總線(xiàn)揭密：串行傳輸VS并行傳輸

　　從原理來(lái)看，并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式。通俗地講，并行傳輸的通路猶如一條 多車(chē)道的寬闊大道，而串行傳輸則是僅能允許一輛汽車(chē)通過(guò)的鄉間公路。以古老而又典型的標準并行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗稱(chēng)COM口)為例，并行接口的位寬為8，數據傳輸率高；而串行接口只有1位，數據傳輸速度低。在串行口傳送1位的時(shí)間內，并行口可以傳送一個(gè)字節。當并行口完成單詞“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(xiàn)和接口是主機與外部設備間傳送數據的“大動(dòng)脈”，隨著(zhù)處理器速度的節節攀升，總線(xiàn)和接口的數據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(xiàn)的發(fā)展

　　到了486時(shí)代，同時(shí)出現了PCI和VESA兩種更快的總線(xiàn)標準，它們具有相同的位寬（32位），但PCI總線(xiàn)能夠與處理器異步運行，當處理器的頻率增加時(shí)，PCI總線(xiàn)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(xiàn)與處理器同步工作，因而隨著(zhù)處理器頻率的提高，VESA總線(xiàn)類(lèi)型的外圍設備工作頻率也得隨著(zhù)提高，適應能力較差，因此很快失去了競爭力。PCI總線(xiàn)標準成為Pentium時(shí)代PC總線(xiàn)的王者，硬盤(pán)控制器、聲卡到網(wǎng)卡，全部使用PCI插槽。而顯卡方面對數據傳輸速度要求更高，出現了專(zhuān)用的AGP，

　　并行數據傳輸技術(shù)向來(lái)是提高數據傳輸率的重要手段，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，用同一時(shí)序接收信號，而過(guò)分提升時(shí)鐘頻率將難以讓數據傳送的時(shí)序與時(shí)鐘合拍，布線(xiàn)長(cháng)度稍有差異，數據就會(huì )以與時(shí)鐘不同的時(shí)序送達，另外，提升時(shí)鐘頻率還容易引起信號線(xiàn)間的相互干擾，導致傳輸錯誤。因此，并行方式難以實(shí)現高速化。從制造成本的角度來(lái)說(shuō)，增加位寬無(wú)疑會(huì )導致主板和擴充板上的布線(xiàn)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并行口的速率可達300kBps，傳輸圖形數據時(shí)采用壓縮技術(shù)可以提高到2MBps，而RS-232C標準串行口的數據傳輸率通常只有20kbps，并行口的數據傳輸率無(wú)疑要勝出一籌。因此十多年來(lái)，并行口一直是打印機首選的連接方式。對于僅傳輸文本的針式打印機來(lái)說(shuō)，IEEE 1284并行口的傳輸速度可以說(shuō)是綽綽有余的。但是，對于近年來(lái)一再提速的激光打印機來(lái)說(shuō)，情況發(fā)生了變化。筆者使用愛(ài)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。這一測試結果說(shuō)明，現行的并行口對于時(shí)下流行的激光打印機來(lái)說(shuō)，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接口首次出現在PC 機上，1998年起即進(jìn)入大規模實(shí)用階段，作為IEEE 1284并行口和RS-232C串行口的接班人，USB現在已經(jīng)呈現出大紅大紫了。

USB雖然只有一位的位寬，但數據傳輸速度卻比并行口要高，而且具有很大的發(fā)展空間。USB設備通信速率的自適應性，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(xiàn)還具有自動(dòng)的設備檢測能力，設備插入之后，操作系統軟件會(huì )自動(dòng)地檢測、安裝和配置該設備，免除了增減設備時(shí)必須關(guān)閉PC機的麻煩。

圖3采用差模信號傳送方式的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，轉而采用差分信號（differenTIal signal）傳輸技術(shù)，有效地克服了因天線(xiàn)效應對信號傳輸線(xiàn)路形成的干擾，以及傳輸線(xiàn)路之間的串擾。USB接口中兩根數據線(xiàn)采用相互纏繞的方式，形成了雙絞線(xiàn)結構，如圖3。

　　圖4是由兩根信號線(xiàn)纏繞在環(huán)狀鐵氧體磁芯上構成的扼流線(xiàn)圈。在單端信號傳輸方式下，線(xiàn)路受到電磁輻射干擾而產(chǎn)生共模電流時(shí)，磁場(chǎng)被疊加變成較高的線(xiàn)路阻抗，這樣雖然降低了干擾，但有效信號也被衰減了。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(xiàn)路阻抗。換句話(huà)說(shuō)，差動(dòng)傳輸方式下使用共模扼流線(xiàn)圈，既能達到抗干擾的目的，又不會(huì )影響信號傳輸。

　　差分信號傳輸體系中，傳輸線(xiàn)路無(wú)需屏蔽即可取得很好的抗干擾性能，降低了連接成本。不過(guò)，由于USB接口3.3V的信號電平相對較低，最大通信距離只有5m。USB規范還限制物理層的層數不超過(guò)7層，這意味著(zhù)用戶(hù)可以通過(guò)最多使用5個(gè)連接器，將一個(gè)USB設備置于距離主機最遠為30m的位置。

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

　雙絞線(xiàn)互相纏繞的目的是利用銅線(xiàn)中電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)互相作用抵消鄰近線(xiàn)路的干擾并減少來(lái)自外界的干擾。每對線(xiàn)在每英寸長(cháng)度上相互纏繞的次數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，所支持的數據傳輸率越高，制造成本當然也相應提高。雙絞線(xiàn)即使外面沒(méi)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(xiàn)（UTP）便能滿(mǎn)足傳輸100Mbps信號的要求，且通信距離可以達到100m。

　　三、差分信號技術(shù)：高速信號傳輸的金鑰匙

　　電腦發(fā)展史就是追求更快速度的歷史，隨著(zhù)總線(xiàn)頻率的提高，所有信號傳輸都遇到了同樣的問(wèn)題：線(xiàn)路間的電磁干擾越厲害，數據傳輸失敗的發(fā)生機率就越高，傳統的單端信號傳輸技術(shù)無(wú)法適應高速總線(xiàn)的需要。于是差分信號技術(shù)就開(kāi)始在各種高速總線(xiàn)中得到應用，我們已經(jīng)知道，USB實(shí)現高速信號傳輸的秘訣在于采用了差分信號傳輸方式。