Последовательная связь

В телекоммуникациях и данных передаче последовательная связь — это процесс последовательной отправки данных по одному биту по каналу связи или компьютерной шине . В этом отличие от параллельной связи , при которой несколько бит передаются целиком по каналу связи с несколькими параллельными каналами.

Последовательная связь используется для всей дальней связи и большинства компьютерных сетей , где стоимость кабеля и трудности синхронизации делают параллельную связь непрактичной. Последовательные компьютерные шины стали более распространенными даже на более коротких расстояниях, поскольку улучшенная целостность сигнала и скорость передачи в новых последовательных технологиях начали перевешивать преимущество простоты параллельной шины (отсутствие необходимости в сериализаторе и десериализаторе или SerDes ) и превосходить ее недостатки ( тактовый сдвиг , плотность межсоединений). переход от PCI к PCI Express Примером может служить .

Современные высокоскоростные последовательные интерфейсы, такие как PCIe ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} отправляйте данные по несколько битов за раз, используя методы модуляции/кодирования, такие как PAM4 , который группирует 2 бита за раз в один символ, и несколько символов по-прежнему отправляются по одному. Это заменяет PAM2 или невозврат к нулю (NRZ), который отправляет только один бит за раз, или, другими словами, один бит на символ. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Символы передаются со скоростью, известной как скорость передачи символов или скорость передачи данных. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

Кабели

Многие системы последовательной связи изначально были разработаны для передачи данных на относительно большие расстояния по своеобразному кабелю передачи данных .

Практически при любой дальней связи данные передаются побитно, а не параллельно, поскольку это снижает стоимость кабеля. Кабели, по которым передаются эти данные (кроме последовательного кабеля), и компьютерные порты, к которым они подключаются, обычно имеют более конкретное название, чтобы избежать путаницы.

Кабели и порты клавиатуры и мыши почти всегда являются последовательными, например порт PS/2 , шина Apple Desktop Bus и USB .

Кабели, по которым передается цифровое видео, также в основном являются последовательными — например, коаксиальный кабель, подключенный к порту HD-SDI , веб-камера, подключенная к порту USB или порту FireWire , кабель Ethernet, соединяющий IP-камеру с портом Power over Ethernet , FPD-Link. , цифровые телефонные линии (например, ISDN ) и т. д.

Другие подобные кабели и порты, передающие данные побитно, включают Serial ATA , Serial SCSI , кабель Ethernet, подключенный к портам Ethernet , канал данных дисплея с использованием ранее зарезервированных контактов разъема VGA , порта DVI или порта HDMI .

Серийные автобусы

RS-232 Разъем D-Sub DB-25) ( вариант

Многие системы связи обычно проектировались для соединения двух интегральных схем на одной печатной плате , соединенных сигнальными дорожками на этой плате (а не внешними кабелями).

Интегральные схемы дороже, если у них больше контактов. Чтобы уменьшить количество контактов в корпусе, многие микросхемы используют последовательную шину для передачи данных, когда скорость не важна. Некоторые примеры таких недорогих низкоскоростных последовательных шин включают RS-232 , DALI , SPI , CAN bus , I²C , UNI/O и 1-Wire . К более высокоскоростным последовательным шинам относятся USB , SATA и PCI Express .

Последовательный или параллельный

Каналы связи, по которым компьютеры (или части компьютеров) общаются друг с другом, могут быть последовательными или параллельными. Параллельная линия передает несколько потоков данных одновременно по нескольким каналам (например, проводам, дорожкам печатных плат или оптическим волокнам); тогда как последовательный канал передает только один поток данных. Обоснованием параллельной связи было дополнительное преимущество прямого доступа к памяти к 8-битным или 16-битным адресам реестра в то время, когда сопоставление прямых полос данных было более удобным и быстрым, чем последовательная синхронизация данных. ^{[ нужна ссылка ]}

Хотя последовательный канал может показаться хуже параллельного, поскольку он может передавать меньше данных за такт, часто бывает так, что последовательные каналы могут тактироваться значительно быстрее, чем параллельные каналы, чтобы достичь более высокой скорости передачи данных. Несколько факторов позволяют синхронизировать последовательный порт с более высокой скоростью:

Смещение тактовой частоты между различными каналами не является проблемой (для несинхронизированных асинхронных последовательных каналов связи). Это может быть вызвано несоответствием длины проводов или проводников. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}
Последовательное соединение требует меньшего количества соединительных кабелей (например, проводов/волокон) и, следовательно, занимает меньше места. Дополнительное пространство позволяет лучше изолировать канал от окружающей среды.
Перекрестные помехи представляют меньшую проблему, поскольку поблизости меньше проводников. ^{[ 19 ]}
Бюджеты на энергопотребление, рассеиваемую мощность, стоимость кабеля, стоимость компонентов, площадь кристалла ИС, площадь печатной платы, защиту от электростатического разряда и т. д. могут быть сосредоточены на одном канале.

