傳輸在數(shù)據(jù)線中學(xué)問

1、今天為大家獻上的”大餐”將是與標(biāo)準(zhǔn)扁平電纜以及活動硬盤有關(guān)的一些問題，我們將會竭盡心智，不辭勞苦，盡量為大家作一個比較詳細的闡述。尤其是這樣一些長久以來一直困饒著諸位大俠的問題：為什么有些硬盤只能在某些特定系統(tǒng)下運行？電纜的路由路徑會給我們帶來怎樣的影響？還有為什么硬盤制造廠家總是推薦用戶使用他們自己生產(chǎn)的特有的與驅(qū)動器相匹配的電纜呢？相信諸位已經(jīng)能夠迫不及待的想知道答案了吧。 畢竟是技術(shù)方面的問題，本文難免會涉及到大量數(shù)據(jù)，其中的一些僅僅只是與EE-crowd聯(lián)系密切，還有些在諸位看來定是味同嚼蠟，然而我依然希望你不要錯過路旁的任何一株哪怕是野花，畢竟都是風(fēng)景比如說為什么有時候只需通過電纜的

2、簡單路由就能夠順手解決一些迫在眉睫的難題。 某些IDE-HDD硬盤在某種特定系統(tǒng)中運行的相當(dāng)穩(wěn)定，甚至在超頻情況下也是不負眾望，然而在另一系統(tǒng)中運行時，同樣的硬盤即使在我們要求的規(guī)格內(nèi)它也不能圓滿的完成任務(wù)。這樣看來，必定有些特殊的因素導(dǎo)致了HDD硬盤的失敗，并且這些因素彼此之間也一定有這樣或那樣的牽制關(guān)系。因此，我們必須確定在進一步研究這個問題時，所有的參數(shù)均被考慮在內(nèi)，并且還得保證我們絕對沒有厚此薄彼。下面讓我們將這些參數(shù)詳述如下：(1)目前所要解決的問題（比如：數(shù)據(jù)丟失與硬盤的物理故障）(2)安裝與設(shè)置機器所處的具體環(huán)境（比如：系統(tǒng)類型，時鐘頻率）(3)電纜長度和類型（例如；形狀以及環(huán)繞

3、類型等等細節(jié)問題）(4) 連接器數(shù)目（主盤，從盤）(5)是否使用驅(qū)動通道 時鐘頻率以及象ATA設(shè)備這樣的系統(tǒng)級的聯(lián)接,不可能如同一束電線那樣將A針腳與A針腳連接起來那樣簡單，盡管這兩個針腳之間確實僅僅只存在一些電阻而已。換句話來說，我們正在尋找一種非常復(fù)雜并且受脈沖調(diào)制的RF系統(tǒng)或者可以考慮電線跳躍無線電頻率分配設(shè)置，在這兩種系統(tǒng)中自由干涉的信號分配需要定義信號級別并且使信號波形清晰可見這樣一來我們還必須使信號保持一定的時間，以便讓信號能夠從產(chǎn)生開始一直持續(xù)到被檢波器偵測到。這就要求從發(fā)射機開始途徑電纜直到檢波器為止所有的阻抗都完全一致，如此一來將會有不止一個信號可以以并行方式傳送出去，在此過

4、程中必須充分減弱信號以便抵抗電纜之間的耦合。 可靠性問題，然而當(dāng)相同的硬盤直接連接到80針扁平數(shù)據(jù)線1和2時，它卻可以毫無故障的運行。 ATA66或者更高的同類型產(chǎn)品規(guī)定必須使用80針扁平數(shù)據(jù)線（電線之間距離為635mm）它的長度為45cm并且一直延伸到3個連接器。如果從盤連接器被忽略掉了，這種情況下，你可以使用更長的扁平數(shù)據(jù)線，雖然這樣一來無疑違反了規(guī)范說明，然而由于去除了中間的從盤驅(qū)動連接器所造成的傳輸線上的干擾，因此系統(tǒng)似乎并沒有消極怠工，相反它好象還比較樂意在這種新環(huán)境下繼續(xù)努力效命。 如果選用比較便宜的HDD硬盤，再使用一款象 Centronics連接器這樣普遍的機械連接器其最初目的

