爲何目前的串行比並行傳輸快

概述：

並行接口速度比串行接口速度快，這是若干年前的狀況了。
在實際時鐘頻率比較低的狀況下，並口由於能夠同時傳輸若干比特，速率確實比串口快。
可是，隨着技術的發展，時鐘頻率愈來愈高，並行導線之間的相互干擾愈來愈嚴重。並行接口由於有多條並行且緊密的導線，但時鐘頻率提升的必定程度時，傳輸的數據已經沒法恢復。
而串口由於導線少，線間干擾容易控制，反而能夠經過不斷提升時鐘頻率來提升傳輸速率。並且串口的端子也會比較小。這就是爲何如今高速傳輸都採用串行方式的緣由。 「衆人拾柴火焰高」是句老話，但電腦領域卻發生了多根線比不過1根線的怪事。不管從通訊速度、造價仍是通訊質量上來看，現今的串行傳輸方式都比並行傳輸方式更勝一籌。

正文：

近兩年，你們聽得最多的一個詞可能就是串行傳輸了。從技術發展的狀況來看，串行傳輸方式大有完全取代並行傳輸方式的勢頭，USB取代IEEE 1284，SATA取代PATA，PCI Express取代PCI……從原理來看，並行傳輸方式其實優於串行傳輸方式。通俗地講，並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容許一輛汽車經過的鄉間公路。以古老而又典型的標準並行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗稱COM口)爲例，並行接口有8根數據線，數據傳輸率高；而串行接口只有1根數據線，數據傳輸速度低。在串行口傳送1位的時間內，並行口能夠傳送一個字節。當並行口完成單詞「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： 並行接口速度是串行接口的8倍

 

那麼，爲什麼如今的串行傳輸方式會更勝一籌？下文將從並行、串行的變革以及技術特色，分析隱藏在表象背後的深層緣由。

1、並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」，隨着處理器速度的節節攀升，總線和接口的數據傳輸速度也須要逐步提升，不然就會成爲電腦發展的瓶頸。 
咱們先來看看總線的狀況。1981年第一臺PC中以ISA總線爲標誌的開放式體系結構，數據總線爲8位，工做頻率爲8.33MHz，這在當時卻已算是「先進技術」了，因此ISA總線還有另外一個名字「AT總線」；到了286時，ISA的位寬提升到了16位，爲了保持與8位的ISA兼容，工做頻率仍爲8.33MHz。這種技術一直沿用到386系統中。

到了486時代，同時出現了PCI和VESA兩種更快的總線標準，它們具備相同的位寬(32位)，但PCI總線可以與處理器異步運行，當處理器的頻率增長時，PCI總線頻率仍然可以保持不變，能夠選擇25MHz、30MHz和33MHz三種頻率。而VESA總線與處理器同步工做，於是隨着處理器頻率的提升，VESA總線類型的外圍設備工做頻率也得隨着提升，適應能力較差，所以很快失去了競爭力。PCI總線標準成爲Pentium時代PC總線的王者，硬盤控制器、聲卡到網卡和顯卡所有使用PCI插槽。

圖2：

並行數據傳輸技術向來是提升數據傳輸率的重要手段，可是，進一步發展卻遇到了障礙。首先，因爲並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，而過度提高時鐘頻率將難以讓數據傳送的時序與時鐘合拍，佈線長度稍有差別，數據就會以與時鐘不一樣的時序送達另外，提高時鐘頻率還容易引發信號線間的相互干擾。所以，並行方式難以實現高速化。另外，增長位寬無疑會致使主板和擴充板上的佈線數目隨之增長，成本隨之攀升。

在外部接口方面，咱們知道IEEE 1284並行口的速率可達300KB/s，傳輸圖形數據時採用壓縮技術能夠提升到2MB/s，而RS-232C標準串行口的數據傳輸率一般只有20KB/s，並行口的數據傳輸率無疑要勝出一籌。所以十多年來，並行口一直是打印機首選的鏈接方式。對於僅傳輸文本的針式打印機來講，IEEE 1284並行口的傳輸速度能夠說是綽綽有餘的。可是，對於近年來一再提速的打印機來講，狀況發生了變化。筆者使用愛普生6200L(同時具有並行口和USB接口)在打印2MB圖片時，並行口和USB接口的速度差別並不明顯，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，而使用並行口時，就用了33秒。從這一測試結果能夠看出，現行的並行口對於時下的應用需求而言，確實出現了瓶頸。

