)說(shuō)，LVDS能夠低于外來(lái)干擾；而對(duì)于并行傳輸來(lái)說(shuō)，LVDS可以不僅能夠抵御外來(lái)干擾，還能夠抵御數(shù)據(jù)傳輸線之間的串?dāng)_。

　　因?yàn)樯鲜鲈?，?shí)際電路中只要使用低壓差分信號(hào)（Low Voltage DifferenTIal Signal，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100Ω，采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果雙絞線長(zhǎng)度為 10m，傳輸速率可達(dá)400 Mbps；當(dāng)電纜長(zhǎng)度增加到20m時(shí)，速率降為100 Mbps；而當(dāng)電纜長(zhǎng)度為100m時(shí)，速率只能達(dá)到10 Mbps左右。

　　LVDS最早由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提出的一種高速串行信號(hào)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(guò)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(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，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(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。因此，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8）。

圖8所有的I/O技術(shù)都將采用串行方式

　　●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(hào)（LVDS）作為新一代高速信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)。

圖9PCI Express 1X數(shù)據(jù)通道

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(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(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（如PCI9054等橋設(shè)備），而PCI Express采用所謂的“端對(duì)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。

　　●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(hào)頻率的提升。因此從ATA-66開(kāi)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（一共80根物理線）。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(wú)法徹底解決干擾問(wèn)題，使得并行ATA接口的最高頻率停留在133MHz上。除了信號(hào)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(wèn)題，采用Serial ATA才完成脫胎換骨的蛻變，使問(wèn)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(lái)的SATA 2.0/3.0可提升到300MBps以至600MBps。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。

圖11并行ATA的線間串?dāng)_

　　●FireWire，圖像傳輸如虎添翼　　FireWire（火線）是1986年由蘋(píng)果公司起草的，1995年被美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（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(hào)，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(duì)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(duì)FireWire進(jìn)行改進(jìn)，舍棄了電源線和地線，形成只有兩對(duì)雙絞線的精簡(jiǎn)版FireWire，并給它起了個(gè)很好聽(tīng)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(guò)，IEEE 1394b標(biāo)準(zhǔn)已將單信道帶寬擴(kuò)大到800Mbps，在IEEE1394-2000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(zhǎng)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(wèn)你關(guān)于串行通信與并行通信哪個(gè)更好的問(wèn)題，你也許會(huì)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?hào)線代替了傳統(tǒng)兩根信號(hào)線的信號(hào)傳輸方式，由單端信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)傳輸?shù)脑?，?ldquo;在相同頻率下并行通信速度更高”這個(gè)基本的道理是永遠(yuǎn)不會(huì)錯(cuò)的，通過(guò)增加位寬來(lái)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