這兩天在看MIPI的Spec,  高速序列，無意中看到一篇文章，談序列為甚麼這麼火。

http://blog.csdn.net/bobocheng1231/archive/2007/12/03/1914227.aspx

       近兩年，大家聽得最多的一個詞可能就是序列 傳輸了。從技術發展的情況來看，序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序列傳輸方式。通俗地講，並行傳輸的通路猶如一條 多車道的寬闊大道，而序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)和序列口(俗稱COM口)為例，並行介面的位寬為8，資料傳輸率高；而序列介面只有1位，資料傳輸速度低。在序列口傳送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，序列口中僅傳送了這個單詞的首字母“a”。

圖1：H6A-2-1.TIF 並行介面速度是序列介面的8倍

　　那麼，現在的序列傳輸方式為何會更勝一籌呢？

　　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傳輸速度也需要逐步提高，否則就會成為電腦發展的瓶頸。

圖2  PC匯流排的發展

       我們先來看看匯流排的情況。1981年第一臺PC中以ISA匯流排為標誌的開放式體系結構，使用了ISA匯流排，資料匯流排為8位，工作頻率為8.33MHz，這 在當時卻已經算作“先進技術（Advanced Technology）”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。ISA匯流排雖然只有16MBps的資料傳輸率，但直到386時代，都一直是主機板與外部裝置間最快的資料通道。

　　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執行，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匯流排型別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、音效卡到網絡卡，全部使用PCI插槽。而顯示卡方面對資料傳輸速度要求更高，出現了專用的AGP，

　　並行資料傳輸技術向來是提高資料傳輸率的重要手段，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，佈線長度稍有差異，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 訊號線間的相互干擾，導致傳輸錯誤。因此，並行方式難以實現高速化。從製造成本的角度來說，增加位寬無疑會導致主機板和擴充板上的佈線數目隨之增加，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300kBps，傳輸圖形資料時採用壓縮技術可以提高到2MBps，而RS-232C標準序列 口 的資料傳輸率通常只有20kbps，並行口的資料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線方式。對於僅傳輸文字的針式印表機來 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鐳射印表機來說，情況發生了變化。筆者使用愛普生6200L在列印2MB圖片 時，速度差異不甚明顯，但在列印7.5MB大小的圖片檔案時，從點選“列印”到最終出紙，使用USB 介面用了18秒，而使用並行口時，用了33秒。這一測試結果說明，現行的並行口對於時下流行的鐳射印表機來說，已經力難勝任了。

　　二、USB，序列介面慾火重生

　　鳳凰涅槃，慾火重生。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，作為IEEE 1284並行口和RS-232C序列口的接班人，USB現在已經呈現出大紅大紫了。

       USB雖然只有一位的位寬，但資料傳輸速度卻比並行口要高，而且具有很大的發展空間。USB裝置通訊速率的自適應性，使得它可以自動選擇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。

            圖3  採用差模訊號傳送方式的USB

             圖4  差分傳輸方式具有更好的抗干擾性能

        USB介面之所以能夠獲得很高的資料傳輸率，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干擾，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，如圖3。

　　圖4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，這樣雖然降低了干擾，但有效訊號也被衰減了。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，又不會影響訊號傳輸。

　　差分訊號傳輸體系中，傳輸線路無需遮蔽即可取得很好的抗干擾性能，降低了連線成本。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5m。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個聯結器，將一個USB裝置置於距離主機最遠為30m的位置。

　　為了解決長距離傳輸問題，擴充套件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。譬如採用CAT5電纜和RJ45聯結器，可以簡單地將擴充套件至100m；採用光纖更可擴 展至2km，只是成本比CAT5更高。

小知識：雙絞線，絞在一起有什麼好？

　　雙絞線互相纏繞的目的是利用銅線中電流產生的電磁場互相作用抵消鄰近線路的干擾並減少來自外界的干擾。每對線在每英寸長度上相互纏繞的次數決定 了抗干擾的能力和通訊的質量，纏繞得越緊密其通訊質量越高，所支援的資料傳輸率越高，製造成本當然也相應提高。雙絞線即使外面沒有遮蔽層，也能獲得很好的 抗干擾性能，所以區域網中選用CAT5非遮蔽雙絞線（UTP）便能滿足傳輸100Mbps訊號的要求，且通訊距離可以達到100m。

　　三、差分訊號技術：高速訊號傳輸的金鑰匙

　　電腦發展史就是追求更快速度的歷史，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：線路間的電磁干擾越厲害，資料傳輸失敗的發生機率就越高，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祕訣在於採用了差分訊號傳輸方式。

              圖5  差分訊號傳輸電路

          圖6 單端訊號傳輸

  圖7  差分訊號傳輸

       差分訊號傳輸技術是20世紀90年代出現的一種資料傳輸和介面技術，與傳統的單端傳輸方式相比，這種技術具有低功耗、低誤位元速率、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？

　　我們知道，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1，低電平表示0。倘若在資料傳輸過程中受 到干擾，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，如圖6所示。

