Pourquoi la transmission série numérique est-elle utilisée partout? SATA, PCIe, USB

En regardant SATA, PCIe, USB, SD UHS-II, il m’a semblé qu’ils étaient tous identiques: train de bits numérique série, transmis à l’aide de paires différentielles (généralement codées 8b / 10b), avec quelques différences au niveau des couches lien / protocole.
Pourquoi Pourquoi est-ce devenu la norme?
Pourquoi n’existe-t-il pas de protocoles de communication système répandus qui recourent fortement à des méthodes de modulation avancées pour obtenir un meilleur débit de symboles? Est-ce que je manque quelque chose? Ce n'est pas une question de "série vs parallèle" mais une question de "signalisation numérique vs analogique modulée"

Pourquoi n'y a-t-il pas de protocoles de communication système répandus qui recourent fortement à des méthodes de modulation avancées pour un meilleur débit de symboles?

Si la connexion cuivre de base entre deux points prend en charge un débit numérique supérieur au débit de données que doit "transmettre" l'application, pourquoi ne pas s'embarrasser de la signalisation haute vitesse différentielle standard?

L'utilisation d'un schéma de modulation avancé est généralement utilisée lorsque le "canal" a une bande passante beaucoup plus limitée que le cuivre ou la fibre.

Il y a deux raisons principales à la montée des séries

1) C'est possible. Les transistors à faible coût sont en mesure de gérer la commutation en GHz depuis une décennie, suffisamment longtemps pour que la capacité soit utilisée et devienne standard.

2) C'est nécessaire. Si vous souhaitez déplacer des données à très grande vitesse de plus de quelques centimètres. Cette distance commence à exclure les liens carte à carte PCI, et exclut définitivement le système mobo vers le disque dur, ou mobo / settopbox pour afficher les connexions.

La raison en est biaisée. Si vous transmettez plusieurs signaux parallèles le long d'un câble, ils doivent arriver dans une petite fraction de la même période d'horloge. Cela permet de réduire la fréquence d'horloge, de sorte que la largeur du câble doit augmenter. À mesure que les débits de données augmentent, cela devient de plus en plus délicat. La possibilité d’augmenter le taux dans l’avenir est inexistante, double ou quadruple largeur ATA?

La façon de tuer le démon biaisé est d'aller en série. Une ligne est toujours synchronisée avec elle-même, il n’ya rien qui la rende asymétrique. La ligne transporte des données auto-cadencées. C'est-à-dire qu'il utilise un schéma de codage de données (souvent 8b / 10b, parfois beaucoup plus élevé) qui fournit une densité de transition minimale garantie permettant l'extraction de l'horloge.

La perspective d’une augmentation du débit de données ou de la distance dans le futur est excellente. Chaque génération apporte des transistors plus rapides et une plus grande expérience dans la fabrication du médiium. Nous avons vu comment cela s’est passé avec SATA, qui a démarré à 1,5 Gb / s, puis est passé à 3 pour atteindre 6 Gb / s. Même des câbles bon marché peuvent fournir une impédance suffisamment cohérente et une perte raisonnable, et des égaliseurs sont intégrés à l'interface silicium pour traiter les pertes liées à la fréquence. La fibre optique est disponible pour de très longues distances.

Pour des débits de données plus élevés, plusieurs liaisons série peuvent être utilisées en parallèle. Ce n'est pas la même chose que de mettre des conducteurs en parallèle, qui doivent être adaptés dans le temps à moins d'un cycle d'horloge. Il suffit d’adapter ces voies en série à une trame de données de haut niveau, qui peut être longue ou égale à ms.

Bien entendu, l’avantage de la largeur des données ne s’applique pas uniquement aux câbles et aux connecteurs. La série profite également à la zone de la carte à circuit imprimé entre les connecteurs et la puce, au brochage de la puce et à la zone de silicium de la puce.

J'ai un angle personnel à ce sujet. En tant que concepteur travaillant sur la radio définie par logiciel (SDR) à partir des années 90, j’avais l'habitude de prendre des postes chez des personnes comme Analog Devices et Xilinx (et toutes les autres sociétés ADC et FPGA) (elles nous rendaient visite et nous demandaient de temps en temps). me faisant exécuter autant de connexions différentielles en parallèle entre des CAN et des FPGA multi-100 MHz, alors que nous commencions à peine à voir la technologie SATA émerger pour remplacer ATA. Nous avons finalement obtenu JESD204x, nous pouvons donc connecter des convertisseurs et des FPGA avec seulement quelques lignes série.

