浅谈通讯接口技术

shuszhao

现在大家是否有一种很奇怪的感觉，越来越多的设备采用串口通讯了，并且还说串口就这么简单的几根线比十几根线的并口速度还快，这个无论如何都觉得有些莫名其妙。若你是这种感觉的，建议继续看下去，若觉得很正常的，请绕道。
先说大家最熟悉的接口，那莫过于UART接口，RS232类型的DB9接口，以前老式的电脑都带的，可以接modem，大家做MCU51单片机项目，一般都用这个UART接口，串口速率115200bps、57600bps等，后来出来USB转串口的PL2302和FT232，速率可以到921600bps，这个就算最高了。因为各种单片机都带有UART接口，无论MCU51还是ARM，所以这个是大家最熟悉的。
同步串口有SPI，IIC等，尤其SPI速度相对高一些，可以到几M，几十M。UART之类的属于异步串口，因为需要考虑数据同步信号恢复，所以速度不高。
大家都知道硬盘IDE接口、打印机接口，还有单片机、ARM等的并口，这些速度相对于串口来说，要快很多，但线也多很多，可以理解简单的理解为是多路串口的并联。也就是说，并口就是各路串口同时发数据而已。
但是大家也会发现这么一个现象，就是并口有分两种，比如大家接SDRAM的时候，就比较明显，SDRAM相对于普通的并口，速度高了很多，SDRAM速度很轻松到100MHz，而普通并口速度只能在几十M附近，尤其做过普通手机的，都知道flash的接口速度上不去。这个其实主要不是接口速度导致的，而是总线方式不同。最早intel80接口，读取信号为Data、Adrr、nCS、nRD、nWR，这个每次都需要送出地址，芯片译码选择后，才能获取数据，所以速度较慢，一般的MCU51都是这类总线，叫intel80，此外很多黑白液晶屏用68K接口，nRD、nWR换成了R/W,E。而新式的接口一般采用Data、Addr、CLK、RAS、CAS、WE等，这个一般叫burst模式并口，而intel80、68K这类的一般叫normal模式并口。burst模式最大的好处就是，配置好后，地址只送一次，之后通过CLK不停的读取数据，地址连续的读取回来，这样就不再需要送地址，选择译码过程，内部默认了连续读、写，可以流水线操作，所以速度快很多，当然这类针对的CPU一般都有高速RAM的，或者就是需要整屏读写的，比如大一些的彩色LCD屏，3.5inch~10inch的都是这类接口，LCD屏上，有些人把这个叫做RGB接口。在ARM9处理器上最常见，如R、G、B各8根数据线，但往往不用全，去掉一些低位数据，组成565形式，之后带CLK、VS(帧同步信号)、HS(行同步信号)、IIC配置信号。
以上所讨论的有一个共同点，就是信息的传播，都是基于电信号，一般以高于多少V或者低于多少V为1或者0来判断的。电信号的载体是电场、电压，所以以上的讨论都是基于常规的电路回路来讨论的，信号的载体介质比较随便，只要能成回路即可。大家都知道，常规的电路是电磁场理论在低速下的一种近似，是电磁场传播多次折叠反射之后的稳态。当信号频率更高的时候，这种折叠反射就会导致信号的清晰度下降，也就是大家所说的信号完整性下降，方波变成了正弦波而导致无法识别。所以要想进一步提高通讯速度，必须要改变传输的载体，从电场转变为电磁场，所以传输介质改成了专用的传输线，如微带线、同轴线等，对传输线的整个阻抗均匀等都有要求。
有些朋友一想到高速传输，就想着差分信号，但理解上只是对外界的抗干扰能力，它没有解决信号能量传输过程中自己的畸形，只要当差分信号进一步约束满足电磁场阻抗要求的时候，才能进一步的解决自身的信号畸形问题，所以这个时候单纯的理解差分，只能说对了一部分，并且高可靠的信号传输，很多都是用同轴线、微带线的，这个里面就不存在差分概念了。
基于这个理论，当前的高速串行接口就出来了，比如USB、1394、网口、SATA、LVDS等都是基于电磁场理论发展起来的，他们都有一个共同的特征，要求阻抗匹配，而这个就是电磁场理论最基础的东西。
因为基于电磁场为载体的技术，速率上远远超过了基于电场理论的速率，这个等价于1、2个数量级的飞跃，所以现在的高速串口就比普通的低速并口速率还高了，这个就不奇怪了。
那么大家要问，再进一步提高速率，是不是现有的高速串口的并行化呢，这个是一方面，比如DDR2之类的，已经是如此了，但还有一种趋势，比如SATA 1X、2X、4X这类的，不是简单的并联化，而应该讲是网络化。也就是说从1X、2X到4X，由一个通道，变成了4个网络通道了。数据的通讯方式已经跟现在的互联网一样，实现了网络化，因为考虑到这些接口，有可能会有一个接触不良，那个通道就不通了，但也不影响数据通讯，只是速率慢了而已，若还是常规的并联方式，就完全失效了。
以上只是本人浅陋的观点，欢迎指正

本文后传：作者回复读者疑问


很感谢大家的讨论，有读者发现错误之处已经修改，也有读者如T.T.指出一些用词上的错误，确实，其实想写一篇严谨的文章，很难，也没有这个精力，请大家理解我的用意即可。
本文强调的，想解释的是，为什么常规的串口发展到并口又回到高速串口去了，并且强调了以前的串口跟现在的串口的理论基础是不同的，传输介质也是不同的，比如以前的串口，随便一、两根回路线即可，现在的串口要求基于传输线或者是微带线、同轴线，还要匹配。还有现在的并口也不是以前的常规并口，可能看起来是多个串口并起来，但实际上已经是网络化的，因为以前的并口去掉一根就失效了，而现在因为是串口的网络化后的并口，去掉一根是不会失效的。
其次大家会用常规电路里面的比如差分等来说明，这个只能说是传统电学理论思想，本身也没有错，但到了高速，尤其是G级别后，属于微波级别，因为波长只有几个厘米了，器件，传输线尺寸跟信号波长接近的时候，就会出现类似光学的反射、色散现象，因为是电磁场这个能量场在传输，若匹配不好，能量传输过去无法被吸收，就必然反射引起振荡等，出现波形失真，这个不是干扰之类的可以解释的，而是它本身的问题。
若大家还不能理解，可以去思考这么一个问题，那就是为什么远距离传输的光纤，一般要求是单模光纤而不能是多模光纤，因为多模光纤下，光进来后出现多种类型的模式传输，而各个类型的速率等特性会有不同，类似色散，导致光的清晰度模糊而无法识别，所以要求单一模式的，才能长距离传输。
高频微波级别后，电磁场特性出来后，大家要考虑这个能量，因为信号是基于能量的，能量若没有被完全吸收，就会反射，这个在现实中大家很容易理解的，但经典电路回避了一个问题，那就是信号的传输速率问题，还有它的建立过程。它认为速率是无限的，但实际上，他是有限的，那就是电磁场的速度，既然有电磁场的速度存在，就无法回避能量匹配的问题。

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