5、是供諸如并行打印機之類的老古董使用的（你決不要指望它能夠滿足今天的高速數(shù)據(jù)傳輸率）一就有可能產(chǎn)生更多的干擾。如果連接器安裝在PCB上的話，信號的尋址就有可能產(chǎn)生額外的干擾。 接下來就是一些技術(shù)方面的細枝末節(jié)了，對于這些相對而言比較枯燥的資料不感興趣的讀者可以跳過不讀，你大可直接找到結(jié)論就回家呼呼大睡，無須在此浪費太多的腦細胞。HW規(guī)格說明/ ATA33, ATA 66, ATA100與 ATA133之間的區(qū)別（1）信號頻率/ 持續(xù)時間，電平設(shè)定值，起停時間以及定時（2）物理尺寸和電纜材料，連接器以及電線。導(dǎo)線和絕緣材料的物理尺寸決定了RF傳播特性的速率因素（比如，40針與80針扁平電纜線的阻抗

6、差異）（3）最大允許長度（18），第3從盤連接器的定位（4）從ATA33到ATA66或者更高端的同類型產(chǎn)品，他們的信號時鐘需要經(jīng)由并行線傳輸，并且均以MHZ計算，這樣的增長到底意味著什么呢？ 有關(guān)這一問題你可以在ATA現(xiàn)有（Drafts and WP）的規(guī)格說明中得到滿意的答復(fù)和解釋。這一規(guī)格為一個給定裝備能夠可靠的工作在某一種設(shè)置中的兼容留了足夠大的余地，因為參數(shù)彼此是匹配的同樣的裝備在另一設(shè)置下卻有很大可能引起某些故障，并且很有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。連接器40針，80針扁平電纜之間的HW的不同ATA3340針連接器40 knives at the back40針扁平電纜UDMA/33 所

7、有的ATA接口都使用了允許向后兼容的同類連接器，并且針腳數(shù)目也相同。然而，它僅僅只用了40針扁平數(shù)據(jù)線（電線之間為1,27mm），并將其壓制到連接器上，從而使得連接器背部的40針small knives 穿透了絕緣介質(zhì)進一步導(dǎo)通電路。連接器的特征是一共有40個針腳（這40個針腳分成上下兩排，并且彼此對應(yīng)的排列）。ATA6640針連接器 80 knives at the back80針扁平電纜ATA66，100，133數(shù)據(jù)線的機械與RF屬性 僅僅只有在系統(tǒng)中時測量以及計算RF屬性才是簡單可行的，因為從源端到收端包括它們彼此之間的所有傳輸器件的阻抗均是完全一致的。 無論如何，IDE不能算是一種經(jīng)過

8、精確定義的系統(tǒng)；在任意情況下，我們都不能認為控制器和HDD之間的接口以及扁平數(shù)據(jù)線能夠堅守它們各自的工作崗位而且不出任何差錯。規(guī)格說明書規(guī)定了一些物理尺寸，并且僅僅只是就扁平數(shù)據(jù)線電特性的規(guī)格做了兼容，它甚至根本沒有涉及到控制器和HDD之間的接口。80 針40 針導(dǎo)線AWG3028地信號地單端阻抗Ohm 70-90110 電容pF/ftpF/m13-2242-72自感應(yīng)mH傳播延時nsec/ftnsec/m尺寸mmIn A1 50.800 2.000A2 50.165 1.975 A3 0.635 0.025 A4 0.6858 0.027 A5 0.3175 0.0125 T1 0.1270

9、.005 T2 0.0406 0.0016 T3 0.0508 0.002 T4 0.102 0.004 公式及其縮寫 地端上方的兩根數(shù)據(jù)線之間的阻抗可以用下面這個公式計算： 同時L和C的通用計算公式是：Z = 阻抗 C =電容 L = 電感 D=距數(shù)據(jù)線中心的距離 d=電線直徑 e R=電介質(zhì)常數(shù) 信號速率 這僅僅只是在理想狀況下的計算公式，所謂的理想狀況是指電纜或者絕緣介質(zhì)間沒有任何阻抗，也沒有更復(fù)雜的RF影響它有可能隨著頻率增加而改變。現(xiàn)在讓我們來看看數(shù)據(jù)塊上的真實IDE電纜上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)狀況。D= 1,27mm扁平數(shù)據(jù)線Z = 95 ohm (C= 53pf/m 5pF, L = 0,4

