Параллельные и последовательные интерфейсы

Для компьютеров и связанных с ними устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных объемах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уров­ню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Один двоичный сигнал за один квант времени передает один бит информации. Как говорилось ранее, процессор с пе­риферийными устройствами обменивается байтами (8 бит)1, словами (в мире х86 — 16 бит), двойными словами (32 бита) данных. Для того чтобы передавать группу битов, существует два подхода к организации интерфейса:

♦ Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется
своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты
группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвига­
ются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт
подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит),
SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).

♦ Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия,
и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них от­
водится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последователь­
ный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB
и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из приня­той последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интер­фейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по край­ней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабе­лей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функ­ционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных ин­терфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последователь­ные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближ­них расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к вы­сокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстоя­ниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.

Теперь поточнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для син­хронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), опре­деляющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состоя­ния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разряд­ность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у парал­лельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества по­следовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскорост­ных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в слу­чае параллельного интерфейса.

В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияю­щее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, од­новременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до дру­гого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных эле­ментов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут ис­кажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину ин­терфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше парал­лельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже прихо­дится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «уз­ких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться час­тоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для свя­зи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось ос­тановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середи­ны 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключе­ния линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхро­низации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота сме­ны состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную спо­собность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultral60 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от ис­точника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по кото­рому определяются моменты переключения или действительности данных, вы­рабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространя­ются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — син­хронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках вре­менные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различ­ными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, со­провождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повы­шение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость на­растания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение вы­ходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие пе­рекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повы­шать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемнопере-дающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоен­ные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс — слишком дорогое удовольствие1.

Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последователь­ный способ передачи данных.

Поиск по сайту: