Информация (данные), которую следует передавать по интерфейсам, может быть разной природы:
• Аналоговая информация отображает процесс, непрерывный во времени и произвольный по величине (может принимать любое из бесконечного числа значений, пусть и в ограниченном интервале). Пример: звуки, которые мы слышим (в том числе и речь), представляют собой непрерывное изменение давления. Передача такой информации осуществляется, например, при подключении микрофона (устройства, преобразующего изменения давления в изменения электрического напряжения) к компьютеру.
• Дискретная информация отображает процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 1 (истина, «да») или 0 (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки мыши — нажата или нет. Дискретная двоичная информация является «родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего получать, обрабатывать, хранить и передавать. Дискретная информация может быть не только двоичной — интересны, например, и троичные системы; состояние одного трита можно трактовать как «да», «нет», «не знаю».
• Цифровая информация представляет собой последовательность (набор) чисел, имеющих ограниченную разрядность (и соответственно, конечное число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, являющийся последовательностью отсчетов мгновенных значений давления, взятых через равные интервалы времени.
• Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).
• Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.
На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.
Теперь точнее рассмотрим скорость передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в случае параллельного интерфейса.
В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.
Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.
Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.
В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемно-передающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс -слишком дорогое удовольствие.
Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.
