Mengapa transmisi serial digital digunakan di mana-mana? yaitu SATA, PCIe, USB

Sambil melihat SATA, PCIe, USB, SD UHS-II saya tersadar bahwa semuanya sama: bitstream serial digital, ditransmisikan menggunakan pasangan diferensial (biasanya kode 8b / 10b), dengan beberapa perbedaan dalam lapisan tautan / protokol.
Kenapa begitu? Mengapa ini menjadi standar?
Mengapa tidak ada protokol komunikasi sistem luas yang banyak menggunakan beberapa metode modulasi canggih untuk laju simbol yang lebih baik? Apakah saya melewatkan sesuatu? Ini bukan pertanyaan "serial vs parallel" tetapi pertanyaan "digital signaling vs modulated analog"

Mengapa tidak ada protokol komunikasi sistem luas yang banyak menggunakan beberapa metode modulasi canggih untuk laju simbol yang lebih baik?

Jika koneksi tembaga dasar antara dua titik mendukung kecepatan bit digital yang melebihi kecepatan data yang perlu ditransmisikan oleh "aplikasi", lalu mengapa repot-repot dengan hal lain selain dari sinyal diferensial berkecepatan tinggi diferensial standar?

Mempekerjakan skema modulasi lanjutan biasanya dilakukan ketika "saluran" memiliki bandwidth yang jauh lebih terbatas daripada tembaga atau serat.

Ada dua alasan utama munculnya serial

1) Itu mungkin. Transistor berbiaya rendah telah mampu mengelola switching GHz selama satu dekade sekarang, cukup lama untuk kemampuan yang akan digunakan dan menjadi standar.

2) Itu perlu. Jika Anda ingin menggeser data kecepatan sangat tinggi lebih dari beberapa inci. Jarak ini mulai mengesampingkan mobo ke tautan kartu PCI, dan jelas mengesampingkan mobo ke hard disk, atau mobo / settopbox untuk menampilkan koneksi.

Alasannya condong. Jika Anda mentransmisikan beberapa sinyal paralel di sepanjang kabel, maka sinyal tersebut harus tiba dalam sebagian kecil dari periode jam yang sama. Ini menjaga laju jam turun, sehingga lebar kabel harus meningkat. Saat laju data naik, itu menjadi semakin tidak sehat. Prospek untuk meningkatkan tingkat ke masa depan adalah tidak ada, lebar ATA ganda atau empat kali lipat siapa saja?

Cara untuk membunuh iblis condong adalah dengan serial. Satu baris selalu disinkronkan dengan dirinya sendiri, tidak ada yang miring dengan itu. Garis membawa data yang dapat diatur sendiri. Yaitu, menggunakan skema pengkodean data (seringkali 8b / 10b, terkadang jauh lebih tinggi) yang menyediakan kepadatan transisi minimum yang dijamin yang memungkinkan ekstraksi jam.

Prospek untuk meningkatkan kecepatan data atau jarak ke masa depan sangat bagus. Setiap generasi menghasilkan transistor yang lebih cepat, dan lebih banyak pengalaman dalam membuat mediium. Kami melihat bagaimana itu dimainkan dengan SATA, yang dimulai pada 1,5Gb / s, kemudian bergerak melalui 3 dan sekarang 6Gb / s. Bahkan kabel murah dapat memberikan impedansi yang cukup konsisten dan kerugian yang wajar, dan equalizer dibangun ke silikon antarmuka untuk menangani kehilangan tergantung frekuensi. Serat optik tersedia untuk waktu yang sangat lama.

Untuk kecepatan data yang lebih tinggi, beberapa tautan serial dapat dioperasikan secara paralel. Ini tidak sama dengan menempatkan konduktor secara paralel, yang harus dicocokkan dalam waktu kurang dari satu siklus clock. Jalur serial ini hanya perlu dicocokkan dengan dalam kerangka data tingkat tinggi, yang bisa berukuran μs atau bahkan ms.

Tentu saja keunggulan dalam lebar data tidak hanya berlaku untuk kabel dan konektor. Serial juga menguntungkan area papan PCB antara konektor dan chip, pinout chip, dan area silikon chip.

Saya memiliki sudut pandang pribadi dalam hal ini. Sebagai seorang desainer yang bekerja pada perangkat lunak yang didefinisikan radio (SDR) dari tahun 90-an dan seterusnya, saya biasa mencerca orang-orang seperti Perangkat Analog dan Xilinx (dan semua perusahaan ADC dan FPGA lainnya) (mereka akan mengunjungi dan meminta kami dari waktu ke waktu) untuk membuat saya menjalankan begitu banyak koneksi diferensial paralel antara ADC multi-100MHz dan FPGA, ketika kami baru mulai melihat SATA muncul untuk menggantikan ATA. Kami akhirnya mendapatkan JESD204x, jadi sekarang kami dapat menghubungkan konverter dan FPGA hanya dengan beberapa baris serial.

