為什麼目前的串列比並行傳輸快

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概述：並行介面速度比串列介面速度快，這是若干年前的情況了。
在實際時鐘頻率比較低的情況下，並口因為可以同時傳輸若干位元，速率確實比串口快。
但是，隨著技術的發展，時鐘頻率越來越高，並行導線之間的相互幹擾越來越嚴重。並行介面因為有多條並行且緊密的導線，但時鐘頻率提高的一定程度時，傳輸的資料已經無法恢複。
而串口因為導線少，線間幹擾容易控制，反而可以通過不斷提高時鐘頻率來提高傳輸速率。而且串口的端子也會比較小。這就是為什麼現在高速傳輸都採用串列方式的原因。“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。無論從通訊速度、造價還是通訊品質上來看，現今的串列傳輸方式都比並行傳輸方式更勝一籌。

本文：

近兩年，大家聽得最多的一個詞可能就是串列傳輸了。從技術發展的情況來看，串列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列傳輸方式。通俗地講，並行傳輸的通路猶如一條多車道的寬闊大道，而串列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)和串列口(俗稱COM口)為例，並行介面有8根資料線，資料轉送率高；而串列介面只有1根資料線，資料轉送速度低。在串列口傳送1位的時間內，並行口可以傳送一個位元組。當並行口完成單詞“advanced”的傳送任務時，串列口中僅傳送了這個單詞的首字母“a”。

圖1： 並行介面速度是串列介面的8倍

 

那麼，為何現在的串列傳輸方式會更勝一籌？下文將從並行、串列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

電腦中的匯流排和介面是主機與外部裝置間傳送資料的“大動脈”，隨著處理器速度的節節攀升，匯流排和介面的資料轉送速度也需要逐步提高，否則就會成為電腦發展的瓶頸。 
我們先來看看匯流排的情況。1981年第一台PC中以ISA匯流排為標誌的開放式體繫結構，資料匯流排為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匯流排還有另一個名字“AT匯流排”；到了286時，ISA的位寬提高到了16位，為了保持與8位的ISA相容，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兩種更快的匯流排標準，它們具有相同的位寬(32位)，但PCI匯流排能夠與處理器非同步運行，當處理器的頻率增加時，PCI匯流排頻率仍然能夠保持不變，可以選擇25MHz、30MHz和33MHz三種頻率。而VESA匯流排與處理器同步工作，因而隨著處理器頻率的提高，VESA匯流排類型的外圍裝置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匯流排標準成為Pentium時代PC匯流排的王者，硬碟控制器、音效卡到網卡和顯卡全部使用PCI插槽。

圖2：

並行資料轉送技術向來是提高資料轉送率的重要手段，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訊號，用同一時序接收訊號，而過分提升時鐘頻率將難以讓資料傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，資料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訊號線間的相互幹擾。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。

在外部介面方面，我們知道IEEE 1284並行口的速率可達300KB/s，傳輸圖形資料時採用壓縮技術可以提高到2MB/s，而RS-232C標準串列口的資料轉送率通常只有20KB/s，並行口的資料轉送率無疑要勝出一籌。因此十多年來，並行口一直是印表機首選的串連方式。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介面)在列印2MB圖片時，並行口和USB介面的速度差異並不明顯，但在列印7.5MB大小的圖片檔案時，從點擊“列印”到最終出紙，使用USB介面用了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的三種介面

早期的並行口是一種環形連接埠，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，用來與主機串連，另一端為帶有鎖緊裝置的Centronics連接器，用來串連到印表機。串連起來不僅方便，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根基本上是冗餘的訊號地。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磁碟機等小型裝置而設計的，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，讓串列傳輸浴火重生

回顧前面所介紹的並行介面與串列介面，我們知道IEEE 1284並行口的速率可達300KB/s，而RS-232C標準串列口的資料轉送率通常只有20KB/s，並行口的資料轉送率無疑要勝出一籌。外部介面為了獲得更高的通訊品質，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介面首次出現在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，突破了串列口通訊的速度瓶頸，而且具有很好的相容性和易用性。USB裝置通訊速率的自適應性，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匯流排還具有自動的裝置檢測能力，裝置插入之後，作業系統軟體會自動地檢測、安裝和配置該裝置，免除了增減裝置時必須關閉PC機的麻煩。USB介面之所以能夠獲得很高的資料轉送率，主要是因為其摒棄了常規的單端訊號傳輸方式，轉而採用差分訊號(differential signal)傳輸技術，有效地克服了因天線效應對訊號傳輸線路形成的幹擾，以及傳輸線路之間的串擾。USB介面中兩根資料線採用相互纏繞的方式，形成了雙絞線結構(圖4)。

圖4： 採用差模訊號傳送方式的USB

圖5： 差分傳輸方式具有更好的抗幹擾效能

圖5是由兩根訊號線纏繞在環狀鐵氧體磁芯上構成的扼流線圈。在單端訊號傳輸方式下，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，但有效訊號也被衰減了。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，又不會影響訊號傳輸。

差分訊號傳輸體系中，傳輸線路無需屏蔽即可取得很好的抗幹擾效能，降低了串連成本。不過，由於USB介面3.3V的訊號電平相對較低，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，這意味著使用者可以通過最多使用5個連接器，將一個USB裝置置於距離主機最遠為30米的位置。