10、8H/m, K PVC 2,25), 4,35ns/m 僅僅只有當(dāng)扁平數(shù)據(jù)線恰好位于導(dǎo)平面上方的時候，這一計算公式所得的阻抗才是準(zhǔn)確的。如果把地平面加到上方的扁平數(shù)據(jù)線比如在電線和地之間加入一種Mylar絕緣介質(zhì)阻抗值將會降低，這一變化可以在196系列中看出端倪。D=1,27mm單面防護扁平數(shù)據(jù)線 電線與地平面之間的Mylar尺寸Z = 65 ohm (C= 92pf/m L = 0,39H/m, K PVC 2,25, K Mylar ? ), 5,52ns/m 一根地平面上方的扁平數(shù)據(jù)線可能會改變信號速率和阻抗值。如果扁平數(shù)據(jù)線與金屬塊親密接觸的時候，這一結(jié)論也同樣適用。D=1,27mm

11、纏繞型扁平數(shù)據(jù)線Z = ? ohm (C= 51,5pf/m L = ? H/m, K PVC 2,25), 5,4ns/m Thomas & Betts Series 200 Z = 100 ohm (C= 52pf/m L = 0,69 H/m, K PVC 2,25), 5,3ns/m 3M Type1700 將數(shù)據(jù)線纏繞之后改善了線路之間不必要的耦合，同時也降低了阻抗，這一功績應(yīng)該歸功于L值的增加，因為傳播延遲的必然伴隨著電線長度的加長。D=0,635mm扁平數(shù)據(jù)線 尺寸的縮減將會把阻抗值降低到85.5歐姆。規(guī)格說明同時考慮到了7090歐姆的規(guī)格，這也給定了C，L和V值的公差值。圓形屏

12、蔽數(shù)據(jù)線 移動數(shù)據(jù)線的密集與屏蔽勢必會增大電容值，同時也必然降低了規(guī)格說明的外部阻抗公差值。很抱歉，在這里我只能簡單的推測一下這樣的狀況對信號傳輸線之間的不必要的耦合意味著怎樣的后果，具體的分析恕我尚未找到這方面的資料而不能給以詳細的解答。 這種狀況也同樣適用于自制的扁平數(shù)據(jù)線。 這里是我做的一張不是很全面的各種數(shù)據(jù)線參數(shù)列表，你可以把它作為參考：實際應(yīng)用中的系統(tǒng)問題 自從Z80 與6502 CPU (1-2MHz)系統(tǒng)面世以來，有關(guān)信號總線的各種常見問題基本不出下面所羅列的幾種情況：1任意脈沖調(diào)制信號都需要一個經(jīng)過定義的信號形式，另一方面它卻不能檢測到諸如定義過的最低/最高信號電平象最小信號

13、，長度，起停時間。2任意RF wirebound Duplex RF傳輸系統(tǒng)的阻抗值必須是恒定不變的。這種系統(tǒng)包括一個發(fā)射器（控制器），傳輸線（扁平數(shù)據(jù)線）以及接收器（驅(qū)動電子器件）。從發(fā)端到收端的任一部分的阻抗值都必須保持一致。 如果整個總線的阻抗值并不恒定，或者說終端阻抗不匹配，部分信號可能會反射回總線。這些反射信號將會增強或者抵消原有的脈沖，并且百分之百會使信號失真，從而使檢波能力大打折扣。 接收終端需要大量的能量以驅(qū)動終端電阻器，同時發(fā)射終端勢必要面隊阻抗值的匹配問題。3.如果有多于一條的信號線在無屏蔽的情況下以并行方式工作，這樣肯定會降低信號質(zhì)量，隨之而來的另一個負面影響就是并行信號

14、線之間的耦合。就象反射脈沖一樣，并行信號線所產(chǎn)生的耦合信號將會增強或者抵消原有的脈沖，同樣也會降低信號質(zhì)量和檢波能力。 如果沒有增加哪怕是一根地線到“絕緣端”，我們都不能容許這種未屏蔽的信號線以并行方式傳輸數(shù)據(jù)。 一種比較簡單的解決方案就是使用雙絞線如同SCSI接口一樣。它改善了交接點的耦合程度，但是同時也降低了阻抗值，并且增加了信號延遲。480針扁平數(shù)據(jù)線的引進需要連接器之間的開關(guān)，以使得新增的40個針腳能夠提供與地端的通路。同時在前部保留了40針連接器，我們依然擁有背部的80針方案。5通過為從盤到數(shù)據(jù)線的通路增加第3個連接器，我們舊可以將所有并行的附加地線連接起來。然而我依然不知道如果增加

