Dijital seri iletim neden her yerde kullanılıyor? yani SATA, PCIe, USB

SATA, PCIe, USB, SD UHS-II'ye bakarken bunların hepsinin aynı olduğunu vurguladı: farksal çiftler kullanılarak iletilen dijital seri bit akımı, bağlantı / protokol katmanlarında bazı farklılıklar.
Neden öyle? Bu neden standart oldu?
Neden daha iyi bir sembol oranı için bazı gelişmiş modülasyon yöntemlerini yoğun bir şekilde kullanan yaygın bir sistem iletişim protokolü yok? Bir şey mi eksik? Bu bir "seri vs paralel" meselesi değil, "dijital sinyal vs modüle analog" meselesidir.

Neden daha iyi bir sembol oranı için bazı gelişmiş modülasyon yöntemlerini yoğun şekilde kullanan yaygın bir sistem iletişim protokolü yok?

İki nokta arasındaki temel bakır bağlantısı, "uygulama" tarafından iletilmesi gereken veri hızından daha yüksek bir dijital bit hızını destekliyorsa, neden standart diferansiyel yüksek hızlı sinyalizasyon dışında başka bir şeyle uğraşıyorsunuz?

Gelişmiş bir modülasyon şemasını kullanmak, genellikle "kanal", bakır veya fiberden çok daha sınırlı bir bant genişliğine sahip olduğunda yapılır.

Seri yükselişinin iki ana nedeni var

1) Mümkün. Düşük maliyetli transistörler, on yıl boyunca GHz anahtarlama özelliğini yönetebildi, bu da kullanılma ve standart olma kabiliyetine yetti.

2) Bu gerekli. Çok yüksek hızlı veriyi birkaç inçten daha fazla kaydırmak istiyorsanız. Bu mesafe, mobo'yu PCI kartı bağlantılarına ekarte etmeye başlar ve bağlantıları görüntülemek için kesinlikle mobo'yu sabit diske veya mobo / settopbox'ı dışlar.

Bunun nedeni çarpık. Bir kablo boyunca birkaç paralel sinyal iletirseniz, aynı saat periyodunun küçük bir fraksiyonuna ulaşmaları gerekir. Bu, saat hızını düşürür, böylece kablo genişliğinin artması gerekir. Veri hızları arttıkça, bu giderek daha da garipleşiyor. Geleceğe oranı artırmak için bir olasılık var olmayan, çift ya da dört genişlikte ATA kimse var mı?

Çarpık şeytanı öldürmenin yolu seri halinde gitmektir. Bir satır her zaman kendisi ile senkronize edilir, onunla çarpıtılacak bir şey yoktur. Çizgi, kendi kendine çalışan verileri taşır. Yani, saat ekstraksiyonuna izin veren minimum garantili bir geçiş yoğunluğu sağlayan bir veri kodlama şeması (genellikle 8b / 10b, bazen çok daha yüksek) kullanır.

Veri hızını veya geleceğe olan mesafeyi arttırma olasılığı mükemmel. Her jenerasyon daha hızlı transistörler ve ortam yapımında daha fazla deneyim getiriyor. 1.5 Gb / s'de başlayan, sonra 3'ten geçen ve şimdi 6 Gb / sn olan SATA ile nasıl oynandığını gördük. Ucuz kablolar bile yeterince tutarlı bir empedans ve makul bir kayıp sağlayabilir ve frekans bağımlı kaybın üstesinden gelmek için arayüz silikonuna ekolayzırlar yerleştirilmiştir. Optik fiber çok uzun süreler için kullanılabilir.

Daha yüksek veri hızları için, birkaç seri bağlantı paralel olarak çalıştırılabilir. Bu, iletkenleri paralel olarak koymakla aynı değildir; zamanla bir saat döngüsünden daha azına eşleştirilmesi gerekir. Bu seri şeritlerin yalnızca µs ve hatta ms uzunluğunda olabilen yüksek seviyeli bir veri çerçevesi içinde eşleştirilmesi gerekir.

Tabii ki veri genişliğindeki avantaj sadece kablolar ve konektörler için geçerli değildir. Seri ayrıca, konektörler ve yonga, yonga pinout ve yonga silikon alanı arasındaki PCB panosu alanına da yarar sağlar.

Bu konuda kişisel bir açım var. 90'lı yıllardan itibaren yazılım tanımlı radyo (SDR) üzerinde çalışan bir tasarımcı olarak, Analog Devices ve Xilinx (ve diğer tüm ADC ve FPGA şirketleri) gibi insanlara (zaman zaman bizi ziyaret edip sorarlardı) demirlerdim. Çok 100MHz ADC'ler ve FPGA'lar arasında çok fazla paralel diferansiyel bağlantı çalıştırmamı sağladı. Sonunda JESD204x'e ulaştık, şimdi çeviricileri ve FPGA'ları sadece birkaç seri hat ile bağlayabiliriz.

