Tại sao truyền dữ liệu nối tiếp nhanh hơn song song?

Theo trực giác, bạn sẽ nghĩ rằng truyền dữ liệu song song nên nhanh hơn truyền dữ liệu nối tiếp; song song, bạn đang chuyển nhiều bit cùng một lúc, trong khi nối tiếp bạn đang thực hiện từng bit một.

Vậy điều gì làm cho giao diện SATA nhanh hơn PATA, thiết bị PCI-e nhanh hơn PCI và cổng nối tiếp nhanh hơn song song?

Bạn không thể xây dựng nó theo cách này.

Truyền nối tiếp chậm hơn truyền song song với cùng tần số tín hiệu . Với truyền song song, bạn có thể chuyển một từ trong mỗi chu kỳ (ví dụ 1 byte = 8 bit) nhưng với truyền truyền nối tiếp chỉ một phần của nó (ví dụ 1 bit).

Lý do các thiết bị hiện đại sử dụng truyền dẫn nối tiếp là như sau:

• Bạn không thể tăng tần số tín hiệu cho truyền song song mà không giới hạn, bởi vì, theo thiết kế, tất cả các tín hiệu từ máy phát cần đến máy thu cùng lúc . Điều này không thể được đảm bảo cho tần số cao, vì bạn không thể đảm bảo rằng thời gian truyền tín hiệu bằng nhau cho tất cả các đường tín hiệu (nghĩ về các đường dẫn khác nhau trên bo mạch chính). Tần số càng cao, sự khác biệt càng nhỏ. Do đó, người nhận phải đợi cho đến khi tất cả các đường tín hiệu được giải quyết - rõ ràng, chờ đợi làm giảm tốc độ truyền.

• Một điểm tốt khác (từ bài đăng này ) là người ta cần xem xét nhiễu xuyên âm với các đường tín hiệu song song. Tần số càng cao, nhiễu xuyên âm càng rõ và với nó, xác suất của từ bị hỏng càng cao và nhu cầu truyền lại từ đó càng cao. ¹

Vì vậy, ngay cả khi bạn truyền ít dữ liệu hơn trong mỗi chu kỳ bằng truyền nối tiếp, bạn có thể chuyển đến tần số cao hơn nhiều dẫn đến tốc độ truyền ròng cao hơn.

¹ Điều này cũng giải thích tại sao UDMA-Cáp (Parallel ATA với tốc độ truyền tăng) có số dây gấp đôi so với chân. Mỗi dây thứ hai được nối đất để giảm nhiễu xuyên âm.

Vấn đề là đồng bộ hóa.

Khi bạn gửi song song, bạn phải đo tất cả các dòng tại cùng một thời điểm chính xác, khi bạn đi nhanh hơn kích thước của cửa sổ cho thời điểm đó ngày càng nhỏ hơn, cuối cùng nó có thể nhỏ đến mức một số dây vẫn có thể ổn định trong khi những người khác đã hoàn thành trước khi bạn hết thời gian

Bằng cách gửi nối tiếp, bạn không còn phải lo lắng về tất cả các dòng ổn định, chỉ một dòng. Và sẽ hiệu quả hơn về chi phí khi làm cho một dòng ổn định nhanh hơn 10 lần so với thêm 10 dòng ở cùng tốc độ.

Một số thứ như PCI Express làm tốt nhất cả hai thế giới, chúng thực hiện một bộ kết nối nối tiếp song song (cổng 16x trên bo mạch chủ của bạn có 16 kết nối nối tiếp). Bằng cách đó, mỗi dòng không cần phải đồng bộ hoàn hảo với các dòng khác, miễn là bộ điều khiển ở đầu kia có thể sắp xếp lại "gói" dữ liệu khi chúng sử dụng đúng thứ tự.

Trang How Stuff hoạt động cho PCI-Express khám phá rất sâu về cách thức PCI Express nối tiếp có thể nhanh hơn so với PCI hoặc PCI-X song song.

Phiên bản TL; DR: Dễ dàng thực hiện một kết nối nhanh hơn 16 lần so với 8 kết nối nhanh hơn 2 lần khi bạn có tần số rất cao.

Song song vốn không chậm hơn, nhưng nó đưa ra những thách thức về những gì giao tiếp nối tiếp không có.

Nhưng nhiều liên kết nhanh nhất vẫn song song: Xe buýt phía trước trong máy tính của bạn thường rất song song và thường nằm trong số các liên kết nhanh nhất trong máy tính. Các kết nối sợi quang cũng có thể rất song song bằng cách mang nhiều bước sóng trên một sợi quang. Điều này là đắt tiền và do đó không phải là điển hình. Hình thức phổ biến nhất của Gigabit ethernet thực tế là 4 kênh song song của Ethernet 250Mbit trong một dây.

Thách thức rõ rệt nhất được đưa ra bởi song song là "nhiễu xuyên âm": khi dòng tín hiệu bắt đầu hoặc dừng, nó sẽ tạo ra một dòng điện nhỏ trên các dây bên cạnh nó. Tín hiệu càng nhanh, điều này càng xảy ra thường xuyên và càng khó lọc ra. Parallel IDE đã cố gắng giảm thiểu vấn đề này bằng cách nhân đôi số lượng dây trong cáp ruy băng và kết nối mọi dây khác với mặt đất. Nhưng giải pháp đó chỉ đưa bạn đến nay. Cáp dài, nếp gấp và vòng lặp, và sự gần gũi với các loại cáp ruy băng khác đều làm cho điều này trở thành một giải pháp không đáng tin cậy cho tín hiệu tốc độ rất cao.

Nhưng nếu bạn chỉ đi với một đường tín hiệu, thì bạn có thể tự do chuyển đổi nó nhanh như phần cứng của bạn sẽ cho phép. Nó cũng giải quyết các vấn đề đồng bộ tinh tế với một số tín hiệu truyền nhanh hơn các tín hiệu khác.

Về mặt lý thuyết, hai dây luôn nhanh gấp hai lần một dây, nhưng mỗi đường tín hiệu bạn thêm vào làm phức tạp hóa vật lý, có thể tốt hơn để tránh.

Truyền dữ liệu nối tiếp không nhanh hơn song song. Nó thuận tiện hơn và do đó, sự phát triển đã đi vào thực hiện giao tiếp nối tiếp bên ngoài nhanh giữa các đơn vị thiết bị. Không ai muốn đối phó với dây cáp ruy băng có từ 50 dây dẫn trở lên.

Giữa các chip trên bảng mạch, một giao thức nối tiếp như I2C chỉ cần hai dây sẽ dễ xử lý hơn nhiều so với việc định tuyến nhiều dấu vết song song.

Nhưng có rất nhiều ví dụ bên trong máy tính của bạn, nơi sử dụng song song để tăng băng thông một cách ồ ạt. Chẳng hạn, các từ không được đọc từng bit một từ bộ nhớ. Và trên thực tế, cache được nạp lại trong các khối lớn. Hiển thị raster là một ví dụ khác: truy cập song song vào nhiều ngân hàng bộ nhớ để có được các pixel nhanh hơn, song song. Bộ nhớ bandwith phụ thuộc rất nhiều vào sự song song.

Thiết bị DAC này được Tektronix gọi là "Bộ xử lý tốc độ cao 10 bit có bán trên thị trường nhanh nhất thế giới" sử dụng song song để đưa dữ liệu vào trong hơn 320 dòng, được giảm xuống còn 10 qua hai giai đoạn ghép kênh được điều khiển bởi các bộ phận khác nhau của đồng hồ 12 GHZ chính. Nếu bộ xử lý 10 bit nhanh nhất thế giới có thể được tạo bằng một dòng đầu vào nối tiếp duy nhất, thì có lẽ nó sẽ như vậy.

Song song là cách rõ ràng để tăng tốc độ khi các cổng logic đủ chậm để bạn có thể sử dụng các kỹ thuật điện tương tự cho xe buýt / cáp và truyền trên chip. Nếu bạn đã bật dây nhanh như bóng bán dẫn cho phép, thì cách duy nhất để mở rộng quy mô là sử dụng nhiều dây hơn.