你知道嗎？IEEE 1284的三種接口

早期的並行口是一種環形端口，IEEE 1284則採用防呆設計的D型鏈接器。IEEE 1284定義了D-sub、Centronics和MDR-36等三種鏈接器(圖3)。咱們所見到打印機電纜，一端是D-sub鏈接器，用來與主機鏈接，另外一端爲帶有鎖緊裝置的Centronics鏈接器，用來鏈接到打印機。鏈接起來不只方便，並且十分可靠。D-sub鏈接器有25根插針，而Centronics鏈接器有36根插針，多出來的11根基本上是冗餘的信號地。MDR(Mini Delta Ribbon，小型三角帶)鏈接器也是36根插針，這種小尺寸鏈接器是爲數碼相機、Zip驅動器等小型設備而設計的，實際上不多被使用。

圖3： 三種不一樣尺寸的並行口鏈接器

2、USB，讓串行傳輸浴火重生

回顧前面所介紹的並行接口與串行接口，咱們知道IEEE 1284並行口的速率可達300KB/s，而RS-232C標準串行口的數據傳輸率一般只有20KB/s，並行口的數據傳輸率無疑要勝出一籌。外部接口爲了得到更高的通訊質量，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接口首次出如今PC機上，1998年起即進入大規模實用階段。USB比RS-232C的速度提升了100倍以上，突破了串行口通訊的速度瓶頸，並且具備很好的兼容性和易用性。USB設備通訊速率的自適應性，使得它能夠根據主板的設定自動選擇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總線還具備自動的設備檢測能力，設備插入以後，操做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。USB接口之因此可以得到很高的數據傳輸率，主要是由於其摒棄了常規的單端信號傳輸方式，轉而採用差分信號(differential signal)傳輸技術，有效地克服了因天線效應對信號傳輸線路造成的干擾，以及傳輸線路之間的串擾。USB接口中兩根數據線採用相互纏繞的方式，造成了雙絞線結構(圖4)。

圖4： 採用差模信號傳送方式的USB

圖5： 差分傳輸方式具備更好的抗干擾性能

圖5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，這樣雖然下降了干擾，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，傳輸線路無需屏蔽便可取得很好的抗干擾性能，下降了鏈接成本。不過，因爲USB接口3.3V的信號電平相對較低，最大通訊距離只有5米。USB規範還限制物理層的層數不超過7層，這意味着用戶能夠經過最多使用5個鏈接器，將一個USB設備置於距離主機最遠爲30米的位置。

爲解決長距離傳輸問題，擴展USB的應用範圍，一些廠商在USB規範上添加了新的功能，例如Powered USB和Extreme USB，前者加大了USB的供電能力，後者延長了USB的傳輸距離。

3、差分信號技術：開啓信號高速傳輸之門的金鑰匙

電腦發展史就是追求更快速度的歷史，隨着總線頻率的提升，全部信號傳輸都遇到了一樣的問題：線路間的電磁干擾越厲害，數據傳輸失敗的發生概率就越高，傳統的單端信號傳輸技術沒法適應高速總線的須要。因而差分信號技術就開始在各類高速總線中獲得應用，咱們已經知道，USB實現高速信號傳輸的祕訣在於採用了差分信號傳輸方式。

差分信號技術是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，它具備低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特色，其傳輸介質能夠是銅質的PCB連線，也能夠是平衡電纜，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。那麼，差分信號技術到底是怎麼回事呢？

圖6： 差分信號傳輸電路

衆所周知，在傳統的單端(Single-ended)通訊中，一條線路來傳輸一個比特位。高電平表示爲「1」，低電平表示爲「0」。假若在數據傳輸過程當中受到干擾，高低電平信號徹底可能所以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(圖7)。

圖7： 單端信號傳輸

在差分電路中，輸出電平爲正電壓時表示邏輯「1」，輸出負電壓時表示邏輯「0」，而輸出「0」電壓是沒有意義的，它既不表明「1」，也不表明「0」。而在圖7所示的差分通訊中，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後，輸出電壓爲0。因此說，差分信號技術對干擾信號具備很強的免疫力。

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左右的振幅便能知足近距離傳輸的要求。假定負載電阻爲100Ω，採用LVDS方式傳輸數據時，若是雙絞線長度爲10米，傳輸速率可達400Mbps；當電纜長度增長到20米時，速率降爲100Mbps；而當電纜長度爲100米時，速率只能達到10Mbps左右。

在近距離數據傳輸中，LVDS不只能夠得到很高的傳輸性能，同時仍是一個低成本的方案。LVDS器件可採用經濟的CMOS工藝製造，而且採用低成本的3類電纜線及鏈接件便可達到很高的速率。同時，因爲LVDS能夠採用較低的信號電壓，而且驅動器採用恆流源模式，其功率幾乎不會隨頻率而變化，從而使提升數據傳輸率和下降功耗成爲可能。所以，LVDS技術在USB、SATA、PCI Express以及HyperTransport中得以應用，而LCD中控制電路向液晶屏傳送像素亮度控制信號，也採用了LVDS方式。