Jika Anda menginginkan contoh sesuatu yang banyak digunakan, tetapi berbeda, lihatlah 1000BASE-T gigabit Ethernet. Itu menggunakan kabel paralel dan pengkodean sinyal non-trivial.

Kebanyakan, orang menggunakan bus serial karena mereka sederhana. Bus paralel menggunakan lebih banyak kabel, dan menderita kemiringan sinyal pada kecepatan data tinggi melalui kabel panjang.

Untuk menambah jawaban baik lainnya:

Masalah yang dicatat dalam jawaban lain (terutama, condong di antara sinyal paralel, dan biaya kabel tambahan di kabel) meningkat dengan meningkatnya jarak sinyal. Dengan demikian, ada jarak di mana serial menjadi lebih unggul dari paralel, dan jarak itu telah menurun karena laju data telah meningkat.

Transfer data paralel masih terjadi: di dalam chip, dan juga sebagian besar sinyal di dalam papan sirkuit. Namun, jarak yang dibutuhkan oleh periferal eksternal - dan bahkan oleh drive internal - sekarang terlalu jauh dan terlalu cepat untuk antarmuka paralel agar tetap praktis. Dengan demikian, sinyal bahwa pengguna akhir sekarang akan terkena sebagian besar serial.

Teknik modulasi lanjutan akan mengharuskan Anda untuk mengirim dan menerima sinyal analog. ADC dan DAC yang beroperasi pada ratusan MHz cenderung mahal dan mengkonsumsi daya yang cukup besar. Pemrosesan sinyal yang diperlukan untuk decoding juga mahal dalam hal silikon dan daya.

Ini lebih murah untuk membuat media komunikasi yang lebih baik yang dapat mendukung sinyal biner.

Mengapa bit stream serial menjadi sangat umum?

Menggunakan tautan serial memiliki keuntungan karena mengurangi ukuran fisik koneksi. Arsitektur sirkuit terpadu modern memiliki begitu banyak pin pada mereka sehingga ini menciptakan kebutuhan yang kuat untuk meminimalkan tuntutan interkoneksi fisik pada desain mereka. Hal ini menyebabkan pengembangan sirkuit yang beroperasi pada kecepatan ekstrem di antarmuka sirkuit ini menggunakan protokol serial. Untuk alasan yang sama, wajar untuk meminimalkan permintaan interkoneksi fisik di tempat lain di tautan data lainnya.

Permintaan asli untuk jenis teknologi ini mungkin memiliki asal-usul dalam desain transmisi data serat optik, juga.

Setelah teknologi untuk mendukung sambungan kecepatan tinggi menjadi sangat umum, itu wajar untuk menerapkannya di banyak tempat lain, karena ukuran fisik koneksi serial jauh lebih kecil daripada koneksi paralel.

Mengapa tidak ada protokol komunikasi sistem luas yang banyak menggunakan beberapa metode modulasi canggih untuk laju simbol yang lebih baik?

Pada tingkat pengkodean, skema pengkodean untuk komunikasi digital dapat sesederhana NRZ (Non-Return to Zero) , Kode Jalur yang sedikit lebih rumit (misalnya 8B / 10B) , atau jauh lebih rumit, seperti QAM (Quadrature Amplitude Modulation) .

Kompleksitas menambah biaya, tetapi pilihan juga tergantung pada faktor-faktor yang pada akhirnya bergantung pada teori informasi dan batas kapasitas suatu tautan. Hukum Shannon, dari Teorema Shannon-Hartley menggambarkan kapasitas maksimum saluran (anggap itu sebagai "koneksi" atau "tautan"):

Kapasitas Maksimum dalam Bit / Detik = Bandwidth * Log2 (1 + Sinyal / Kebisingan)

Untuk tautan radio (seperti LTE atau WiFi), bandwidth akan dibatasi, sering kali oleh peraturan hukum. Dalam kasus-kasus tersebut QAM dan protokol yang serupa rumitnya dapat digunakan untuk meningkatkan laju data setinggi mungkin. Dalam kasus ini, rasio sinyal terhadap noise seringkali cukup rendah (10 hingga 100, atau, dalam desibel 10 hingga 20 dB). Itu hanya bisa sangat tinggi sebelum batas atas tercapai di bawah bandwidth yang diberikan dan rasio sinyal terhadap noise.