Si vous voulez un exemple de quelque chose qui est largement utilisé, mais différent, regardez 1000BASE-T Gigabit Ethernet. Cela utilise des câbles parallèles et un codage de signal non-trivial.

Généralement, les gens utilisent des bus de série parce qu'ils sont simples. Les bus parallèles utilisent plus de câbles et souffrent d'un biais de signal à des débits élevés sur des câbles longs.

Pour ajouter aux autres bonnes réponses:

Les problèmes signalés dans d'autres réponses (notamment le déséquilibre entre les signaux parallèles et le coût des fils supplémentaires dans le câble) augmentent à mesure que les distances des signaux augmentent. Ainsi, il existe une distance à laquelle le port série devient supérieur au parallèle et cette distance a diminué à mesure que les débits de données ont augmenté.

Le transfert de données en parallèle se produit toujours: à l'intérieur des puces, ainsi que la plupart des signaux dans les cartes de circuits imprimés. Cependant, les distances requises par les périphériques externes - et même par les lecteurs internes - sont maintenant trop éloignées et trop rapides pour que les interfaces parallèles restent pratiques. Ainsi, les signaux auxquels un utilisateur final sera maintenant exposé sont en grande partie série.

Les techniques de modulation avancées nécessiteraient que vous transmettiez et receviez des signaux analogiques. Les CAN et CNA fonctionnant à des centaines de MHz ont tendance à être coûteux et consomment pas mal d’énergie. Le traitement du signal nécessaire au décodage est également coûteux en silicium et en puissance.

Il est simplement moins coûteux de créer un meilleur moyen de communication capable de prendre en charge les signaux binaires.

Pourquoi le flux de bits série est-il devenu si courant?

L'utilisation de liaisons série présente l'avantage de réduire la taille physique de la connexion. Les architectures de circuits intégrés modernes comportent tellement de broches que cela a créé un besoin pressant de minimiser les exigences d'interconnexion physique imposées à leur conception. Cela a conduit à développer des circuits fonctionnant à des vitesses extrêmes aux interfaces de ces circuits en utilisant des protocoles série. Pour la même raison, il est naturel de minimiser les demandes d'interconnexion physique ailleurs dans toute autre liaison de données.

La demande initiale pour ce type de technologie peut également provenir des conceptions de transmission de données par fibre optique.

Une fois que la technologie de prise en charge des liaisons à grande vitesse est devenue très courante, il était tout à fait naturel de l’appliquer à de nombreux autres endroits, car la taille physique des connexions en série est beaucoup plus petite que les connexions en parallèle.

Pourquoi n’existe-t-il pas de protocoles de communication système répandus qui recourent fortement à des méthodes de modulation avancées pour obtenir un meilleur débit de symboles?

Au niveau du codage, les schémas de codage pour la communication numérique peuvent être aussi simples que NRZ (non-retour à zéro) , un code de ligne légèrement plus compliqué (par exemple 8B / 10B) ou beaucoup plus compliqué, comme QAM (modulation d'amplitude en quadrature) .

La complexité augmente les coûts, mais les choix dépendent également de facteurs qui dépendent en définitive de la théorie de l'information et des limites de capacité d'un lien. La loi de Shannon, du théorème de Shannon-Hartley, décrit la capacité maximale d'un canal (considérez cela comme "la connexion" ou "le lien"):

Capacité maximale en bits / seconde = bande passante * Log2 (1 + signal / bruit)

Pour les liaisons radio ( LTE ou WiFi, par exemple), la bande passante va être limitée, souvent par des réglementations légales. Dans ces cas, QAM et des protocoles complexes similaires peuvent être utilisés pour obtenir le débit de données le plus élevé possible. Dans ces cas, le rapport signal sur bruit est souvent assez faible (10 à 100 ou, en décibels, 10 à 20 dB). Il ne peut aller si haut avant d’atteindre une limite supérieure dans la bande passante et le rapport signal sur bruit donnés.