4、新串行時代已經到來

差分傳輸技術不只突破了速度瓶頸，並且使用小型鏈接能夠節約空間。近年來，除了USB和FireWire，還涌現出不少以差分信號傳輸爲特色的串行鏈接標準，幾乎覆蓋了主板總線和外部I/O端口，呈現出從並行總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9)。

圖9： 全部的I/O技術都將採用串行方式

1.LVDS技術，突破芯片組傳輸瓶頸

隨着電腦速度的提升，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類設備總線的通訊速度影響到電腦的總體性能。但是，一直以來所採用的FR4印刷電路板因存在集膚效應和介質損耗致使的碼間干擾，限制了傳輸速率的提高。

在傳統並行同步數字信號的速率將要達到極限的狀況下，設計師轉向從高速串行信號尋找出路，由於串行總線技術不只能夠得到更高的性能，並且能夠最大限度地減小芯片管腳數，簡化電路板佈線，下降制形成本。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)做爲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，通訊雙方由兩個差分信號對構成雙工信道，一對用於發送，一對用於接收。4條物理線路構成PCI Express x1。PCI Express 標準中定義了x一、x二、x4和x16。PCI Express x16擁有最多的物理線路(16×4＝64)。

圖10： PCI Express x1數據通道

即使採用最低配置的x1體系，由於能夠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。何況，PCI總線是經過橋路實現的共享總線方式，而PCI Express採用的「端對端鏈接」(圖11)，也讓每一個設備能夠獨享總線帶寬，所以能夠得到比PCI更高的性能。

圖11： PCI Express端對端鏈接消除了橋路

AMD的HyperTransport技術與PCI Express極其類似，一樣採用LVDS數據通道，最早用於南北橋之間的快速通訊。其工做頻率範圍從200MHz到1GHz，位寬能夠根據帶寬的要求靈活選擇二、四、八、16或32位。HyperTransport最早用於南北橋之間的快速通訊，從此會用於全部芯片間的鏈接。

2.SATA，爲硬盤插上翅膀

在ATA33以前，一直使用40根平行數據線，因爲數據線之間存在串擾，限制了信號頻率的提高。所以從ATA66開始，ATA數據線在兩根線之間增長了1根接地線正是爲了減小相互干擾。增長地線後，數據線與地線之間仍然存在分佈電容C2(圖12)，仍是沒法完全解決干擾問題，使得PATA接口的最高工做頻率停留在133MHz上。除了信號干擾這一根本緣由以外，PATA還存在不支持熱插拔和容錯性差等問題。

圖12： 並行ATA的線間串擾

SATA是Intel公司在IDF2000上推出的，此後Intel聯合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等業界巨頭，於2001年正式推出了SATA 1.0規範。而在春季IDF2002上，SATA 2.0規範也已經公佈。

SATA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，數據傳輸率爲150MB/s，與ATA133接口133MB/s的速度略有提升，但將來的SATA 2.0/3.0可提高到300MB/s以致600MB/s。從目前硬盤速度的增加趨勢來看，SATA標準至少能夠知足將來數年的要求了。

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)做爲IEEE 1394推出，是USB以外的另外一個高速串行通訊標準。FireWire最先的應用目標爲攝錄設備傳送數字圖像信號，目前應用領域已遍佈DV、DC、DVD、硬盤錄像機、電視機頂盒以及家庭遊戲機等。

FireWire傳輸線有6根電纜，兩對雙絞線造成兩個獨立的信道，另外兩根爲電源線和地線。SONY公司對FireWire進行改進，捨棄了電源線和地線，造成只有兩對雙絞線的精簡版FireWire，並取名爲i.Link。

FireWire數據傳輸率與USB至關，單信道帶寬爲400Mbps，通訊距離爲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，更是將其最大數據傳輸速率肯定爲1.6Gbps，相鄰設備之間鏈接電纜的最大長度可擴展到100米。

5、「串行」能紅到哪天？

閱讀本文以後，若是有人問關於串行傳輸與並行傳輸誰更好的問題，你也許會脫口而出：串行通訊好！可是，串行傳輸之因此走紅，是因爲將單端信號傳輸轉變爲差分信號傳輸，並提高了控制器工做頻率的緣由，而「在相同頻率下並行通訊速度更高」這個基本道理是永遠不會錯的，經過增長位寬來提升數據傳輸率的並行策略仍將發揮重要做用。固然，前提是有更好的措施來解決並行傳輸的種種問題。

技術進步周而復始，以致無窮，沒有一項技術可以永遠適用。電腦技術未來跨入THz時代後，對信號傳輸速度的要求會更高，差分傳輸技術是否能知足要求？是否須要另外一種更好的技術來完成頻率的另外一次突破呢？不妨拭目以待！