總線揭密：串行傳輸VS并行傳輸

　　從原理來看，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(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：H6A-2-1.TIF 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2PC總線的發(fā)展

　　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），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，因而隨著處理器頻率的提高，VESA總線類型的外圍設(shè)備工作頻率也得隨著提高，適應(yīng)能力較差，因此很快失去了競爭力。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)成為Pentium時(shí)代PC總線的王者，硬盤控制器、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)了專用的AGP，

　　并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)向來是提高數(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)高速化。從制造成本的角度來說，增加位寬無疑會(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)傳輸率無疑要?jiǎng)俪鲆换I。因此十多年來，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)來說，IEEE 1284并行口的傳輸速度可以說是綽綽有余的。但是，對(duì)于近年來一再提速的激光打印機(jī)來說，情況發(fā)生了變化。筆者使用愛普生6200L在打印2MB圖片時(shí)，速度差異不甚明顯，但在打印7.5MB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。這一測試結(jié)果說明，現(xiàn)行的并行口對(duì)于時(shí)下流行的激光打印機(jī)來說，已經(jīng)力難勝任了。

　　二、USB，串行接口欲火重生

　　鳳凰涅槃，浴火重生。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)備檢測能力，設(shè)備插入之后，操作系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)地檢測、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，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，傳輸線路無需屏蔽即可取得很好的抗干擾性能，降低了連接成本。不過，由于USB接口3.3V的信號(hào)電平相對(duì)較低，最大通信距離只有5m。USB規(guī)范還限制物理層的層數(shù)不超過7層，這意味著用戶可以通過最多使用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。

Powered USB和Extreme USB，前者加大了USB的供電能力，后者延長了USB的傳輸距離。譬如采用CAT5電纜和RJ45連接器，可以簡單地將擴(kuò)展至100m；采用光纖更可擴(kuò)展至2km，只是成本比CAT5更高。

　雙絞線互相纏繞的目的是利用銅線中電流產(chǎn)生的電磁場互相作用抵消鄰近線路的干擾并減少來自外界的干擾。每對(duì)線在每英寸長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題：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)無法適應(yīng)高速總線的需要。于是差分信號(hào)技術(shù)就開始在各種高速總線中得到應(yīng)用，我們已經(jīng)知道，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。