串行通信與并行通信哪個(gè)更好

1、1 串行通信與并行通信哪個(gè)更好近兩年，大家聽(tīng)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 ieee 1284 ，sata取代 pata ，pci express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(chē)道的寬闊大道，而串行傳輸則是僅能允許一輛汽車(chē)通過(guò)的鄉(xiāng)間公路。以古老而又典型的標(biāo)準(zhǔn)并行口(standard parallel port)和串行口 ( 俗稱(chēng) com 口) 為例，并行接口的位寬為8，數(shù)據(jù)傳輸率高；而串行接口只有1 位，數(shù)據(jù)傳輸速度低。在串行口傳送1 位的時(shí)間內(nèi)，并

2、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，現(xiàn)在的串行傳輸方式為何會(huì)更勝一籌呢？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。圖 2 pc 總線的發(fā)展我們先來(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(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，使用了isa 總線，數(shù)據(jù)總線為8 位，工作頻率為8.33mhz，這在當(dāng)時(shí)卻已經(jīng)算作 “先進(jìn)技術(shù) （advance

3、d technology ）”了，所以 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。isa 總線雖然只有16mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，但直到386 時(shí)代，都一直是主板與外部設(shè)備間最快的數(shù)據(jù)通道。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），2 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

4、處理器頻率的提高，vesa總線類(lèi)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(pán)控制器、聲卡到網(wǎng)卡，全部使用pci 插槽。而顯卡方面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求更高，出現(xiàn)了專(zhuān)用的agp ，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，導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。因此，并行方式難以實(shí)現(xiàn)高

5、速化。從制造成本的角度來(lái)說(shuō)，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ieee 1284 并行口的速率可達(dá)300kbps，傳輸圖形數(shù)據(jù)時(shí)采用壓縮技術(shù)可以提高到2mbps ，而 rs-232c標(biāo)準(zhǔn)串行口的數(shù)據(jù)傳輸率通常只有20kbps，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)， ieee 1284 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)一再提速的激光打印機(jī)來(lái)說(shuō)，情況發(fā)生了變化。 筆者使用愛(ài)普生6200l 在打印 2mb圖片時(shí)，速度差異不甚明顯， 但在打印 7.5m

6、b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)，用了33 秒。這一測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，現(xiàn)行的并行口對(duì)于時(shí)下流行的激光打印機(jī)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)力難勝任了。二、 usb ，串行接口欲火重生鳳凰涅槃，欲火重生。1995 年，由 compaq 、intel、microsoft和 nec等幾家公司推出的usb接口首次出現(xiàn)在pc機(jī)上， 1998 年起即進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用階段，作為ieee 1284 并行口和rs-232c串行口的接班人， usb現(xiàn)在已經(jīng)呈現(xiàn)出大紅大紫了。usb雖然只有一位的位寬，但數(shù)據(jù)傳輸速度卻比并行口要高，而且具有很大的發(fā)展空間。usb設(shè)備通信速率的自適應(yīng)性，使

7、得它可以自動(dòng)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(dòng)的設(shè)備3 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。圖 3 采用差模信號(hào)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(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)（differential signal ）傳輸技術(shù)，有效地克服了因天線效

8、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)，如圖 3。圖 4 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

9、通信距離只有5m 。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30m的位置。為了解決長(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powered usb和 extreme usb，前者加大了usb的供電能力，后者延長(zhǎng)了usb的傳輸距離。譬如采用cat5電纜和 rj45 連接器，可以簡(jiǎn)單地將擴(kuò)展至100m ；采用光纖更可擴(kuò)展至2km，只是成本比cat5更高。小知識(shí)：雙絞線，絞在一起有什么好？雙絞線互相纏繞的目的是利用銅線中電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)互相作用抵消鄰近線路的干擾并減少來(lái)自外界的干擾。

10、每對(duì)線在每英寸長(zhǎng)度上相互纏繞的次數(shù)決定了抗干擾的能力和通訊的質(zhì)量，纏繞得越緊密其通訊質(zhì)量越高，所支持的數(shù)據(jù)傳輸率越高，制造成本當(dāng)然也相應(yīng)提高。雙絞線即使外面沒(méi)有屏蔽層，也能獲得很好的抗干擾性能，所以局域網(wǎng)中選用cat5非屏蔽雙絞線 （utp ）便能滿足傳輸100mbps信號(hào)的要求，且通信距離可以達(dá)到100m 。三、差分信號(hào)技術(shù)：高速信號(hào)傳輸?shù)慕痂€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：4 線路間的電磁干擾越厲害，數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生機(jī)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(kāi)始在各種高速總線中得到應(yīng)用，我們已經(jīng)知道

11、，usb 實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸?shù)拿卦E在于采用了差分信號(hào)傳輸方式。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，5 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

12、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。在差分傳輸電路中，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)

13、傳輸線之間的串?dāng)_。因?yàn)樯鲜鲈颍瑢?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100，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/ei

14、a （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(lèi)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 expres

15、s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）。6 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

16、連的各種設(shè)備總線的通信速度影響到電腦的整體性能?？墒牵恢币詠?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 9 pci express 1x

17、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（16464）。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，而pci express 采用所謂的“端對(duì)端連接”(

18、 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。7 圖 10 pci express端對(duì)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，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技術(shù)現(xiàn)在被用于南北橋之間的快速通信，今后還將用于其它芯片間的連接。 serial ata，為高速硬盤(pán)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 at

19、a-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。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(pán)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)（ieee）作為