       在差分傳輸電路中，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，干擾訊號會同時進入相鄰的兩條訊號線中，在訊號接收端，兩個相同的干擾訊號分別進入差分放大器的兩個反相輸入端後，輸出電 壓為0。所以說，差分訊號技術對干擾訊號具有很強的免疫力。對於序列 傳輸來說，LVDS能夠低於外來干擾；而對於並行傳輸來說，LVDS可以不僅能夠抵禦外來干擾，還能夠抵禦資料傳輸線之間的串擾。

　　因為上述原因，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 10m，傳輸速率可達400 Mbps；當電纜長度增加到20m時，速率降為100 Mbps；而當電纜長度為100m時，速率只能達到10 Mbps左右。

　　LVDS最早由美國國家半導體公司提出的一種高速序列訊號傳輸電平，由於它傳輸速度快，功耗低，抗干擾能力強，傳輸距離遠，易於匹配等優點，迅 速得到諸多晶片製造廠商和應用商的青睞，並通過TIA/EIA（Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association）的確認，成為該組織的標準（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。

　　在近距離資料傳輸中，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類電纜線及連線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 使提高資料傳輸率和降低功耗成為可能。因此，USB 、SATA、PCI Express以及HyperTransport普遍採用LVDS技術，LCD中控制電路向液晶屏傳送畫素亮度控制訊號，也採用了LVDS方式。

　　四、新序列時代已經到來

       差分傳輸技術不僅突破了速度瓶頸，而且使用小型連線可以節約空間。因此，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序列 連線標準，幾乎覆蓋了主機板匯流排和外部I／O埠，呈現出從並行整體轉移到新序列時代的大趨勢，序列介面技術的應用在2005年將進入鼎盛時期（圖8）。

           圖8  所有的I/O技術都將採用序列方式

　　●     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干擾，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，設計師轉向從高速序列訊號尋找出路，因為序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，簡化電路板佈線，降低製造成本。Intel的PCI Express、AMD的HyperTansport以及RAMBUS公司的redwood等第三代I/O匯流排標準（3GI/O）不約而同地將低壓差分信 號（LVDS）作為新一代高速訊號電平標準。

          圖9  PCI Express 1X資料通道

        一個典型的PCI Express通道如圖9所示，通訊雙方由兩個差分訊號對構成雙工通道，一對用於傳送，一對用於接收。4條物理線路構成PCI Express 1X。PCI Express 標準中定義了1X、2X、4X和16X。PCI Express 16X擁有最多的物理線路（16×4＝64）。

　　即便採用最低配置的1X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享匯流排方式，而PCI Express採用所謂的“端對端連線”（如圖10），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10  PCI Express端對端連線消除了橋路

       AMD的HyperTransport技術與PCI Express極其相似，同樣採用LVDS資料通道，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技術現在被用於南北橋之間的快速通訊，今後還將用於其它晶片間的連線。

　　●     Serial ATA，為高速硬碟插上翅膀

　　在ATA-33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ATA-66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干擾。增加地線後，資料線與地線之間仍然存在分佈電容C2，還是無法徹底解決干擾問題，使得並行ATA介面的最高 頻率停留在133MHz上。除了訊號干擾這一根本原因之外，並行PATA 還存在不支援熱插拔和容錯性差等問題，採用Serial ATA才完成脫胎換骨的蛻變，使問題得到了解決。

　　Serial ATA 是Intel 公司在IDF 2000 上推出的概念，此後Intel 聯合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor等幾家巨頭，於2001年正式推出了SATA 1.0 規範。而在IDF2002春季論壇上，SATA 2.0 規範也已經公佈。

　　Serial ATA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，資料傳輸率為150MBps，與ATA-133介面133MBps的速度略有提高，但未來的SATA 2.0/3.0可提升到300MBps以至600MBps。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。

           圖11  並行ATA的線間串擾

　　●   FireWire，影象傳輸如虎添翼

　　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 之外的另一個高速序列 通訊標準。FireWire最早的應用目標為攝錄裝置傳送數字影象訊號，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，並給它起了個很好聽的名字i.Link。

　　FireWire資料傳輸率與USB 相當，單通道頻寬為400Mbps，通訊距離為4.5m。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，更是將其最大資料傳輸速率確定為1.6Gbps，相鄰裝置之間連線電纜的最大長度可擴充套件到100m。

　　五、序列 口能紅到哪天？

　　閱讀本文之後，如果有人問你關於序列通訊與並行通訊哪個更好的問題，你也許會脫口而出：序列通訊好！但是，我要告訴你，新型序列口之所以走紅， 那是因為採用了四根訊號線代替了傳統兩根訊號線的訊號傳輸方式，由單端訊號傳輸轉變為差分訊號傳輸的原因，而“在相同頻率下並行通訊速度更高”這個基本的 道理是永遠不會錯的，通過增加位寬來提高資料傳輸率的並行策略仍將發揮重要作用。

　　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，差分傳輸技術是否還能滿足要求？是否需要另一種更好的技術來完成頻率的另一次突破呢？讓我們共同關注。