總線揭密：串行傳輸VS并行傳輸

&n bsp;圖5差分信號傳輸電路

圖6 單端信號傳輸

圖7差分信號傳輸

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。

在差分信號通信電路中，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）。

圖8所有的I/O技術都將采用串行方式

　　●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。

圖9PCI Express 1X數據通道

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（如PCI9054等橋設備），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。

　　●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（一共80根物理線）。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。

圖11并行ATA的線間串擾

　　●FireWire，圖像傳輸如虎添翼　　FireWire（火線）是1986年由蘋果公司起草的，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IEEE1394-2000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。

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