Переход от параллельных шин к последовательным был разрешен законом Мура , который допускал включение SerDes в интегральные схемы. ^{[ 20 ]} Для электрического последовательного канала требуется только пара проводов, тогда как для параллельного канала требуется несколько. Таким образом, последовательные соединения могут сэкономить затраты (также известные как спецификация ) . Для дифференциальной сигнализации используются провода или проводники одинаковой длины, которые используются в высокоскоростных последовательных каналах связи. ^{[ 21 ]} Согласование длины легче выполнить на последовательных каналах, поскольку для них требуется меньше проводников.

Во многих случаях последовательный интерфейс дешевле реализовать, чем параллельный. Многие микросхемы имеют последовательные интерфейсы, а не параллельные, поэтому они имеют меньше контактов и, следовательно, дешевле.

Примеры архитектур

ARINC 818 Avionics Цифровая видеошина
Atari SIO (Джо Декуир считает, что его работа над Atari SIO легла в основу USB)
Двоичная синхронная связь BSC - Двоичная синхронная связь
CAN- управления Автомобильная шина Сеть
ccTalk Используется в сфере денежных операций и в точках продаж.
CoaXPress по коаксиалу Протокол промышленной камеры
DMX512 управление театральным освещением
Ethernet
Fibre Channel (высокоскоростной, для подключения компьютеров к устройствам хранения данных)
FireWire
HDMI
ГиперТранспорт
InfiniBand (очень высокая скорость, по объему сравнимая с PCI )
I²C Многоточечная последовательная шина
MIDI- управление электронными музыкальными инструментами
MIL-STD-1553A/Б
азбукой Морзе Телеграфия
PCI Экспресс
Профибус
RS-232 (низкоскоростной, реализуется через последовательные порты )
RS-422 Многоточечная последовательная шина
РС-423
RS-485 с несколькими ведущими устройствами Многоточечная последовательная шина
SDI-12 Протокол промышленного датчика
СЕРКОМ
Серийный АТА
SCSI с последовательным подключением
Сдвиговый регистр с конфигурацией последовательного входа и последовательного выхода
SONET и SDH (высокоскоростная связь по оптическим волокнам)
SpaceWire Сеть связи космических кораблей
СПИ
T-1 , E-1 и варианты (высокоскоростная связь по медным парам)
Универсальная последовательная шина (для подключения периферийных устройств к компьютерам)
UNI/O Многоточечная последовательная шина
1-проводная многоточечная последовательная шина