Yaygın olarak kullanılan ancak farklı olan bir şeye örnek istiyorsanız, 1000BASE-T gigabit Ethernet'e bakın. Paralel kablolar ve önemsiz olmayan sinyal kodlaması kullanır.

Çoğunlukla, insanlar seri veriyolu kullanıyorlar çünkü basit. Paralel otobüsler daha fazla kablo kullanır ve uzun kablolar üzerinden yüksek veri hızlarında çarpık sinyallerden muzdariptir.

Diğer iyi cevaplara eklemek için:

Diğer cevaplarda belirtilen hususlar (en önemlisi paralel sinyaller arasında bükülme ve kablodaki ekstra tellerin maliyeti), sinyallerin uzaklığı arttıkça artar. Bu nedenle, dizinin paralelden daha üstün hale geldiği bir mesafe vardır ve veri hızları arttıkça bu mesafe azalmaktadır.

Paralel veri aktarımı hala gerçekleşir: yongaların içinde ve ayrıca devre kartlarındaki çoğu sinyal. Bununla birlikte, harici çevre birimlerinin ve hatta dahili sürücülerin ihtiyaç duyduğu mesafeler, paralel arabirimlerin pratik kalması için artık çok uzak ve çok hızlıdır. Dolayısıyla, bir son kullanıcının maruz kalacağı sinyaller büyük ölçüde seridir.

Gelişmiş modülasyon teknikleri, analog sinyalleri iletmenizi ve almanızı gerektirir. Yüzlerce MHz'de çalışan ADC'ler ve DAC'ler pahalı olma eğilimindedir ve oldukça fazla güç tüketir. Kod çözme için gerekli olan sinyal işleme, silikon ve güç açısından da pahalıdır.

İkili sinyalleri destekleyebilen daha iyi bir iletişim ortamı oluşturmak daha ucuz.

Seri bit akışı neden bu kadar yaygın hale geldi?

Seri bağlantıların kullanılması, bağlantının fiziksel boyutunu azaltma avantajına sahiptir. Modern entegre devre mimarilerinin üzerinde çok fazla pim var, bu da tasarımlarındaki fiziksel ara bağlantı taleplerini minimize etmek için güçlü bir ihtiyaç yarattı. Bu seri protokoller kullanarak bu devrelerin arayüzlerinde aşırı hızlarda çalışan devrelerin gelişmesine yol açtı. Aynı sebepten ötürü, herhangi başka bir veri bağlantısındaki herhangi bir yerdeki fiziksel ara bağlantı taleplerini en aza indirmek doğaldır.

Bu tür bir teknolojiye olan ilk talep, köklerini fiber optik veri iletimi tasarımlarında da içerebilir.

Yüksek hızlı bağlantıları destekleyen teknoloji çok yaygın hale geldiğinde, seri bağlantıların fiziksel boyutu paralel bağlantılardan çok daha küçük olduğundan, onu diğer birçok yere uygulamak doğaldı.

Neden daha iyi bir sembol oranı için bazı gelişmiş modülasyon yöntemlerini yoğun bir şekilde kullanan yaygın bir sistem iletişim protokolü yok?

Kodlama düzeyinde, dijital iletişim için kodlama şemaları NRZ (Sıfırdan Geri Dönüşsüz) , biraz daha karmaşık bir Satır Kodu (örneğin 8B / 10B) kadar basit veya QAM (Quadrature Genlik Modülasyonu) gibi çok daha karmaşık olabilir .

Karmaşıklık maliyet katmaktadır, ancak seçimler, sonuçta bilgi teorisine ve bir bağlantının kapasite sınırlarına dayanan faktörlere de bağlıdır. Shannon -Hartley Teoremi'nden Shannon Yasası, bir kanalın maksimum kapasitesini tanımlar (bunu "bağlantı" veya "bağlantı" olarak düşünün):

Bit / Saniye cinsinden Maksimum Kapasite = Bant Genişliği * Log2 (1 + Sinyal / Gürültü)

Radyo bağlantıları için ( LTE veya WiFi gibi bir şey ), bant genişliği genellikle yasal düzenlemelerle sınırlandırılacaktır. Bu durumlarda, QAM ve benzer şekilde karmaşık protokoller mümkün olan en yüksek veri hızını elde etmek için kullanılabilir. Bu durumlarda, sinyal / gürültü oranı genellikle oldukça düşüktür (10 ila 100 veya 10 ila 20 dB desibelde). Belirtilen bant genişliği ve sinyal / gürültü oranı altında bir üst sınıra ulaşılmadan önce sadece çok yüksek olabilir.