15、了從盤連接器之后，控制器或者HDD系統(tǒng)能否運行良好。6如果數(shù)據(jù)線的電子特性發(fā)生變化，我們會發(fā)現(xiàn)阻抗值也會隨之跳躍或者小幅度變化。7因為扁平數(shù)據(jù)線的尺寸或者材料的不同，由此將會引起阻抗值和信號速率的不同。8控制器和驅(qū)動電子器件的阻抗值將會隨著模塊的不同而變化，同時也會有不同的傳輸阻抗值和終端阻抗值。9驅(qū)動器，數(shù)據(jù)和信號線有著不同的數(shù)據(jù)傳輸速率。10如果使用一個驅(qū)動通道，那么HDD和通道背部的數(shù)據(jù)線以及必須連接到ATA數(shù)據(jù)線上的固定驅(qū)動通道之間的連接器和數(shù)據(jù)線，將會帶來阻抗值跳躍式的增加。 系統(tǒng)越快，它對交接點的耦合，阻抗值以及傳播速率的任意微小變化就越敏感。 因為沒有規(guī)定更多的參數(shù)，所以你的系統(tǒng)

16、可能會被某些不確定因素搞的不盡入人意。對此，筆者實在愛莫能助。初步結(jié)論與可能的解決方案 造成傳輸阻抗值的變化，鄰近信號線之間的耦合以及一種設(shè)置與另一種設(shè)置之間的信號速率變化的罪魁禍?zhǔn)资牵?驅(qū)動器和控制器在信號的高低電平上的阻抗值將會隨著模式的不同而不同。 至于與脈沖相混淆的信號反射則應(yīng)歸咎于與發(fā)端不相匹配的終端阻抗值或者從控制器到驅(qū)動器之間不恒定的阻抗值。 如果有第二個驅(qū)動器，這一連接點的阻抗值將很有可能起伏不定。A每一個控制器通道僅只有一個HDD。B使用只有兩個連接器的數(shù)據(jù)線。 信號延遲將會隨著扁平數(shù)據(jù)線的長度而增加，信號傳輸時間也會隨之達到最大值。扁平數(shù)據(jù)線18的長度5ns/m將會帶來2.

17、3ns的信號延遲。C盡可能的縮短數(shù)據(jù)線。D如果需要比較長的數(shù)據(jù)線，請考慮將HDD緊靠在控制器的連接器旁邊安裝，或者可以嘗試著改變一下常用的臺式機，19也許是個不錯的選擇。請將HDD安裝在 PCB控制器接口的正上方或者正下方，這樣你就可以把扁平數(shù)據(jù)線縮短哪怕是幾個厘米，總算是一點改進。 不同的絕緣材料（它們有著或高或低的電介質(zhì)常數(shù)）做成的扁平數(shù)據(jù)線以及導(dǎo)線直徑的改變都會影響(2D/d)的比率。 到底有沒有使用圓形數(shù)據(jù)線呢？E嘗試換用另一類型或者標(biāo)志的扁平數(shù)據(jù)線。 在同一連接點上，扁平數(shù)據(jù)線與導(dǎo)地平面是否是并行的呢？F嘗試沿著地平面將你的扁平數(shù)據(jù)線重新鋪設(shè)。 數(shù)據(jù)線是否被切除？或者試者將其卷攏從而

18、得到一條圓形數(shù)據(jù)線？G如果未曾卷攏，請返回B執(zhí)行，如果去除了則從A開始。 驅(qū)動器是否安裝在可移動驅(qū)動平臺上？H從驅(qū)動通道撤離HDD，繼續(xù)從A開始。最終結(jié)論與注解 你是否真正需要經(jīng)過性能優(yōu)化的驅(qū)動器呢？ 如果你選擇不，那么不妨考慮為驅(qū)動器增加IEEE1394-IDE-橋接器，它如同F(xiàn)ireLine或者I-Link.一樣聞名。它可以解決所有這一類的問題，并且還可以把扁平數(shù)據(jù)線縮短幾厘米。Firewire數(shù)據(jù)線的長度可達4,5m（這里僅就IEEE1394a 而言， IEEE1394b則是100m）. 單獨的IEEE-1394aFirewireHDD(Oxford-911芯片)將會帶你領(lǐng)略35MB/s的極速感覺，它的理論上限可以達到50MB/s（IEEE1394b則是100MB/S），這一款應(yīng)該更適用于所有的音頻與視頻要求，當(dāng)然DVD和CD驅(qū)動器也不能逃出它的魔掌。 IEEE-1394a Raid構(gòu)造可能會快的多，但是IEEE-1394b已經(jīng)被用于更新型的蘋果PC機。 Firewire將會提供給你“插頭”和“開始”，它允許訪問硬盤，同樣的這一優(yōu)