總線揭密：串行傳輸VS并行傳輸

　　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”。

圖1：H6A-2-1.TIF 并行接口速度是串行接口的8倍

　　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。

圖2PC總線的發展

　　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，浴火重生。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。

圖3采用差模信號傳送方式的USB

圖4 差分傳輸方式具有更好的抗干擾性能

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。

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。

　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。