Pour une liaison filaire, la bande passante n'est régulée que par l'aspect pratique de la mise en œuvre. Les liaisons filaires peuvent avoir un rapport signal sur bruit très élevé, supérieur à 1000 (30 dB). Comme mentionné dans d'autres réponses, la largeur de bande est limitée par la conception des transistors commandant le fil et recevant le signal, ainsi que par la conception du fil lui-même (une ligne de transmission).

Lorsque la bande passante devient un facteur limitant mais que le rapport signal sur bruit ne l'est pas, le concepteur trouve d'autres moyens d'augmenter le débit de données. Il devient une décision économique de passer à un schéma de codage plus complexe ou à un câblage plus complexe:

Vous verrez en effet les protocoles série / parallèles utilisés lorsqu'un seul fil est encore trop lent. PCI-Express fait cela pour surmonter les limitations de bande passante du matériel en utilisant plusieurs voies.

Dans les transmissions par fibre, ils n'ont pas besoin d'ajouter plus de fibres (bien qu'ils puissent en utiliser d'autres s'ils sont déjà en place et non utilisés). Le peut utiliser le multiplexage par division d’onde . Généralement, cela est fait pour fournir plusieurs canaux parallèles indépendants, et le problème d'inclinaison mentionné dans d'autres réponses ne concerne pas les canaux indépendants.

Prenez quatre semi-remorques avec une charge utile. Quatre voies par autoroute latérale. Pour que les camions réussissent à transporter la charge utile parallèle, ils doivent être parfaitement côte à côte, on ne peut pas être en avance ou en retard sur les autres de plus d’un pouce, disons. Les collines, les courbes, n'a pas d'importance. Varier trop et c'est un échec total.

Mais demandez-leur de prendre une voie et la distance qui les sépare peut varier. Bien que cela soit vrai linéairement, il faut parcourir quatre fois la distance entre l'avant du premier camion et l'arrière du dernier pour déplacer les charges utiles, mais elles ne doivent pas être parfaitement espacées. Juste dans la longueur d'un camion, la cabine, la charge utile et la longueur de la charge utile doivent être correctement positionnées et espacées.

Ils vont même jusqu'à être parallèle, pcie, réseau, etc., mais si ce sont techniquement des chemins de données séparés, ils ne sont pas parallèles en ce sens qu'ils doivent partir et arriver en même temps, en utilisant l'analogie de camion des quatre camions peuvent rouler sur quatre voies à peu près parallèles mais peuvent varier, les camions sont marqués par la voie dans laquelle ils sont arrivés, de sorte que, lorsqu'ils arrivent à l'autre extrémité, les charges utiles puissent être combinées dans le jeu de données d'origine. Et / ou chaque voie peut être un ensemble de données en série et en ayant plus de voies, vous pouvez déplacer plusieurs ensembles de données en même temps.

En complément du commentaire de Dmitry Grigoryev .

La transmission analogique est toujours plus sujette aux erreurs que la transmission numérique. Une transmission série numérique, par exemple, a des flancs cadencés, où un signal analogique flotte en quelque sorte entre 0V et VDD. Les interférences sont donc beaucoup plus difficiles à détecter. On pourrait en tenir compte et utiliser la signalisation différentielle, comme dans Audio.

Mais ensuite, vous rencontrez ce compromis vitesse / précision des CAD / ADC. Si vous devez parler à des systèmes numériques, l'utilisation d'une transmission numérique est beaucoup plus logique, car vous n'avez pas besoin d'une traduction DA-AD fastidieuse.

Cependant, si vous avez un ordinateur analogique fonctionnant sur des tensions de commande analogiques, il en reste quelques-uns. Ils ressemblent à des synthés modulaires analogiques. Les choses sont différentes et vous pouvez généralement construire des ordinateurs analogiques uniquement pour des tâches spécifiques. Drôle de présentation en allemand sur l'informatique analogique.

S'agissant des synthés analogiques modulaires, ils constituent également une sorte d'ordinateurs analogiques, spécialement conçus pour effectuer des calculs d'appels lorsque des signaux changent.

Il existe donc une transmission analogique en informatique, mais limitée à des domaines très spécifiques.