Theo thời gian, định luật Moore đã vượt qua các ràng buộc điện từ để việc truyền qua cáp, hoặc thậm chí là xe buýt trên tàu trở thành một nút cổ chai so với tốc độ trên chip. OTOH, sự chênh lệch tốc độ cho phép xử lý tinh vi ở hai đầu để sử dụng kênh hiệu quả hơn.

• Khi độ trễ của propogation đạt đến thứ tự của một vài đồng hồ, bạn bắt đầu lo lắng về các hiệu ứng tương tự như phản xạ => bạn cần trở kháng phù hợp trên đường đi (đặc biệt là khó khăn cho các đầu nối) và thích dây nối điểm trên xe buýt đa điểm. Đó là lý do tại sao SCSI cần chấm dứt và đó là lý do tại sao USB cần các bộ chia thay vì các bộ chia đơn giản.

• Ở tốc độ cao hơn, bạn có nhiều bit trong chuyến bay tại bất kỳ thời điểm nào dọc theo dây => bạn cần sử dụng các giao thức đường ống (đó là lý do tại sao các giao thức FSB của Intel trở nên phức tạp khủng khiếp; Tôi nghĩ các giao thức được đóng gói như PCIe là một phản ứng đối với sự phức tạp này).

  Một hiệu ứng khác là hình phạt nhiều chu kỳ đối với việc chuyển hướng của luồng tín hiệu, đó là lý do tại sao Firewire và SATA và PCIe sử dụng dây chuyên dụng cho mỗi hướng vượt trội hơn USB 2.0.

• Tiếng ồn cảm ứng, còn gọi là nhiễu xuyên âm, tăng theo tần số. Bước tiến lớn nhất về tốc độ đến từ việc áp dụng tín hiệu vi sai làm giảm đáng kể nhiễu xuyên âm (về mặt toán học, trường điện tích không cân bằng giảm xuống là R ^ 2, nhưng trường lưỡng cực giảm xuống là R ^ 3).

  Tôi nghĩ rằng đây là nguyên nhân gây ra ấn tượng "nối tiếp nhanh hơn song song" - bước nhảy quá lớn đến mức bạn có thể xuống tới 1 hoặc 2 cặp vi sai và vẫn nhanh hơn cáp LPT hoặc IDE . Ngoài ra còn có một chiến thắng xuyên âm từ việc chỉ có một cặp tín hiệu trong cáp, nhưng đó là chuyện nhỏ.

• Độ trễ của dây dẫn thay đổi (cả hai vì độ dài dây khó khớp với 90 vòng, đầu nối, v.v. và do hiệu ứng ký sinh từ các dây dẫn khác) khiến vấn đề đồng bộ hóa.

  Giải pháp là có độ trễ có thể điều chỉnh ở mọi máy thu và điều chỉnh chúng khi khởi động và / hoặc liên tục từ chính dữ liệu. Mã hóa dữ liệu để tránh các vệt 0 hoặc 1 phát sinh chi phí nhỏ nhưng có lợi ích về điện (tránh trôi DC, điều khiển phổ) và quan trọng nhất là cho phép thả hoàn toàn dây đồng hồ (không phải là vấn đề lớn trên 40 tín hiệu nhưng là một thỏa thuận lớn cho một cáp nối tiếp có 1 hoặc 2 cặp thay vì 2 hoặc 3).

Lưu ý rằng chúng ta đang ném song song vào nút cổ chai - các chip BGA ngày nay có hàng trăm hoặc hàng nghìn chân, PCB có ngày càng nhiều lớp. So sánh điều này với bộ vi điều khiển 40 chân cũ và PCB 2 lớp ...

Hầu hết các kỹ thuật trên trở nên không thể thiếu cho cả truyền song song và truyền nối tiếp. Chỉ là dây càng dài thì càng hấp dẫn để đẩy tốc độ cao hơn qua ít dây hơn.