¿Por qué se utiliza la transmisión digital en serie en todas partes? es decir, SATA, PCIe, USB

  

¿Por qué no hay protocolos de comunicación de sistema generalizados que   Emplea fuertemente algunos métodos de modulación avanzados para un mejor símbolo.   tasa?

Si la conexión de cobre básica entre dos puntos admite una velocidad de bits digital que excede la velocidad de datos necesaria para ser transmitida por la "aplicación", ¿por qué molestarse en otra cosa que no sea la señalización diferencial estándar de alta velocidad? / p>

El empleo de un esquema de modulación avanzada se realiza generalmente cuando el "canal" tiene un ancho de banda que es mucho más limitado que el cobre o la fibra.

Hay dos razones principales para el aumento de la serie

1) Es posible. Los transistores de bajo costo han podido administrar la conmutación de GHz durante una década, el tiempo suficiente para que la capacidad se pueda usar y se convierta en estándar.

2) Es necesario. Si desea cambiar datos de muy alta velocidad más de unos pocos centímetros. Esta distancia comienza a descartar los enlaces de mobo a la tarjeta PCI, y definitivamente descarta los enlaces de mobo a disco duro, o mobo / settopbox para mostrar las conexiones.

La razón de esto es sesgo. Si transmite varias señales paralelas a lo largo de un cable, deben llegar dentro de una pequeña fracción del mismo período de reloj. Esto mantiene la velocidad de reloj baja, por lo que el ancho del cable tiene que aumentar. A medida que aumentan las tasas de datos, esto se vuelve cada vez más desagradable. La posibilidad de aumentar la tasa en el futuro es inexistente, ¿doble o cuádruple ATA a alguien?

La forma de matar al demonio sesgado es ir en serie. Una línea siempre está sincronizada consigo misma, no hay nada con lo que se pueda sesgar. La línea transporta datos que son de temporización propia. Es decir, utiliza un esquema de codificación de datos (a menudo 8b / 10b, a veces mucho más alto) que proporciona una densidad de transición mínima garantizada que permite la extracción del reloj.

La perspectiva de aumentar la tasa de datos o la distancia en el futuro es excelente. Cada generación trae transistores más rápidos y más experiencia en la elaboración del mediium. Vimos cómo se desarrolló con SATA, que comenzó a 1.5Gb / s, luego se movió a través de 3 y ahora es de 6Gb / s. Incluso los cables baratos pueden proporcionar una impedancia suficientemente consistente y una pérdida razonable, y los ecualizadores están integrados en la interfaz de silicio para manejar la pérdida dependiente de la frecuencia. La fibra óptica está disponible para recorridos muy largos.

Para velocidades de datos más altas, se pueden operar varios enlaces en serie en paralelo. Esto no es lo mismo que poner los conductores en paralelo, que deben coincidir a tiempo con menos de un ciclo de reloj. Estos carriles de serie solo deben coincidir con un marco de datos de alto nivel, que puede ser de µs o incluso más de largo.

Por supuesto, la ventaja en el ancho de datos no solo se aplica a los cables y conectores. La serie también beneficia el área de la placa PCB entre los conectores y el chip, el pinout del chip y el área de silicio del chip.

Tengo un ángulo personal en esto. Como diseñador que trabaja en radio definida por software (SDR) a partir de los años 90, solía disuadir a personas como Analog Devices y Xilinx (y todas las demás compañías de ADC y FPGA) (nos visitaban y nos preguntaban de vez en cuando) haciéndome ejecutar tantas conexiones diferenciales paralelas entre ADCs de múltiples 100MHz y FPGA, cuando apenas estábamos empezando a ver surgir SATA para desplazar ATA. Finalmente obtuvimos JESD204x, por lo que ahora podemos conectar convertidores y FPGA con solo unas pocas líneas seriales.

Si desea un ejemplo de algo que se usa ampliamente, pero diferente, vea 1000BASE-T gigabit Ethernet. Utiliza cables paralelos y codificación de señales no triviales.

En su mayoría, las personas usan buses seriales porque son simples. Los buses paralelos utilizan más cables y sufren un sesgo de señal a altas velocidades de datos en cables largos.

Para agregar a las otras respuestas finas:

Los problemas señalados en otras respuestas (en particular, el sesgo entre las señales paralelas y los costos de los cables adicionales en el cable) aumentan a medida que aumentan las distancias de las señales. Por lo tanto, hay una distancia a la que la serie se vuelve superior a la paralela, y esa distancia ha ido disminuyendo a medida que aumentaron las tasas de datos.

La transferencia de datos en paralelo todavía ocurre: dentro de los chips, y también la mayoría de las señales dentro de las placas de circuitos. Sin embargo, las distancias que necesitan los periféricos externos, e incluso las unidades internas, son ahora demasiado largas y rápidas para que las interfaces paralelas sigan siendo prácticas. Por lo tanto, las señales a las que ahora estará expuesto un usuario final son en gran parte seriales.

Las técnicas de modulación avanzadas requieren que usted transmita y reciba señales analógicas. Los ADC y DAC que se ejecutan a cientos de MHz tienden a ser costosos y consumen bastante energía. El procesamiento de la señal requerido para la decodificación también es costoso en términos de silicio y potencia.

Es simplemente más barato hacer un mejor medio de comunicación que admita señales binarias.

  

¿Por qué el flujo de bits en serie se volvió tan común?

El uso de enlaces seriales tiene la ventaja de que reduce el tamaño físico de la conexión. Las arquitecturas modernas de circuitos integrados tienen tantos pines que crean una gran necesidad de minimizar las demandas de interconexión física en su diseño. Esto llevó a desarrollar circuitos que operan a velocidades extremas en las interfaces de estos circuitos utilizando protocolos en serie. Por la misma razón, es natural minimizar las demandas de interconexión física en cualquier otro lugar en cualquier otro enlace de datos.