См. также

Ссылки

^ Маккензи, Чарльз Э. (1980). Наборы кодированных символов, история и развитие (PDF) . Серия системного программирования (1-е изд.). Addison-Wesley Publishing Company, Inc., стр. 247–253. ISBN 978-0-201-14460-4 . LCCN 77-90165 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 мая 2016 г. Проверено 29 декабря 2022 г.
^ https://www.theregister.com/2022/01/12/final_pcie_60_specs_released/
^ «Доступна спецификация PCIe 7.0 Draft 0.5: скорость 512 ГБ/с через PCIe x16 ожидается к 2025 году» .
^ «PCIe 5.0 только начинает появляться в новых ПК, но версия 6.0 уже здесь» . 12 января 2022 г.
^ Справочник по последовательным коммуникационным интерфейсам: всеобъемлющий сборник стандартов последовательного цифрового ввода/вывода (I/O) . Ньюнес. 21 августа 2015 г. ISBN 978-0-12-800671-9 .
^ «PAM4: к лучшему и к худшему | 26 февраля 2019 г. | Журнал целостности сигналов» .
^ «Сигнализация ПАМ-4» .
^ https://www.xilinx.com/publications/events/designcon/2016/slides-pam4signalingfor56gserial-zhang-designcon.pdf
^ https://download.tek.com/document/PAM4-Signaling-in-High-Speed-Serial-Technology_55W-60273.pdf
^ Пан, Чжунци; Юэ, Ян (3 декабря 2019 г.). Передовые методы DSP для высокопроизводительной и энергоэффективной оптоволоконной связи . ISBN 978-3-03921-792-2 .
^ Основы современных коммуникаций . Джон Уайли и сыновья. 4 августа 2020 г. ISBN 978-1-119-52149-5 .
^ https://www.researchgate.net/figure/Eye-diagrams-of-PAM-2-4-8-with-normalized-vertical-full-swing-level-Peak-to-peak-swings_fig2_361960252
^ «Глазковые диаграммы: инструмент для анализа последовательных данных» . 4 июня 2019 г.
^ «Преимущества модуляции PAM4 | Недостатки передачи сигналов PAM4» .
^ «Сгенерировать сигналы PAM4 для тестирования приемника на соответствие» . 20 сентября 2016 г.
^ Комплексное проектирование цифрового оборудования . ЦРК Пресс. 9 мая 2024 г. ISBN 978-1-040-01179-9 .
^ https://courses.cs.washington.edu/courses/cse378/11wi/lectures/lec24.pdf
^ Ледин, Джим; Фарли, Дэйв (4 мая 2022 г.). Современная компьютерная архитектура и организация: изучите архитектуры x86, ARM и RISC-V, а также проектирование смартфонов, ПК и облачных серверов . Пакт Паблишинг. ISBN 978-1-80323-823-4 .
^ https://courses.cs.washington.edu/courses/cse378/11wi/lectures/lec24.pdf
^ Граница — Справочник по сканированию . Спрингер. 30 июня 2003 г. ISBN. 978-1-4020-7496-7 .
^ Ледин, Джим; Фарли, Дэйв (4 мая 2022 г.). Современная компьютерная архитектура и организация: изучите архитектуры x86, ARM и RISC-V, а также проектирование смартфонов, ПК и облачных серверов . Пакт Паблишинг. ISBN 978-1-80323-823-4 .

Внешние ссылки

[Mackenzie_1980-1] Маккензи, Чарльз Э. (1980). Наборы кодированных символов, история и развитие (PDF) . Серия системного программирования (1-е изд.). Addison-Wesley Publishing Company, Inc., стр. 247–253. ISBN 978-0-201-14460-4 . LCCN 77-90165 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 мая 2016 г. Проверено 29 декабря 2022 г.

[2] ttps://www.theregister.com/2022/01/12/final_pcie_60_specs_released/

[3] «Доступна спецификация PCIe 7.0 Draft 0.5: скорость 512 ГБ/с через PCIe x16 ожидается к 2025 году» .

[4] «PCIe 5.0 только начинает появляться в новых ПК, но версия 6.0 уже здесь» . 12 января 2022 г.

[5] Справочник по последовательным коммуникационным интерфейсам: всеобъемлющий сборник стандартов последовательного цифрового ввода/вывода (I/O) . Ньюнес. 21 августа 2015 г. ISBN 978-0-12-800671-9 .

[6] «PAM4: к лучшему и к худшему | 26 февраля 2019 г. | Журнал целостности сигналов» .

[7] «Сигнализация ПАМ-4» .

[8] ttps://www.xilinx.com/publications/events/designcon/2016/slides-pam4signalingfor56gserial-zhang-designcon.pdf

[9] ttps://download.tek.com/document/PAM4-Signaling-in-High-Speed-Serial-Technology_55W-60273.pdf

[10] Пан, Чжунци; Юэ, Ян (3 декабря 2019 г.). Передовые методы DSP для высокопроизводительной и энергоэффективной оптоволоконной связи . ISBN 978-3-03921-792-2 .

[11] Основы современных коммуникаций . Джон Уайли и сыновья. 4 августа 2020 г. ISBN 978-1-119-52149-5 .

[12] ttps://www.researchgate.net/figure/Eye-diagrams-of-PAM-2-4-8-with-normalized-vertical-full-swing-level-Peak-to-peak-swings_fig2_361960252

[13] «Глазковые диаграммы: инструмент для анализа последовательных данных» . 4 июня 2019 г.

[14] «Преимущества модуляции PAM4 | Недостатки передачи сигналов PAM4» .

[15] «Сгенерировать сигналы PAM4 для тестирования приемника на соответствие» . 20 сентября 2016 г.

[16] Комплексное проектирование цифрового оборудования . ЦРК Пресс. 9 мая 2024 г. ISBN 978-1-040-01179-9 .

