并行與串行的區(qū)別及并行通信的系統(tǒng)同步方式

edadoc · 發(fā)表于 2017-8-17 15:20:14

本篇這里所指并行信號和串行信號，包括了傳輸（通信）方式，又有接口類型，同時還有數(shù)據(jù)本身的協(xié)議特點，信號、協(xié)議、總線和接口。想了解信號、協(xié)議、總線和接口之間的區(qū)別的，可以看前一篇文章：[size=1em]高速串行簡史（一）：信號、接口、協(xié)議及總線

什么是并行信號？串行信號？* o- S+ \5 o: V

要了解并行信號和串行信號，我們還是來先了解下并行通信（傳輸）和串行通信（傳輸）的概念吧。并行信號就是以并行方式通信的信號，而串行信號就是以串行方式通信的信號。串行通信指數(shù)據(jù)在單條一位寬的傳輸線上，一比特接一比特地按順序傳送的方式，在早期的定義里也有說只有一根數(shù)據(jù)線，每個時鐘脈沖下只能發(fā)送一位數(shù)據(jù)的方式；而在并行通信中一個字節(jié)（8位）數(shù)據(jù)是在8條并行傳輸線上同時由源端傳到目的地，也可以說有多個數(shù)據(jù)線（幾根就是幾位），在每個時鐘脈沖下可以發(fā)送多個數(shù)據(jù)位（幾位的并行口就發(fā)送幾位）。

所以早期對串行通信與并行通信的理解為：同樣的一個字節(jié)數(shù)據(jù)（8位），串行通信要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送，而并行通信由于有8根線路，所以只要一次就可以傳送過去，形象的說，把線路（通道）比作道路，能并排開幾輛車的就可以說是“并行”，只能一輛一輛開的就屬于“串行”了。

并行通信與串行通信的區(qū)別對比及優(yōu)缺點

很明顯，并行通信的速度要比串行通信的速度快得多，效率更高，費時更少。不過這些都是早期I/O速率都不高的情況下的理論理解，隨著信息技術的飛速發(fā)展，之前的理解放在現(xiàn)在來看已經(jīng)過時了，因為現(xiàn)在是高速串行信號時代了（我們的主題）。

在高速狀態(tài)下，并行口的幾根數(shù)據(jù)線之間存在串擾，而并行口需要信號同時發(fā)送同時接收，任何一根數(shù)據(jù)線的延遲都會引起問題。而串行只有一根數(shù)據(jù)線，不存在信號線之間的串擾，而且串行還可以采用低壓差分信號，可以大大提高它的抗干擾性，所以可以實現(xiàn)更高的傳輸速率，盡管并行可以一次傳多個數(shù)據(jù)位，但是時鐘遠遠低于串行，所以目前串行傳輸是高速傳輸?shù)氖走x。

在此套用鐵桿粉絲“絕對零度”的回復：“打個比方，運送大型設備零件，并行信號就好比多輛貨車，每輛車運送一些零件，大家按一定的時間要求送到目的地才能裝配出完整的設備，一輛車出故障就會導致無法完成組裝。而串行信號就好比火車，正常情況下一輛車就可以把所有零件運送完畢，而且不會出現(xiàn)問題。”個人覺得這個比喻還是比較恰當?shù)�，在這里火車本身也是比貨車速度快的。

從另外的角度來看，并行傳輸還有很多方式如系統(tǒng)同步（共同時鐘）方式及源同步時鐘方式等。先來看系統(tǒng)同步先天的內在問題，下圖是并行傳輸中系統(tǒng)同步方式的示意圖。

首先，并行信號由于需要多位傳輸路徑，這在早期是可以接受的。但是摩爾定律的現(xiàn)象使得與幾十年前相比可生產(chǎn)的芯片中硅電路的數(shù)量大幅增加,而芯片封裝技術的pin密度并沒有像硅密度一樣以相同的速度在增加，因此I/O pin的封裝實際上比硅電路還貴，這就意味著對于大多數(shù)芯片來說pin管腳越來越多變得不可接受。就好像我們都知道車道越多我們的通行效率就會更快，但隨著現(xiàn)在的城市空間越來越小以及地價越來越貴，更多的車道慢慢的只能變得越來越難以實現(xiàn)。況且并行本身的I/O速率不高，就像拖拉機或毛馬路，速度上不去再多車道也是枉然。

第二個內在問題就是時序的需求。由上圖可知數(shù)據(jù)由芯片＃1同步啟動并被芯片＃2使用相同的時鐘同步捕獲，芯片＃2輸入端的數(shù)據(jù)必須滿足相對于芯片的時鐘輸入的建立和保持時間。詳細的系統(tǒng)同步時序模型如下圖所示。

這些建立和保持時間必須用足夠的余量來計算，以允許時鐘分配路徑延遲到兩個芯片的差異，并通過芯片到啟動和捕捉觸發(fā)器。延遲可能會因芯片工藝，電壓和溫度（PVT）條件而異，并且必須增加余量以應對最壞的情況。對于較高的時鐘頻率，可能需要在芯片中使用鎖相環(huán)（PLL）來調整時鐘相位，以補償芯片內的時鐘分配延遲，并適應變化的工藝，電壓和溫度條件。如果時鐘頻率足夠高，則不可能建立一個可以通過這種共同時鐘總線來可靠地傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。