Tại sao truyền dẫn nối tiếp kỹ thuật số được sử dụng ở khắp mọi nơi? tức là SATA, PCIe, USB

Khi nhìn vào SATA, PCIe, USB, SD UHS-II, tôi nhận ra rằng tất cả chúng đều giống nhau: dòng bit nối tiếp kỹ thuật số, được truyền bằng các cặp vi sai (thường được mã hóa 8b / 10b), với một số khác biệt trong các lớp liên kết / giao thức.
Tại sao vậy? Tại sao điều này trở thành tiêu chuẩn?
Tại sao không có giao thức truyền thông hệ thống rộng rãi sử dụng nhiều phương pháp điều chế tiên tiến để có tỷ lệ ký hiệu tốt hơn? Tui bỏ lỡ điều gì vậy? Đây không phải là một câu hỏi về "nối tiếp so với song song" mà là một câu hỏi về "tín hiệu số so với tín hiệu tương tự"

Tại sao không có giao thức truyền thông hệ thống rộng rãi sử dụng nhiều phương pháp điều chế nâng cao để có tỷ lệ ký hiệu tốt hơn?

Nếu kết nối đồng cơ bản giữa hai điểm hỗ trợ tốc độ bit kỹ thuật số vượt quá tốc độ dữ liệu cần được truyền bởi "ứng dụng", vậy thì tại sao phải bận tâm với bất cứ điều gì khác ngoài tín hiệu tốc độ cao vi sai tiêu chuẩn?

Sử dụng sơ đồ điều chế nâng cao thường được thực hiện khi "kênh" có băng thông bị giới hạn hơn nhiều so với đồng hoặc sợi.

Có hai lý do chính cho sự gia tăng của nối tiếp

1) Có thể. Các bóng bán dẫn chi phí thấp đã có thể quản lý chuyển mạch GHz trong một thập kỷ nay, đủ lâu để khả năng được sử dụng và trở thành tiêu chuẩn.

2) Nó cần thiết. Nếu bạn muốn thay đổi dữ liệu tốc độ rất cao hơn một vài inch. Khoảng cách này bắt đầu loại trừ mobo với các liên kết thẻ PCI và chắc chắn loại trừ mobo sang đĩa cứng hoặc mobo / settopbox để hiển thị các kết nối.

Lý do cho điều này là sai lệch. Nếu bạn truyền một số tín hiệu song song dọc theo cáp, thì chúng phải đến trong một phần nhỏ của cùng một khoảng thời gian. Điều này giữ cho tốc độ xung nhịp giảm, vì vậy chiều rộng cáp phải tăng. Khi tốc độ dữ liệu tăng lên, điều đó càng trở nên khó hiểu. Triển vọng tăng tỷ lệ trong tương lai là ATA không tồn tại, gấp đôi hay gấp bốn lần chiều rộng?

Cách để tiêu diệt quỷ xiên là đi nối tiếp. Một dòng luôn được đồng bộ hóa với chính nó, không có gì để nó bị sai lệch. Dòng mang dữ liệu tự đồng hồ. Đó là, sử dụng sơ đồ mã hóa dữ liệu (thường là 8b / 10b, đôi khi cao hơn nhiều) cung cấp mật độ chuyển tiếp được đảm bảo tối thiểu cho phép trích xuất đồng hồ.

Triển vọng tăng tốc độ dữ liệu hoặc khoảng cách đến tương lai là tuyệt vời. Mỗi thế hệ mang đến các bóng bán dẫn nhanh hơn và nhiều kinh nghiệm hơn trong việc chế tạo các trung gian. Chúng tôi đã thấy cách nó phát ra với SATA, khởi đầu ở tốc độ 1,5Gb / giây, sau đó chuyển qua 3 và bây giờ là 6Gb / giây. Ngay cả các loại cáp giá rẻ cũng có thể cung cấp đủ trở kháng phù hợp và tổn thất hợp lý, và bộ cân bằng được tích hợp vào silicon giao diện để xử lý tổn thất phụ thuộc tần số. Sợi quang có sẵn cho các hoạt động rất dài.

Đối với tốc độ dữ liệu cao hơn, một số liên kết nối tiếp có thể được vận hành song song. Điều này không giống như đặt các dây dẫn song song, phải được khớp kịp thời ít hơn một chu kỳ đồng hồ. Các làn nối tiếp này chỉ cần được khớp với trong khung dữ liệu mức cao, có thể là các Lát hoặc thậm chí là ms.

Tất nhiên, lợi thế về độ rộng dữ liệu không chỉ áp dụng cho cáp và đầu nối. Nối tiếp cũng có lợi cho khu vực bảng PCB giữa các đầu nối và chip, sơ đồ chân chip và khu vực silicon chip.

Tôi có một góc độ cá nhân về điều này. Là một nhà thiết kế làm việc trên đài phát thanh được xác định bằng phần mềm (SDR) từ những năm 90 trở đi, tôi thường sử dụng đường ray cho những người như Analog Devices và Xilinx (và tất cả các công ty ADC và FPGA khác) (thỉnh thoảng họ sẽ ghé thăm và hỏi chúng tôi) khiến tôi chạy rất nhiều kết nối vi sai song song giữa các ADC và GPU đa 100 MHz, khi chúng tôi mới bắt đầu thấy SATA xuất hiện để thay thế ATA. Cuối cùng chúng tôi đã có JESD204x, vì vậy bây giờ chúng tôi có thể kết nối các bộ chuyển đổi và đồ họa chỉ với một vài dòng nối tiếp.