[17] ttps://courses.cs.washington.edu/courses/cse378/11wi/lectures/lec24.pdf

[18] Ледин, Джим; Фарли, Дэйв (4 мая 2022 г.). Современная компьютерная архитектура и организация: изучите архитектуры x86, ARM и RISC-V, а также проектирование смартфонов, ПК и облачных серверов . Пакт Паблишинг. ISBN 978-1-80323-823-4 .

[19] ttps://courses.cs.washington.edu/courses/cse378/11wi/lectures/lec24.pdf

[20] Граница — Справочник по сканированию . Спрингер. 30 июня 2003 г. ISBN. 978-1-4020-7496-7 .

[21] Ледин, Джим; Фарли, Дэйв (4 мая 2022 г.). Современная компьютерная архитектура и организация: изучите архитектуры x86, ARM и RISC-V, а также проектирование смартфонов, ПК и облачных серверов . Пакт Паблишинг. ISBN 978-1-80323-823-4 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

v т и Технические и фактические стандарты для проводных компьютерных шин
Общий	Системная шина Фронтальный автобус Задняя сторона автобуса Цепочка гирлянд Шина управления Адресная шина Разногласия в автобусе Освоение автобусов Сеть на чипе Подключи и играй Список пропускной способности шины
Стандарты	Автобус СС-50 Автобус С-100 Для многих Юнибус ВАКСБИ МБус Автобус STD SMBus Q-шина Европейский карточный автобус ОДИН STEbus Зорро II Зорро III КАМАК ФИКСИРОВАННЫЙ АВТОБУС ЛПК Прецизионная шина HP ЕИСА УМЭ VXI VXS ВПХ Нубус ТУРБОканал МКА SBus ВЛБ Автобус HP GSC ИнфиниБэнд Ethernet УПА PCI Расширенный PCI (PCI-X) PXI PCI Express (PCIe) АГП Вычислительная экспресс-ссылка (CXL) Прямой медиаинтерфейс (DMI) РапидИО Межблочное соединение Intel QuickPath НВЛинк ГиперТранспорт Бесконечная Ткань Межблочное соединение Intel Ultra Path Когерентный интерфейс процессора-ускорителя (CAPI) SpaceWire
Хранилище	СТ-506 ЭСДИ ИПИ СМД Параллельный ATA (PATA) Автобус и тег ДССИ HIPPI Последовательный АТА (SATA) SCSI Параллельно САС ЭСКОН Оптоволоконный канал ССА САТА PCI Express (через AHCI или NVMe ) интерфейс логического устройства
Периферийное устройство	Настольная шина Apple Атари СИО DCB Коммодорский автобус HP-IL УМИРАТЬ МИДИ РС-232 РС-422 РС-423 RS-485 Молния DMX512-А IEEE-488 (GPIB) IEEE-1284 (параллельный порт) IEEE-1394 (FireWire) УНИ/О 1-проводной I²C ( ACCESS.bus , PMBus , SMBus ) I3C СПИ D²B Параллельный SCSI Профибус USB Ссылка на камеру Внешний PCIe Удар молнии
Аудио	Световая трубка ADAT AES3 Intel HD Аудио I²S МАДИ МакАСП S/PDIF ТОСЛИНК
Портативный	ПК-карта ЭкспрессКарта
Встроенный	Многоточечный автобус CoreConnect АМБА ( Акси ) Поперечный рычаг БОЛЬНОЙ
Интерфейсы перечислены по их скорости (примерно) в порядке возрастания, поэтому интерфейс в конце каждого раздела должен быть самым быстрым. Категория

v т и Линейное кодирование (цифровая передача в основной полосе частот)
Основные статьи	Униполярное кодирование Биполярное кодирование Вкл-выкл. манипуляция Марк и пробел
Базовые коды линий	Возврат к нулю (РЗ) Безвозврат к нулю, уровень (NRZ/NRZ-L) Без возврата к нулю, инвертированный (NRZ-I) Без возврата в ноль, пробел (NRZ-S) Манчестер Differential Manchester/biphase (Bi-φ)
Extended line codes	Conditioned diphase 4B3T 4B5B 2B1Q Alternate mark inversion Modified AMI code Coded mark inversion MLT-3 encoding Hybrid ternary code 6b/8b encoding 8b/10b encoding 64b/66b encoding Eight-to-fourteen modulation Delay/Miller encoding TC-PAM
Optical line codes	Carrier-suppressed return-to-zero Alternate-phase return-to-zero
See also: Baseband Baud Bit rate Digital signal Digital transmission Ethernet physical layer Pulse modulation methods Pulse-amplitude modulation (PAM) Pulse-code modulation (PCM) Serial communication Category:Line codes