总线揭密：串行传输VS并行传输

近两年，大家听得最多的一个词可能就是串行传输了。从技术发展的情况来看，串行传输方式大有彻底取代并行传输方式的势头，USB取代 IEEE 1284，SATA取代PATA，PCI Express取代PCI……

从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条 多车道的宽阔大道，而串行传输则是仅能允许一辆汽车通过的乡间公路。以古老而又典型的标准并行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗称COM口)为例，并行接口的位宽为8，数据传输率高；而串行接口只有1位，数据传输速度低。在串行口传送1位的时间内，并行口可以传送一个字节。当并行口完成单词“advanced”的传送任务时，串行口中仅传送了这个单词的首字母“a”。

图1：H6A-2-1.TIF 并行接口速度是串行接口的8倍

那么，现在的串行传输方式为何会更胜一筹呢？

一、并行传输技术遭遇发展困境

电脑中的总线和接口是主机与外部设备间传送数据的“大动脉”，随着处理器速度的节节攀升，总线和接口的数据传输速度也需要逐步提高，否则就会成为电脑发展的瓶颈。

图2PC总线的发展

我们先来看看总线的情况。1981年第一台PC中以ISA总线为标志的开放式体系结构，使用了ISA总线，数据总线为8位，工作频率为8.33MHz，这在当时却已经算作“先进技术（Advanced Technology）”了，所以ISA总线还有另一个名字“AT总线”。到了286时，ISA的位宽提高到了16位，为了保持与8位的ISA兼容，工作频率仍为8.33MHz。ISA总线虽然只有16MBps的数据传输率，但直到386时代，都一直是主板与外部设备间最快的数据通道。

到了486时代，同时出现了PCI和VESA两种更快的总线标准，它们具有相同的位宽（32位），但PCI总线能够与处理器异步运行，当处理器的频率增加时，PCI总线频率仍然能够保持不变，可以选择25MHz、30MHz和33MHz三种频率。而VESA总线与处理器同步工作，因而随着处理器频率的提高，VESA总线类型的外围设备工作频率也得随着提高，适应能力较差，因此很快失去了竞争力。PCI总线标准成为Pentium时代PC总线的王者，硬盘控制器、声卡到网卡，全部使用PCI插槽。而显卡方面对数据传输速度要求更高，出现了专用的AGP，

并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达，另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误。因此，并行方式难以实现高速化。从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致主板和扩充板上的布线数目随之增加，成本随之攀升。

在外部接口方面，我们知道IEEE 1284并行口的速率可达300kBps，传输图形数据时采用压缩技术可以提高到2MBps，而RS-232C标准串行口的数据传输率通常只有20kbps，并行口的数据传输率无疑要胜出一筹。因此十多年来，并行口一直是打印机首选的连接方式。对于仅传输文本的针式打印机来说，IEEE 1284并行口的传输速度可以说是绰绰有余的。但是，对于近年来一再提速的激光打印机来说，情况发生了变化。笔者使用爱普生6200L在打印2MB图片时，速度差异不甚明显，但在打印7.5MB大小的图片文件时，从点击“打印”到最终出纸，使用USB接口用了18秒，而使用并行口时，用了33秒。这一测试结果说明，现行的并行口对于时下流行的激光打印机来说，已经力难胜任了。

二、USB，串行接口欲火重生

凤凰涅槃，浴火重生。1995年，由Compaq、Intel、Microsoft和NEC等几家公司推出的USB接口首次出现在PC 机上，1998年起即进入大规模实用阶段，作为IEEE 1284并行口和RS-232C串行口的接班人，USB现在已经呈现出大红大紫了。

USB虽然只有一位的位宽，但数据传输速度却比并行口要高，而且具有很大的发展空间。USB设备通信速率的自适应性，使得它可以自动选择HS（High- Speed，高速，480 Mbps）、FS（Full-Speed，全速，12Mbps）和LS（Low-Speed，低速，1.5Mbps）三种模式中的一种。USB总线还具有自动的设备检测能力，设备插入之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备，免除了增减设备时必须关闭PC机的麻烦。

图3采用差模信号传送方式的USB

图4 差分传输方式具有更好的抗干扰性能

USB接口之所以能够获得很高的数据传输率，主要是因为其摒弃了常规的单端信号传输方式，转而采用差分信号（differenTIal signal）传输技术，有效地克服了因天线效应对信号传输线路形成的干扰，以及传输线路之间的串扰。USB接口中两根数据线采用相互缠绕的方式，形成了双绞线结构，如图3。