Untuk tautan kabel, bandwidth tidak diatur oleh apa pun kecuali kepraktisan implementasi. Sambungan kawat dapat memiliki rasio sinyal terhadap noise yang sangat tinggi, lebih besar dari 1000 (30 dB). Seperti disebutkan dalam jawaban lain, bandwidth dibatasi oleh desain transistor yang menggerakkan kawat dan menerima sinyal, dan dalam desain kabel itu sendiri (saluran transmisi).

Ketika bandwidth menjadi faktor pembatas tetapi rasio signal to noise tidak, perancang menemukan cara lain untuk meningkatkan kecepatan data. Itu menjadi keputusan ekonomi apakah akan pergi ke skema pengkodean yang lebih kompleks atau pergi ke kawat lebih:

Anda memang akan melihat protokol serial / paralel yang digunakan ketika kabel tunggal masih terlalu lambat. PCI-Express melakukan ini untuk mengatasi keterbatasan bandwidth perangkat keras dengan menggunakan banyak jalur.

Dalam transmisi serat, mereka tidak harus menambahkan lebih banyak serat (meskipun mereka mungkin menggunakan yang lain jika sudah ada dan tidak digunakan). Dapat menggunakan multiplexing pembagian gelombang . Secara umum, ini dilakukan untuk menyediakan beberapa saluran paralel independen, dan masalah kemiringan yang disebutkan dalam jawaban lain bukan masalah untuk saluran independen.

Ambil empat truk semi dengan muatan. Empat lajur per sisi jalan raya. Agar truk berhasil mengangkut payload paralel, mereka harus berdampingan dengan sempurna, seseorang tidak dapat berada di depan atau di belakang yang lain dengan lebih dari satu inci katakanlah. Bukit, kurva, tidak masalah. Bervariasi terlalu banyak dan gagal total.

Tetapi mintalah mereka mengambil satu jalur dan jarak di antara mereka dapat bervariasi. Meskipun benar bahwa secara linear dibutuhkan lebih dari empat kali jarak dari depan truk pertama ke belakang untuk memindahkan muatan, tetapi mereka tidak harus ditempatkan dengan sempurna. Hanya dalam panjang satu truk itu harus memiliki taksi dan muatan dan panjang muatan untuk ditempatkan dan ditempatkan dengan baik.

Mereka bahkan bertindak sejajar sebagai paralel, pcie, jaringan, dll, tetapi sementara itu secara teknis beberapa jalur data terpisah, mereka tidak paralel karena mereka harus pergi dan tiba pada saat yang sama, menggunakan analogi truk empat truk dapat mengemudi di empat lajur secara paralel tetapi dapat bervariasi, truk ditandai oleh lajur apa mereka tiba sehingga ketika mereka tiba di ujung yang lain muatan dapat digabungkan kembali ke dalam kumpulan data asli. Dan / atau setiap jalur dapat berupa satu set data secara seri dan dengan memiliki lebih banyak jalur, Anda dapat memindahkan lebih banyak set data sekaligus.

Sebagai tambahan untuk komentar Dmitry Grigoryev .

Transmisi analog lebih rentan terhadap kesalahan daripada transmisi digital. Suatu transmisi serial digital, misalnya, memiliki sisi-sisi clock, di mana suatu sinyal analog entah bagaimana mengambang antara 0V dan VDD. Jadi gangguan jauh lebih sulit dideteksi. Seseorang dapat memperhitungkannya dan menggunakan pensinyalan diferensial, seperti yang dilakukan dalam Audio.

Tapi kemudian Anda mengalami kecepatan vs akurasi tradeof dari DAC / ADC. Jika Anda harus berbicara tentang sistem digital satu sama lain, akan lebih masuk akal untuk menggunakan transmisi digital, karena Anda tidak perlu menghabiskan waktu untuk menerjemahkan DA-AD.

Namun jika Anda memiliki komputer analog yang beroperasi pada tegangan kontrol analog, masih ada beberapa di antaranya, pada dasarnya mereka terlihat seperti synths analog modular, semuanya berbeda, dan biasanya Anda dapat membangun komputer analog hanya untuk tugas-tugas tertentu. Presentasi lucu dalam bahasa Jerman tentang komputasi analog.

Berbicara tentang synths analog modular, mereka juga semacam komputer analog, yang dirancang khusus untuk melakukan kalibrasi pada sinyal yang berubah.

Jadi ada transmisi analog dalam komputasi, tetapi terbatas pada bidang yang sangat spesifik.