為解決長距離傳輸問題，擴充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、差分訊號技術：開啟訊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曆史，隨著匯流排頻率的提高，所有訊號傳輸都遇到了同樣的問題：線路間的電磁幹擾越厲害，資料轉送失敗的發生幾率就越高，傳統的單端訊號傳輸技術無法適應高速匯流排的需要。於是差分訊號技術就開始在各種高速匯流排中得到應用，我們已經知道，USB實現高速訊號傳輸的秘訣在於採用了差分訊號傳輸方式。

差分訊號技術是20世紀90年代出現的一種資料轉送和介面技術，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訊號技術。那麼，差分訊號技術究竟是怎麼回事呢？

圖6： 差分訊號傳輸電路

眾所周知，在傳統的單端(Single-ended)通訊中，一條線路來傳輸一個位元位。高電平表示為“1”，低電平表示為“0”。倘若在資料轉送過程中受到幹擾，高低電平訊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訊號超出臨界值，訊號就會出錯(圖7)。

圖7： 單端訊號傳輸

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所示的差分通訊中，幹擾訊號會同時進入相鄰的兩條訊號線中，當兩個相同的幹擾訊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，差分訊號技術對幹擾訊號具有很強的免疫力。

圖8： 差分訊號傳輸

正因如此，實際電路中只要使用低壓差分訊號(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方式傳輸資料時，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。

在近距離資料轉送中，LVDS不僅可以獲得很高的傳輸效能，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類電纜線及串連件即可達到很高的速率。同時，由於LVDS可以採用較低的訊號電壓，並且磁碟機採用恒流源模式，其功率幾乎不會隨頻率而變化，從而使提高資料轉送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訊號，也採用了LVDS方式。

四、新串列時代已經到來

差分傳輸技術不僅突破了速度瓶頸，而且使用小型串連可以節約空間。近年來，除了USB和FireWire，還湧現出很多以差分訊號傳輸為特點的串列串連標準，幾乎覆蓋了主板匯流排和外部I/O連接埠，呈現出從並行整體轉移到新串列時代的大趨勢，串列介面技術的應用在2005年將進入鼎盛時期(圖9)。

圖9： 所有的I/O技術都將採用串列方式

1.LVDS技術，突破晶片集傳輸瓶頸

隨著電腦速度的提高，CPU與北橋晶片之間，北橋與南橋之間，以及與晶片集相連的各種裝置匯流排的通訊速度影響到電腦的整體效能。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。

在傳統並行同步數字訊號的速率將要達到極限的情況下，設計師轉向從高速串列訊號尋找出路，因為串列匯流排技術不僅可以獲得更高的效能，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匯流排標準不約而同地將低壓差分訊號(LVDS)作為新一代高速訊號電平標準。

一個典型的PCI Express通道9所示，通訊雙方由兩個差分訊號對構成雙工通道，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資料通道

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的頻率傳送資料，頻寬達到5Gbps，也已經超過了傳統PCI匯流排1.056Gbps(32bit×33MHz)的頻寬。況且，PCI匯流排是通過橋路實現的共用匯流排方式，而PCI Express採用的“端對端串連”(圖11)，也讓每個裝置可以獨享匯流排頻寬，因此可以獲得比PCI更高的效能。

圖11： PCI Express端對端串連消除了橋路

AMD的HyperTransport技術與PCI Express極其相似，同樣採用LVDS資料通道，最先用於南北橋之間的快速通訊。其工作頻率範圍從200MHz到1GHz，位寬可以根據頻寬的要求靈活選擇2、4、8、16或32位。HyperTransport最先用於南北橋之間的快速通訊，今後會用於所有晶片間的串連。

2.SATA，為硬碟插上翅膀

在ATA33之前，一直使用40根平行資料線，由於資料線之間存在串擾，限制了訊號頻率的提升。因此從ATA66開始，ATA資料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，資料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介面的最高工作頻率停留在133MHz上。除了訊號幹擾這一根本原因之外，PATA還存在不支援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介面包括4根資料線和3根地線，共有7條物理連線。目前的SATA 1.0標準，資料轉送率為150MB/s，與ATA133介面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，映像傳輸如虎添翼

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列通訊標準。FireWire最早的應用目標為攝錄裝置傳送數位影像訊號，目前應用領域已遍及DV、DC、DVD、硬碟錄影機、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通道，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資料轉送率與USB相當，單通道頻寬為400Mbps，通訊距離為4.5米。不過，IEEE 1394b標準已將單通道頻寬擴大到800Mbps，在IEEE 1394-2000新標準中，更是將其最大資料轉送速率確定為1.6Gbps，相鄰裝置之間串連電纜的最大長度可擴充到100米。

五、“串列”能紅到哪天？

閱讀本文之後，如果有人問關於串列傳輸與並行傳輸誰更好的問題，你也許會脫口而出：串列通訊好！但是，串列傳輸之所以走紅，是由於將單端訊號傳輸轉變為差分訊號傳輸，並提升了控制器工作頻率的原因，而“在相同頻率下並行通訊速度更高”這個基本道理是永遠不會錯的，通過增加位寬來提高資料轉送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，對訊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！

為什麼目前的串列比並行傳輸快