Nếu bạn muốn một ví dụ về một cái gì đó được sử dụng rộng rãi, nhưng khác nhau, hãy xem Ethernet gigabit 1000BASE-T. Điều đó sử dụng cáp song song và mã hóa tín hiệu không tầm thường.

Hầu hết, mọi người sử dụng xe buýt nối tiếp vì chúng đơn giản. Xe buýt song song sử dụng nhiều cáp hơn và bị lệch tín hiệu ở tốc độ dữ liệu cao so với cáp dài.

Để thêm vào các câu trả lời tốt khác:

Các vấn đề được lưu ý trong các câu trả lời khác (đáng chú ý nhất là độ lệch giữa các tín hiệu song song và chi phí của dây phụ trong cáp) tăng khi khoảng cách của tín hiệu tăng. Do đó, có một khoảng cách mà nối tiếp trở nên vượt trội so với song song và khoảng cách đó đã giảm dần khi tốc độ dữ liệu tăng lên.

Truyền dữ liệu song song vẫn xảy ra: bên trong chip và hầu hết các tín hiệu trong bảng mạch. Tuy nhiên, khoảng cách cần thiết của các thiết bị ngoại vi bên ngoài - và thậm chí bởi các ổ đĩa trong - hiện quá xa và quá nhanh để các giao diện song song vẫn còn thực tế. Do đó, các tín hiệu mà người dùng cuối bây giờ sẽ được đưa ra phần lớn là nối tiếp.

Các kỹ thuật điều chế nâng cao sẽ yêu cầu bạn truyền và nhận tín hiệu tương tự. ADC và DAC chạy ở hàng trăm MHz có xu hướng đắt tiền và tiêu thụ khá nhiều năng lượng. Xử lý tín hiệu cần thiết để giải mã cũng tốn kém về silicon và năng lượng.

Nó đơn giản là rẻ hơn để tạo ra một phương tiện truyền thông tốt hơn có thể hỗ trợ tín hiệu nhị phân.

Tại sao luồng bit nối tiếp trở nên phổ biến?

Sử dụng các liên kết nối tiếp có lợi thế là nó làm giảm kích thước vật lý của kết nối. Các kiến ​​trúc mạch tích hợp hiện đại có rất nhiều chân trên chúng đến nỗi điều này tạo ra một nhu cầu mạnh mẽ để giảm thiểu các nhu cầu kết nối vật lý trên thiết kế của chúng. Điều này dẫn đến việc phát triển các mạch hoạt động ở tốc độ cực cao tại các giao diện của các mạch này bằng các giao thức nối tiếp. Vì lý do tương tự, việc giảm thiểu các nhu cầu kết nối vật lý ở bất kỳ nơi nào khác trong bất kỳ liên kết dữ liệu nào khác là điều tự nhiên.

Nhu cầu ban đầu cho loại công nghệ này cũng có thể có nguồn gốc từ các thiết kế truyền dữ liệu sợi quang.

Một khi công nghệ hỗ trợ các liên kết tốc độ cao trở nên rất phổ biến, việc áp dụng nó ở nhiều nơi khác là điều tự nhiên, bởi vì kích thước vật lý của các kết nối nối tiếp nhỏ hơn nhiều so với kết nối song song.

Tại sao không có giao thức truyền thông hệ thống rộng rãi sử dụng nhiều phương pháp điều chế tiên tiến để có tỷ lệ ký hiệu tốt hơn?

Ở cấp độ mã hóa, các sơ đồ mã hóa cho giao tiếp kỹ thuật số có thể đơn giản như NRZ (Non-Return to Zero) , Mã dòng phức tạp hơn một chút (ví dụ 8B / 10B) , hoặc phức tạp hơn nhiều, như QAM (Điều chế biên độ cầu phương) .

Sự phức tạp làm tăng thêm chi phí, nhưng các lựa chọn cũng phụ thuộc vào các yếu tố cuối cùng dựa vào lý thuyết thông tin và giới hạn năng lực của một liên kết. Định luật Shannon, từ Định lý Shannon-Hartley mô tả công suất tối đa của một kênh (nghĩ đó là "kết nối" hoặc "liên kết"):

Dung lượng tối đa tính theo bit / giây = Băng thông * Log2 (1 + Tín hiệu / nhiễu)

Đối với các liên kết vô tuyến (một cái gì đó như LTE hoặc WiFi), băng thông sẽ bị hạn chế, thường là theo quy định của pháp luật. Trong những trường hợp đó, QAM và các giao thức phức tạp tương tự có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu cao nhất có thể. Trong những trường hợp này, tỷ lệ tín hiệu / nhiễu thường khá thấp (10 đến 100, hoặc, ở mức decibel 10 đến 20 dB). Nó chỉ có thể tăng quá cao trước khi đạt đến giới hạn trên dưới băng thông cho trước và tỷ lệ tín hiệu / nhiễu nhất định.

