淺談通訊接口技術(shù)

現(xiàn)在大家是否有一種很奇怪的感覺，越來越多的設(shè)備采用串口通訊了，并且還說串口就這么簡單的幾根線比十幾根線的并口速度還快，這個無論如何都覺得有些莫名其妙。若你是這種感覺的，建議繼續(xù)看下去，若覺得很正常的，請繞道。先說大家最熟悉的接口，那莫過于UART接口，RS232類型的DB9接口，以前老式的電腦都帶的，可以接modem，大家做MCU51單片機項目，一般都用這個UART接口，串口速率115200bps、57600bps等，后來出來USB轉(zhuǎn)串口的PL2302和FT232，速率可以到921600bps，這個就算最高了。因為各種單片機都帶有UART接口，無論MCU51還是ARM，所以這個是大家最熟悉的。

同步串口有SPI，IIC等，尤其SPI速度相對高一些，可以到幾M，幾十M。UART之類的屬于異步串口，因為需要考慮數(shù)據(jù)同步信號恢復(fù)，所以速度不高。大家都知道硬盤IDE接口、打印機接口，還有單片機、ARM等的并口，這些速度相對于串口來說，要快很多，但線也多很多，可以理解簡單的理解為是多路串口的并聯(lián)。也就是說，并口就是各路串口同時發(fā)數(shù)據(jù)而已。但是大家也會發(fā)現(xiàn)這么一個現(xiàn)象，就是并口有分兩種，比如大家接SDRAM的時候，就比較明顯，SDRAM相對于普通的并口，速度高了很多，SDRAM速度很輕松到100MHz，而普通并口速度只能在幾十M附近，尤其做過普通手機的，都知道flash的接口速度上不去。這個其實主要不是接口速度導(dǎo)致的，而是總線方式不同。最早intel80接口，讀取信號為Data、Adrr、nCS、nRD、nWR，這個每次都需要送出地址，芯片譯碼選擇后，才能獲取數(shù)據(jù)，所以速度較慢，一般的MCU51都是這類總線，叫intel80，此外很多黑白液晶屏用68K接口，nRD、nWR換成了R/W,E。

而新式的接口一般采用Data、Addr、CLK、RAS、CAS、WE等，這個一般叫burst模式并口，而intel80、68K這類的一般叫normal模式并口。burst模式最大的好處就是，配置好后，地址只送一次，之后通過CLK不停的讀取數(shù)據(jù)，地址連續(xù)的讀取回來，這樣就不再需要送地址，選擇譯碼過程，內(nèi)部默認了連續(xù)讀、寫，可以流水線操作，所以速度快很多，當然這類針對的CPU一般都有高速RAM的，或者就是需要整屏讀寫的，比如大一些的彩色LCD屏，3.5inch~10inch的都是這類接口，LCD屏上，有些人把這個叫做RGB接口。在ARM9處理器上最常見，如R、G、B各8根數(shù)據(jù)線，但往往不用全，去掉一些低位數(shù)據(jù)，組成565形式，之后帶CLK、VS(幀同步信號)、HS(行同步信號)、IIC配置信號。以上所討論的有一個共同點，就是信息的傳播，都是基于電信號，一般以高于多少V或者低于多少V為1或者0來判斷的。電信號的載體是電場、電壓，所以以上的討論都是基于常規(guī)的電路回路來討論的，信號的載體介質(zhì)比較隨便，只要能成回路即可。大家都知道，常規(guī)的電路是電磁場理論在低速下的一種近似，是電磁場傳播多次折疊反射之后的穩(wěn)態(tài)。當信號頻率更高的時候，這種折疊反射就會導(dǎo)致信號的清晰度下降，也就是大家所說的信號完整性下降，方波變成了正弦波而導(dǎo)致無法識別。

所以要想進一步提高通訊速度，必須要改變傳輸?shù)妮d體，從電場轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艌?，所以傳輸介質(zhì)改成了專用的傳輸線，如微帶線、同軸線等，對傳輸線的整個阻抗均勻等都有要求。有些朋友一想到高速傳輸，就想著差分信號，但理解上只是對外界的抗干擾能力，它沒有解決信號能量傳輸過程中自己的畸形，只要當差分信號進一步約束滿足電磁場阻抗要求的時候，才能進一步的解決自身的信號畸形問題，所以這個時候單純的理解差分，只能說對了一部分，并且高可靠的信號傳輸，很多都是用同軸線、微帶線的，這個里面就不存在差分概念了。

