总线揭密：串行传输VS并行传输

&n bsp;图5差分信号传输电路

图6 单端信号传输

图7差分信号传输

差分信号传输技术是20世纪90年代出现的一种数据传输和接口技术，与传统的单端传输方式相比，这种技术具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆，最高传输速率可达1.923Gbps。Intel倡导的第三代I/O技术（3GIO），其物理层的核心技术就是差分信号技术。那么，差分信号技术究竟是怎么回事呢？　　我们知道，在传统的单端（Single-ended）通信中，一条线路来传输一个比特位。高电平表示1，低电平表示0。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号完全可能因此产生突破临界值的大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界值，信号就会出错，如图6所示。

在差分信号通信电路中，输出电平为正电压时表示逻辑“1”，输出负电压时表示逻辑“0”，而输出“0”电压是没有意义的，它既不代表“1”，也不代表“0 ”。而在图7所示的差分通信中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，在信号接收端，两个相同的干扰信号分别进入差分放大器的两个反相输入端后，输出电压为0。所以说，差分信号技术对干扰信号具有很强的免疫力。对于串行传输来说，LVDS能够低于外来干扰；而对于并行传输来说，LVDS可以不仅能够抵御外来干扰，还能够抵御数据传输线之间的串扰。

　　因为上述原因，实际电路中只要使用低压差分信号（Low Voltage DifferenTIal Signal，LVDS），350mV左右的振幅便能满足近距离传输的要求。假定负载电阻为100Ω，采用LVDS方式传输数据时，如果双绞线长度为 10m，传输速率可达400 Mbps；当电缆长度增加到20m时，速率降为100 Mbps；而当电缆长度为100m时，速率只能达到10 Mbps左右。

　　LVDS最早由美国国家半导体公司提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA（Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association）的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。

　　在近距离数据传输中，LVDS不仅可以获得很高的传输性能，同时还是一个低成本的方案。LVDS器件可采用经济的CMOS工艺制造，并且采用低成本的3类电缆线及连接件即可达到很高的速率。同时，由于LVDS可以采用较低的信号电压，并且驱动器采用恒流源模式，其功率几乎不会随频率而变化，从而使提高数据传输率和降低功耗成为可能。因此，USB、SATA、PCI Express以及HyperTransport普遍采用LVDS技术，LCD中控制电路向液晶屏传送像素亮度控制信号，也采用了LVDS方式。

　　四、新串行时代已经到来

差分传输技术不仅突破了速度瓶颈，而且使用小型连接可以节约空间。因此，近年来，除了USB和FireWire，还涌现出很多以差分信号传输为特点的串行连接标准，几乎覆盖了主板总线和外部I／O端口，呈现出从并行整体转移到新串行时代的大趋势，串行接口技术的应用在2005年将进入鼎盛时期（图8）。

图8所有的I/O技术都将采用串行方式

　　●LVDS技术，突破芯片组传输瓶颈

　　随着电脑速度的提高，CPU与北桥芯片之间，北桥与南桥之间，以及与芯片组相连的各种设备总线的通信速度影响到电脑的整体性能。可是，一直以来所采用的FR4印刷电路板因存在集肤效应和介质损耗导致的码间干扰，限制了传输速率的提升。

　　 在传统并行同步数字信号的速率将要达到极限的情况下，设计师转向从高速串行信号寻找出路，因为串行总线技术不仅可以获得更高的性能，而且可以最大限度地减少芯片管脚数，简化电路板布线，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总线标准（3GI/O）不约而同地将低压差分信号（LVDS）作为新一代高速信号电平标准。

图9PCI Express 1X数据通道

一个典型的PCI Express通道如图9所示，通信双方由两个差分信号对构成双工信道，一对用于发送，一对用于接收。4条物理线路构成PCI Express 1X。PCI Express 标准中定义了1X、2X、4X和16X。PCI Express 16X拥有最多的物理线路（16×4＝64）。

　　即便采用最低配置的1X体系，因为可以在两个方向上同时以2.5GHz的频率传送数据，带宽达到5Gbps，也已经超过了传统PCI总线1.056Gbps（32bit×33MHz）的带宽。况且，PCI总线是通过桥路实现的共享总线方式（如PCI9054等桥设备），而PCI Express采用所谓的“端对端连接”（如图10），每个设备可以独享总线带宽，因此可以获得比PCI更高的性能。

　　●Serial ATA，为高速硬盘插上翅膀

　　在ATA-33之前，一直使用40根平行数据线，由于数据线之间存在串扰，限制了信号频率的提升。因此从ATA-66开始，ATA数据线在两根线之间增加了1根接地线正是为了减少相互干扰（一共80根物理线）。增加地线后，数据线与地线之间仍然存在分布电容C2，还是无法彻底解决干扰问题，使得并行ATA接口的最高频率停留在133MHz上。除了信号干扰这一根本原因之外，并行PATA 还存在不支持热插拔和容错性差等问题，采用Serial ATA才完成脱胎换骨的蜕变，使问题得到了解决。

　　Serial ATA 是Intel 公司在IDF 2000 上推出的概念，此后Intel 联合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等几家巨头，于2001年正式推出了SATA 1.0 规范。而在IDF2002春季论坛上，SATA 2.0 规范也已经公布。

　　Serial ATA接口包括4根数据线和3 根地线，共有7 条物理连线。目前的SATA 1.0标准，数据传输率为150MBps，与ATA-133接口133MBps的速度略有提高，但未来的SATA 2.0/3.0可提升到300MBps以至600MBps。从目前硬盘速度的增长趋势来看，SATA 标准至少可以满足未来数年的要求了。

图11并行ATA的线间串扰

　　●FireWire，图像传输如虎添翼　　FireWire（火线）是1986年由苹果公司起草的，1995年被美国电气和电子工程师学会（IEEE）作为IEEE 1394推出，是USB之外的另一个高速串行通信标准。FireWire最早的应用目标为摄录设备传送数字图像信号，目前应用领域已遍及DV、DC、DVD、硬盘录像机、电视机顶盒以及家庭游戏机等。 FireWire传输线有6根电缆，两对双绞线形成两个独立的信道，另外两根为电源线和地线。SONY公司对FireWire进行改进，舍弃了电源线和地线，形成只有两对双绞线的精简版FireWire，并给它起了个很好听的名字i.Link。

　　FireWire数据传输率与USB相当，单信道带宽为400Mbps，通信距离为4.5m。不过，IEEE 1394b标准已将单信道带宽扩大到800Mbps，在IEEE1394-2000新标准中，更是将其最大数据传输速率确定为1.6Gbps，相邻设备之间连接电缆的最大长度可扩展到100m。

　　五、串行口能红到哪天？

　　阅读本文之后，如果有人问你关于串行通信与并行通信哪个更好的问题，你也许会脱口而出：串行通信好！但是，我要告诉你，新型串行口之所以走红，那是因为采用了四根信号线代替了传统两根信号线的信号传输方式，由单端信号传输转变为差分信号传输的原因，而“在相同频率下并行通信速度更高”这个基本的道理是永远不会错的，通过增加位宽来提高数据传输率的并行策略仍将发挥重要作用。

　　技术进步周