La demanda original de este tipo de tecnología también puede tener sus orígenes en los diseños de transmisión de datos de fibra óptica.

Una vez que la tecnología para soportar enlaces de alta velocidad se volvió muy común, fue natural aplicarla en muchos otros lugares, porque el tamaño físico de las conexiones en serie es mucho más pequeño que las conexiones en paralelo.

  

¿Por qué no hay protocolos de comunicación del sistema generalizados que emplean en gran medida algunos métodos de modulación avanzados para una mejor tasa de símbolos?

A nivel de codificación, los esquemas de codificación para la comunicación digital pueden ser tan simples como NRZ (No retorno a Cero) , un Código de línea (p. Ej. 8B / 10B) un poco más complicado, o mucho más complicado , como QAM (Modulación de amplitud en cuadratura) .

La complejidad agrega costos, pero las opciones también dependen de factores que en última instancia dependen de la teoría de la información y los límites de capacidad de un enlace. La Ley de Shannon, del Theannem de Shannon-Hartley describe la capacidad máxima de un canal (piense en eso como "la conexión" o "enlace"):

  

Capacidad máxima en bits / segundo = Ancho de banda * Log2 (1 + Señal / Ruido)

Para los enlaces de radio (algo como LTE o WiFi), el ancho de banda será limitado, a menudo por regulaciones legales. En esos casos, se puede usar QAM y protocolos complejos similares para obtener la mayor velocidad de datos posible. En estos casos, la relación señal a ruido es a menudo bastante baja (10 a 100, o, en decibelios, 10 a 20 dB). Solo puede ir tan alto antes de que se alcance un límite superior con el ancho de banda y la relación señal / ruido dados.

Para un enlace por cable, el ancho de banda no está regulado por nada más que la practicidad de la implementación. Los enlaces de cables pueden tener una relación señal / ruido muy alta, superior a 1000 (30 dB). Como se mencionó en otras respuestas, el ancho de banda está limitado por el diseño de los transistores que conducen el cable y reciben la señal, y en el diseño del cable (una línea de transmisión).

Cuando el ancho de banda se convierte en un factor limitante pero la relación señal a ruido no lo es, el diseñador encuentra otras formas de aumentar la velocidad de datos. Se convierte en una decisión económica si ir a un esquema de codificación más complejo o ir más por cable:

Verá protocolos serie / paralelo que se utilizarán cuando un solo cable sea demasiado lento. PCI-Express hace esto para superar las limitaciones de ancho de banda del hardware mediante el uso de varios carriles.

En las transmisiones de fibra, no tienen que agregar más fibras (aunque pueden usar otras si ya están en su lugar y no se usan). Puede usar multiplexación por división de onda . En general, esto se hace para proporcionar múltiples canales paralelos independientes, y el problema de sesgo mencionado en otras respuestas no es una preocupación para los canales independientes.

Tome cuatro camiones semi con una carga útil. Cuatro carriles por carretera lateral. Para que los camiones puedan arrastrar con éxito la carga útil en paralelo tienen que estar perfectamente uno al lado del otro, uno no puede estar adelante o detrás de los demás por más de una pulgada, digamos. Colinas, curvas, no importa. Variar demasiado y es un fracaso total.

Pero haga que tomen un carril y la distancia entre ellos puede variar. Si bien es cierto que, de forma lineal, se tarda más de cuatro veces la distancia desde el frente del primer camión hasta la parte trasera del último para mover la carga útil, pero no tienen que estar perfectamente espaciados. Justo dentro de la longitud de un camión, debe tener la cabina y la carga útil y la longitud de la carga útil para ubicarse y espaciarse correctamente.

Incluso llegan a ser paralelos, pcie, red, etc., pero aunque técnicamente son múltiples rutas de datos separadas, no son paralelas, ya que tienen que salir y llegar al mismo tiempo, utilizando la analogía del camión. los cuatro camiones pueden conducir en cuatro carriles aproximadamente paralelos pero pueden variar, los camiones están marcados por el carril en el que llegaron, de modo que cuando llegan al otro extremo, las cargas útiles se pueden combinar de nuevo en el conjunto de datos original. Y / o cada carril puede ser un conjunto de datos en serie y al tener más carriles puede mover más conjuntos de datos a la vez.

Como una adición al comentario de Dmitry Grigoryev .

La transmisión analógica siempre es más propensa a errores que la transmisión digital. Una transmisión en serie digital, por ejemplo, tiene flancos sincronizados, donde una señal analógica está flotando de alguna manera entre 0V y VDD. Así que las interferencias son mucho más difíciles de detectar. Se podría tener eso en cuenta y utilizar la señalización diferencial, como se hace en Audio.

Pero luego te topas con ese comercio de velocidad frente a precisión de DAC / ADC. Si tiene sistemas digitales que se comunican entre sí, tiene mucho más sentido utilizar una transmisión digital, ya que no necesita la traducción de DA-AD que consume tiempo.

Sin embargo, si tiene una computadora analógica que funciona con voltajes de control analógico, todavía hay algunos alrededor, parecen básicamente sintetizadores modulares analógicos, las cosas son diferentes y, por lo general, puede crear computadoras analógicas solo para tareas específicas. Divertida presentación en alemán sobre computación analógica.

Hablando de sintetizadores modulares analógicos, también son una clase de computadoras analógicas, especialmente diseñadas para hacer cálculos de llamada en señales cambiantes.

Por lo tanto, hay una transmisión analógica en la informática, pero limitada a campos muy específicos.