"眾人拾柴火焰高"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。無論從通信速度、造價還是通信質量上來看，現今的串行傳輸方式都比並行傳輸方式更勝一籌。
近兩年，大家聽得最多的一個詞可能就是串行傳輸了。從技術發展的情況來看，串行傳輸方式大有徹底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允許一輛汽車通過的鄉間公路。以古老而又典型的標準並行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗稱COM口)為例，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，並行口可以傳送一個字節。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，為何現在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點，分析隱藏在表象背後的深層原因。
一、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。
我們先來看看總線的情況。1981年第一臺PC中以ISA總線為標誌的開放式體系結構，數據總線為8位，工作頻率為8.33MHz，這在當時卻已算是"先進技術"了，所以ISA總線還有另一個名字"AT總線"；到了286時，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。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，硬碟控制器、音效卡到網卡和顯卡全部使用PCI插槽。
圖2：
並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，由於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幹擾。因此，並行方式難以實現高速化。另外，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並行口的速率可達300KB/s，傳輸圖形數據時採用壓縮技術可以提高到2MB/s，而RS-232C標準串行口的數據傳輸率通常只有20KB/s，並行口的數據傳輸率無疑要勝出一籌。因此十多年來，並行口一直是印表機首選的連接方式。對於僅傳輸文本的針式印表機來說，IEEE 1284並行口的傳輸速度可以說是綽綽有餘的。但是，對於近年來一再提速的印表機來說，情況發生了變化。筆者使用愛普生6200L(同時具備並行口和USB接口)在列印2MB圖片時，並行口和USB接口的速度差異並不明顯，但在列印7.5MB大小的圖片文件時，從點擊"列印"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。從這一測試結果可以看出，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埠，IEEE 1284則採用防呆設計的D型連接器。IEEE 1284定義了D-sub、Centronics和MDR-36等三種連接器(圖3)。我們所見到印表機電纜，一端是D-sub連接器，用來與主機連接，另一端為帶有鎖緊裝置的Centronics連接器，用來連接到印表機。連接起來不僅方便，而且十分可靠。D-sub連接器有25根插針，而Centronics連接器有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)連接器也是36根插針，這種小尺寸連接器是為數位相機、Zip驅動器等小型設備而設計的，實際上很少被使用。
圖3： 三種不同尺寸的並行口連接器
二、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，我們知道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通常只有20KB/s，並行口的數據傳輸率無疑要勝出一籌。外部接口為了獲得更高的通信質量，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接口首次出現在PC機上，1998年起即進入大規模實用階段。USB比RS-232C的速度提高了100倍以上，突破了串行口通信的速度瓶頸，而且具有很好的兼容性和易用性。USB設備通信速率的自適應性，使得它可以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總線還具有自動的設備檢測能力，設備插入之後，作業系統軟體會自動地檢測、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形成的幹擾，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，形成了雙絞線結構(圖4)。
圖4： 採用差模信號傳送方式的USB
圖5： 差分傳輸方式具有更好的抗幹擾性能
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，線路受到電磁輻射幹擾而產生共模電流時，磁場被疊加變成較高的線路阻抗，這樣雖然降低了幹擾，但有效信號也被衰減了。而在差動傳輸模式下，共模幹擾被磁芯抵消，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，既能達到抗幹擾的目的，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幹擾性能，降低了連接成本。不過，由於USB接口3.3V的信號電平相對較低，最大通信距離只有5米。USB規範還限制物理層的層數不超過7層，這意味著用戶可以通過最多使用5個連接器，將一個USB設備置於距離主機最遠為30米的位置。
為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。
三、差分信號技術：開啟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：線路間的電磁幹擾越厲害，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。於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。那麼，差分信號技術究竟是怎麼回事呢？
圖6： 差分信號傳輸電路
所周知，在傳統的單端(Single-ended)通信中，一條線路來傳輸一個比特位。高電平表示為"1"，低電平表示為"0"。倘若在數據傳輸過程中受到幹擾，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(圖7)。
圖7： 單端信號傳輸
在差分電路中，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，幹擾信號會同時進入相鄰的兩條信號線中，當兩個相同的幹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，輸出電壓為0。所以說，差分信號技術對幹擾信號具有很強的免疫力。
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左右的振幅便能滿足近距離傳輸的要求。假定負載電阻為100Ω，採用LVDS方式傳輸數據時，如果雙絞線長度為10米，傳輸速率可達400Mbps；當電纜長度增加到20米時，速率降為100Mbps；而當電纜長度為100米時，速率只能達到10Mbps左右。
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器件可採用經濟的CMOS工藝製造，並且採用低成本的3類電纜線及連接件即可達到很高的速率。同時，由於LVDS可以採用較低的信號電壓，並且驅動器採用恆流源模式，其功率幾乎不會隨頻率而變化，從而使提高數據傳輸率和降低功耗成為可能。因此，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。
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。近年來，除了USB和FireWire，還湧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埠，呈現出從並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9)。
圖9： 所有的I/O技術都將採用串行方式
1.LVDS技術，突破晶片組傳輸瓶頸
隨著電腦速度的提高，CPU與北橋晶片之間，北橋與南橋之間，以及與晶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，一直以來所採用的FR4印刷電路板因存在集膚效應和介質損耗導致的碼間幹擾，限制了傳輸速率的提升。
在傳統並行同步數位訊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晶片管腳數，簡化電路板布線，降低製造成本。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)作為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，通信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x1、x2、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
即便採用最低配置的x1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，而PCI Express採用的"端對端連接"(圖11)，也讓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。
圖11： PCI Express端對端連接消除了橋路
AMD的HyperTransport技術與PCI Express極其相似，同樣採用LVDS數據通道，最先用於南北橋之間的快速通信。其工作頻率範圍從200MHz到1GHz，位寬可以根據帶寬的要求靈活選擇2、4、8、16或32位。HyperTransport最先用於南北橋之間的快速通信，今後會用於所有晶片間的連接。
2.SATA，為硬碟插上翅膀
在ATA33之前，一直使用40根平行數據線，由於數據線之間存在串擾，限制了信號頻率的提升。因此從ATA66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幹擾。增加地線後，數據線與地線之間仍然存在分布電容C2(圖12)，還是無法徹底解決幹擾問題，使得PATA接口的最高工作頻率停留在133MHz上。除了信號幹擾這一根本原因之外，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規範也已經公布。
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，數據傳輸率為150MB/s，與ATA133接口133MB/s的速度略有提高，但未來的SATA 2.0/3.0可提升到300MB/s以至600MB/s。從目前硬碟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。
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)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、硬碟錄像機、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，捨棄了電源線和地線，形成只有兩對雙絞線的精簡版FireWire，並取名為i.Link。
FireWire數據傳輸率與USB相當，單信道帶寬為400Mbps，通信距離為4.5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確定為1.6Gbps，相鄰設備之間連接電纜的最大長度可擴展到100米。
五、"串行"能紅到哪天？
閱讀本文之後，如果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：串行通信好！但是，串行傳輸之所以走紅，是由於將單端信號傳輸轉變為差分信號傳輸，並提升了控制器工作頻率的原因，而"在相同頻率下並行通信速度更高"這個基本道理是永遠不會錯的，通過增加位寬來提高數據傳輸率的並行策略仍將發揮重要作用。當然，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，以至無窮，沒有一項技術能夠永遠適用。電腦技術將來跨入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滿足要求？是否需要另一種更好的技術來完成頻率的另一次突破呢？不妨拭目以待！
摘抄自：http://blog.csdn.net/yiwuya/article/details/4136319
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