Đối với một liên kết dây, băng thông không được quy định bởi bất cứ điều gì ngoài tính thực tế của việc thực hiện. Liên kết dây có thể có tỷ lệ nhiễu tín hiệu rất cao, lớn hơn 1000 (30 dB). Như đã đề cập trong các câu trả lời khác, băng thông bị giới hạn bởi thiết kế của các bóng bán dẫn điều khiển dây và nhận tín hiệu, và trong thiết kế của chính dây (một đường truyền).

Khi băng thông trở thành một yếu tố giới hạn nhưng tín hiệu cho tỷ lệ nhiễu thì không, nhà thiết kế tìm các cách khác để tăng tốc độ dữ liệu. Nó trở thành một quyết định kinh tế cho dù đi đến một chương trình mã hóa phức tạp hơn hay đi đến nhiều dây hơn:

Bạn thực sự sẽ thấy các giao thức nối tiếp / song song được sử dụng khi một dây vẫn còn quá chậm. PCI-Express thực hiện điều này để khắc phục các giới hạn băng thông của phần cứng bằng cách sử dụng nhiều làn.

Trong truyền dẫn sợi, họ không phải thêm nhiều sợi (mặc dù họ có thể sử dụng các sợi khác nếu chúng đã được đặt đúng chỗ và không được sử dụng). Có thể sử dụng ghép kênh phân chia sóng . Nói chung, điều này được thực hiện để cung cấp nhiều kênh song song độc lập và vấn đề sai lệch được đề cập trong các câu trả lời khác không phải là mối quan tâm đối với các kênh độc lập.

Đi bốn xe tải bán với một trọng tải. Bốn làn đường mỗi bên đường cao tốc. Để các xe tải vận chuyển thành công tải trọng song song, chúng phải nằm cạnh nhau một cách hoàn hảo, người ta không thể đi trước hoặc phía sau những người khác hơn một inch. Đồi, đường cong, không quan trọng. Thay đổi quá nhiều và nó hoàn toàn thất bại.

Nhưng có họ đi một làn và khoảng cách giữa họ có thể khác nhau. Mặc dù đúng là tuyến tính phải mất hơn bốn lần khoảng cách từ phía trước của chiếc xe tải đầu tiên đến phía sau của chiếc xe tải cuối cùng để di chuyển trọng tải, nhưng chúng không phải cách nhau một cách hoàn hảo. Chỉ trong phạm vi chiều dài của một chiếc xe tải, nó phải có cabin và tải trọng và chiều dài của tải trọng để được định vị và cách đều nhau.

Chúng thậm chí còn đi xa đến mức song song, pcie, mạng, v.v., nhưng trong khi đó là nhiều đường dữ liệu riêng biệt về mặt kỹ thuật, chúng không song song ở chỗ chúng phải rời đi và đến cùng một lúc, sử dụng xe tải tương tự bốn xe tải có thể lái xe trên bốn làn đường song song nhưng có thể khác nhau, các xe tải được đánh dấu bằng làn đường nào chúng đến để khi đến đầu kia, tải trọng có thể được kết hợp trở lại vào tập dữ liệu gốc. Và / hoặc mỗi làn có thể là một bộ dữ liệu một cách an toàn và bằng cách có nhiều làn hơn, bạn có thể di chuyển nhiều bộ dữ liệu cùng một lúc.

Là một bổ sung cho nhận xét của Dmitry Grigoryev .

Truyền dẫn tương tự dễ bị lỗi hơn so với truyền kỹ thuật số. Ví dụ, một truyền dẫn nối tiếp kỹ thuật số có các xung nhịp, trong đó tín hiệu tương tự bằng cách nào đó nổi giữa 0V và VDD. Vì vậy, các can nhiễu là cách khó phát hiện hơn. Người ta có thể tính đến điều đó và sử dụng tín hiệu vi sai, như được thực hiện trong Audio.

Nhưng sau đó, bạn chạy vào tốc độ đó so với sự đánh đổi chính xác của các bộ xử lý tín hiệu / ADC. Nếu bạn phải nói chuyện với các hệ thống kỹ thuật số với nhau, việc sử dụng truyền kỹ thuật số sẽ hợp lý hơn vì bạn không cần phải mất thời gian dịch DA-AD.

Tuy nhiên, nếu bạn có một máy tính tương tự chạy trên điện áp điều khiển tương tự, vẫn còn một số xung quanh, chúng trông giống như các synth mô-đun tương tự về cơ bản, mọi thứ đều khác nhau và thông thường bạn chỉ có thể xây dựng các máy tính tương tự cho các tác vụ cụ thể. Trình bày hài hước bằng tiếng Đức về điện toán tương tự.

Nói về synth mô-đun tương tự, chúng cũng là một số loại máy tính tương tự, đặc biệt được thiết kế để thực hiện các phép đo thay đổi tín hiệu.

Vì vậy, có truyền dẫn tương tự trong điện toán, nhưng giới hạn trong các lĩnh vực rất cụ thể.