基于這個理論，當前的高速串行接口就出來了，比如USB、1394、網(wǎng)口、SATA、LVDS等都是基于電磁場理論發(fā)展起來的，他們都有一個共同的特征，要求阻抗匹配，而這個就是電磁場理論最基礎(chǔ)的東西。

因為基于電磁場為載體的技術(shù)，速率上遠遠超過了基于電場理論的速率，這個等價于1、2個數(shù)量級的飛躍，所以現(xiàn)在的高速串口就比普通的低速并口速率還高了，這個就不奇怪了。那么大家要問，再進一步提高速率，是不是現(xiàn)有的高速串口的并行化呢，這個是一方面，比如DDR2之類的，已經(jīng)是如此了，但還有一種趨勢，比如SATA 1X、2X、4X這類的，不是簡單的并聯(lián)化，而應(yīng)該講是網(wǎng)絡(luò)化。也就是說從1X、2X到4X，由一個通道，變成了4個網(wǎng)絡(luò)通道了。數(shù)據(jù)的通訊方式已經(jīng)跟現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)一樣，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，因為考慮到這些接口，有可能會有一個接觸不良，那個通道就不通了，但也不影響數(shù)據(jù)通訊，只是速率慢了而已，若還是常規(guī)的并聯(lián)方式，就完全失效了。

后結(jié)

很感謝大家的討論，有讀者發(fā)現(xiàn)錯誤之處已經(jīng)修改，也有讀者如T.T.指出一些用詞上的錯誤，確實，其實想寫一篇嚴謹?shù)奈恼?，很難，也沒有這個精力，請大家理解我的用意即可。本文強調(diào)的，想解釋的是，為什么常規(guī)的串口發(fā)展到并口又回到高速串口去了，并且強調(diào)了以前的串口跟現(xiàn)在的串口的理論基礎(chǔ)是不同的，傳輸介質(zhì)也是不同的，比如以前的串口，隨便一、兩根回路線即可，現(xiàn)在的串口要求基于傳輸線或者是微帶線、同軸線，還要匹配。還有現(xiàn)在的并口也不是以前的常規(guī)并口，可能看起來是多個串口并起來，但實際上已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)化的，因為以前的并口去掉一根就失效了，而現(xiàn)在因為是串口的網(wǎng)絡(luò)化后的并口，去掉一根是不會失效的。其次大家會用常規(guī)電路里面的比如差分等來說明，這個只能說是傳統(tǒng)電學(xué)理論思想，本身也沒有錯，但到了高速，尤其是G級別后，屬于微波級別，因為波長只有幾個厘米了，器件，傳輸線尺寸跟信號波長接近的時候，就會出現(xiàn)類似光學(xué)的反射、色散現(xiàn)象，因為是電磁場這個能量場在傳輸，若匹配不好，能量傳輸過去無法被吸收，就必然反射引起振蕩等，出現(xiàn)波形失真，這個不是干擾之類的可以解釋的，而是它本身的問題。若大家還不能理解，可以去思考這么一個問題，那就是為什么遠距離傳輸?shù)墓饫w，一般要求是單模光纖而不能是多模光纖，因為多模光纖下，光進來后出現(xiàn)多種類型的模式傳輸，而各個類型的速率等特性會有不同，類似色散，導(dǎo)致光的清晰度模糊而無法識別，所以要求單一模式的，才能長距離傳輸。高頻微波級別后，電磁場特性出來后，大家要考慮這個能量，因為信號是基于能量的，能量若沒有被完全吸收，就會反射，這個在現(xiàn)實中大家很容易理解的，但經(jīng)典電路回避了一個問題，那就是信號的傳輸速率問題，還有它的建立過程。它認為速率是無限的，但實際上，他是有限的，那就是電磁場的速度，既然有電磁場的速度存在，就無法回避能量匹配的問題。

當然電磁場是比較復(fù)雜的，也非我簡單的描述幾句就能講解清楚的。后續(xù)的文章中，我打算專門寫一些通俗易懂的關(guān)于電磁場的文章，但請大家不要過于苛求，尤其是嚴謹性方面。