Bir tel bağlantısı için, bant genişliği uygulamanın pratikliği dışında hiçbir şey tarafından düzenlenmez. Kablo bağlantıları, 1000'den (30 dB) yüksek olan gürültü / sinyal oranı çok yüksek olabilir. Diğer cevaplarda belirtildiği gibi, bant genişliği, teli kullanan ve sinyali alan transistörlerin tasarımı ve telin kendisinin tasarımında (bir iletim hattı) sınırlanır.

Bant genişliği sınırlayıcı bir faktör haline geldiğinde ancak sinyal / gürültü oranı olmadığında, tasarımcı veri hızını arttırmanın başka yollarını bulur. Daha karmaşık bir kodlama şemasına mı yoksa daha fazla kabloya mı gideceğinize karar verilir:

Tek bir tel hala çok yavaş olduğunda kullanılan seri / paralel protokolleri göreceksiniz. PCI-Express bunu, çoklu şerit kullanarak donanımın bant genişliği sınırlamalarını aşmak için yapar.

Fiber iletimlerinde, daha fazla fiber eklemek zorunda kalmazlar (zaten varsa ve kullanılmıyorlarsa başkalarını da kullanabilirler). Dalga bölmeli çoklama kullanabilir . Genel olarak, bu çoklu bağımsız paralel kanallar sağlamak için yapılır ve diğer cevaplarda belirtilen çarpıklık sorunu bağımsız kanallar için bir endişe değildir.

Bir yük ile dört yarı kamyon alın. Yan yol başına dört şerit. Kamyonların yükü paralel olarak başarılı bir şekilde taşıması için mükemmel bir şekilde yan yana durmaları gerekiyor, birinin diğerlerinin önünde veya arkasında olamayacağını bir inçten fazla diyelim. Tepeler, eğriler, farketmez. Çok fazla değişken ve toplam başarısız.

Fakat onların bir şerit almasını sağlayın ve aralarındaki mesafe değişebilir. Doğrusal olarak doğru olsa da, yükleri taşımak ilk kamyonun önünden sonun arkasına kadar olan mesafenin dört katından fazla sürüyor, ancak yüklerin tam aralıklı olması gerekmiyor. Bir kamyonun uzunluğu içerisinde, kabinin ve taşıma kapasitesinin ve taşıma kapasitesinin uygun bir şekilde yerleştirilip yerleştirilebilmesi gerekir.

Paralel, bilgisayarlı, ağ, vb. Kadar ileri gidiyorlar, ancak bunlar teknik olarak çoklu ayrı veri yolları olsa da, aynı kamyonu dört kamyona benzetmek suretiyle aynı anda ayrılmak ve varmak zorunda kalacakları paralel değiller. Dört şeritte kabaca paralel olarak sürülebilir ancak değişkenlik gösterebilir, kamyonlar hangi şeride ulaştığını gösterir, böylece diğer ucuna vardıklarında yükler orijinal veri setine geri getirilebilir. Ve / veya her şerit seri olarak ayarlanmış bir veri olabilir ve daha fazla şerit bulundurarak aynı anda daha fazla veri kümesini taşıyabilirsiniz.

Dmitry Grigoryev'in yorumuna ek olarak .

Analog iletim her zaman dijital iletimden daha fazla hataya açıktır. Örneğin bir dijital seri yayın, analog sinyalin bir şekilde 0V ile VDD arasında yüzdüğü saatli yanlara sahiptir. Bu yüzden girişimler tespit etmek daha zordur. Biri bunu dikkate alabilir ve Audio'da olduğu gibi diferansiyel sinyalleri kullanabilir.

Ama sonra DAC'lerin / ADC'lerin doğruluk tradeoflarına karşı o hıza rastlarsınız. Birbirinizle konuşmak için dijital sistemler kullanmak zorundaysanız, dijital aktarımı kullanmak daha mantıklıdır çünkü DA-AD çevirisine zaman harcamanız gerekmez.

Bununla birlikte, analog kontrol voltajlarında çalışan bir analog bilgisayarınız varsa, hala bir kısmı var, temel olarak analog modüler sentezlere benziyorlar, işler farklı ve tipik olarak sadece belirli görevler için analog bilgisayarlar oluşturabilirsiniz. Almanca'da analog hesaplamanın komik sunumu .

Analog modüler sentezlerden bahsedenler, aynı zamanda, özellikle değişen sinyallerde çağrı yapmak için tasarlanmış bir tür analog bilgisayarlardır.

Dolayısıyla, hesaplamada analog aktarım var, ancak çok spesifik alanlarla sınırlı.