为什么在笔记本电脑、台式机和手机的主板内部不使用无线网络和宽带技术来代替有线连接?
电子/通信
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2021-01-19 04:45 更新 我爱喝牛奶G •  1967
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这是我现在正在使用的计算机主板。该评估板具有12个PCI Express链路,9个USB 2.0和1个USB 3.1链路以及2个千兆以太网端口。该板尺寸为112mm x 176mm。那么,为什么不使用无线连接而不是电线呢?好吧,跨小板使用无线连接是如此荒谬,几乎不值得回答。显然,许多人不了解计算机系统的工作原理。所以有这么多的原因:

  • 费用。就功率和复杂性而言,每个计算机接口都有成本。空中广播数据的需求使无线协议在复杂性和成本方面比低层有线协议贵了几个数量级。

  • 无线始终是“在其他事物之上添加的事物”。因此,让我们创建一个高速电信号。所有数字无线协议均以某种高速数字信号开始。接下来,我们必须制定一种有效的无线电编码方案,然后将其调制到非常特定的频率。如果你不需要无线发送,则电线总是更便宜,更快捷。

  • 尺寸。我的电路板上没有天线。如果我使用无线协议穿越电路板,则需要留出天线的空间。至少约50根天线。你看到他们的空间了吗?

  • 数据密度与无线电对比。在这里我有这24个端口,其中15个支持同时发送和接收。要使用无线电完全复制此体系结构,我至少需要39个不同的广播频道。我要把这些放在RF频谱中的什么地方?因此实际上至少有78根天线。与传输的数据带宽相比,无线电系统非常大。

  • 速度。这些天无线速度有多快?好吧,即将面世的60GHz Wifi可以管理4.6Gb / s,比你现在使用的任何无线系统都要快。但我的计算机有四个PCI Express 2.0链接,每个链接可以处理5GT / s。实际上,这大约是4Gb / s。每个链接。其他八个是PCI Express 1.0链接,速度是后者的一半。加上USB和以太网,总的系统峰值约为45Gb / s,比你很快就会看到的最快的无线电装置快10倍左右,远不及那些具有成本效益的无线电装置。而且,这甚至都没有考虑CPU资源,DRAM和闪存接口。

  • 该计算机实际上是数字无线电系统的一部分。因此,如果有所有的RF链路而不是有线链路,那么我需要为每一个都提供特殊的频率,这些频率不仅不会相互干扰,而且不会干扰我正在使用的广播频率,这可能在非常宽的频率范围内最多可以有六个独立的收发器。

  • 无论哪种方式,都会产生令人震惊的渠道管理问题。当我从CPU或PCIe交换机运行构成PCI Express链路的四根线时,无论走到哪里,它都将到达。所有链接几乎都是等效的。但是,如何使正确的广播频道到达董事会的正确位置。这也许是最令人震惊的例子,这说明为什么这不仅是在计算机中建立连接的最坏方法,而且是构建计算机的一种不可能的方法。

  • 甚至低功率的Wifi都可以走200m左右。功率非常低的蓝牙可以走10m。如果我对计算机中的所有设备都具有射频链接,并且需要将两台计算机放在同一房间,该怎么办?还是200?独立的电线使系统成为独立设备,不受其他设备的干扰。

  • 如果你的射频连接的计算机系统使用无线电干扰器发生了恶作剧,该怎么办?也许是你的邻居。允许高功率近距离无线电关闭你家中的每个复杂系统是否是一个好主意?如果你的汽车中装有该计算机系统,该怎么办?

  • 相反,如果那个邪恶的人决定窃听你的广播链接怎么办?你自然会想要一些安全性,对吗?你是否真的要向系统中添加78个左右的其他安全处理器..这是巨大且耗电的。在6 Gb / s链路上处理加密实际上并不是那么容易。即使是电线也可能泄漏信息,但它不是故意的发送器,现代低压差分信号(LVDS)连接很难从设备外壳中读取。而且,如果你要构建的设备实际上是安全的,则可以通过确保无法从设备外部对其进行测量来确保最简单的信号安全。

  • 隐蔽。因此,最新的802.11ax(又名Wifi 6)将延迟降至10ms以下。对于网络而言,这还不错,尽管通过千兆位以太网,在发射距离上你可以得到低于100μs的延迟,这是延迟的1/100。对于大多数操作,USB通常为125µs。如果直接从CPU到设备,PCI Express的时间小于125ns,这取决于感兴趣的数据。像DDR3 / DDR4这样的DRAM在1皮秒内进行传输。USB,以太网和Wifi等协议很大程度上取决于软件层,因此硬件接口并不是那么关键。线级连接非常简单,因此一切都可以在硬件中完成,而无需软件,并且它们可能更快,带宽更高。

  • 如果出错了。诸如USB或PCI Express之类的串行总线是完全确定的低级总线。可以指示总线错误,但构成故障。所有无线电协议都是可以允许数据重试的网络协议。但这涉及巨大的软件协议栈。如何构建需要复杂网络堆栈的计算机系统才能实现复杂网络堆栈?我不能,基本计算机需要完全在硬件中工作的接口,而无需软件。

    好吧,这已经足够回答这个问题了。

本回答来自Dave Haynie,Electronics engineer

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2021-01-19 04:46 更新 蝈蝈 •  220