Синхронный и асинхронный режимы передачи цифрового сигнала
Предыдущие посты:
1. Последовательная и параллельная передача данных.
2. Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука).
3. Непрерывность аналогового сигнала.
4. Что такое цифровой сигнал.
5. Прерывность цифрового сигнала.
6. Синхронизация при передаче цифрового сигнала.
7. Анализ цифрового сигнала в получателе сигнала (пример).
В предыдущих постах я разобрал, что такое синхронизация при передаче цифрового сигнала и как на уровне логических элементов может происходить прием цифрового сигнала в получателе сигнала.
Какие бывают способы синхронизации? Первое, что приходит в голову - это передача тактового сигнала по отдельному дополнительному каналу передачи данных. Рассмотрим рисунок, который уже использовался в предыдущем посте:
Рисунок 1
На рисунке 1 верхний из двух сигналов может быть передан по одному каналу, а нижний (тактовый сигнал) - по другому, параллельному, каналу. Задний фронт (помечен зеленым цветом) импульса тактового сигнала командует источнику сигнала отправить очередной бит цифрового сигнала. Передний фронт (помечен красным цветом) импульса тактового сигнала командует получателю сигнала взять образец сигнала, приходящего от источника. Именно поэтому задний фронт каждого импульса тактового сигнала на рисунке 1 совпадает с началом каждого бита передаваемого от источника сигнала, а передний фронт каждого импульса тактового сигнала совпадает с серединой каждого бита передаваемого от источника сигнала.
Тут может быть два варианта: 1) тактовый импульс идет из источника сигнала. В этом случае получатель сигнала по полученному тактовому импульсу подстраивается под скорость работы источника сигнала. 2) Тактовый импульс идет из получателя сигнала к источнику сигнала. Источник сигнала начинает посылать цифровой сигнал с цифровыми данными при получении тактового сигнала от получателя сигнала. В этом случае источник сигнала подстраивается под скорость работы получателя сигнала.
Естественно, передача тактового сигнала по отдельному каналу по деньгам получается значительно дороже, ведь требуется дополнительный провод. Поэтому зачастую тактовый сигнал передают тем же сигналом, что и передаваемые цифровые данные. В этом случае дополнительный провод не требуется, но в получателе сигнала понадобится оборудование для обработки полученного цифрового сигнала, чтобы выделить из него тактовый сигнал и сигнал, несущий цифровые данные.
С этих статей википедии можно начать изучать этот сложный вопрос:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Синхронизация_(передача_сигналов)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Синхронный_способ_передачи_данных
https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronous_serial_communication
Погрузиться глубже:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Физическое_кодирование
https://en.wikipedia.org/wiki/Line_code
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фазовая_автоподстройка_частоты
https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-locked_loop
Существует еще так называемый «асинхронный режим» передачи цифрового сигнала или просто «асинхронная» передача цифрового сигнала. На самом деле, несмотря на то, что такая передача цифрового сигнала называется «асинхронной» (то есть «не синхронной»), при получении цифрового сигнала в получателе в этом случае всё равно требуется (и выполняется) синхронизация получателя и источника сигнала. Просто в случае асинхронной передачи цифровой сигнал с цифровыми данными идет кусками (пакетами, байтами и тому подобное), а между этими кусками есть промежутки, на которых канал остается пустым (без полезной нагрузки цифровыми данными). В итоге синхронизация нужна (и выполняется) только в момент приема получателем очередного куска цифрового сигнала с цифровыми данными, а в пустом промежутке между кусками сигнала с данными синхронизация не нужна (и не выполняется). То есть под словом «асинхронная» понимается не полное отсутствие синхронизации, а прерывистое выполнение синхронизации - она то выполняется, то не выполняется.
Статьи википедии по теме:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Асинхронный_способ_передачи_данных
https://ru.wikipedia.org/wiki/Асинхронная_последовательная_коммуникация
https://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_serial_communication
https://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_communication
В википедии асинхронный режим передачи данных проиллюстрирован такой картинкой:
Из-за излишней компактности иллюстрации некоторые соседние надписи на этой иллюстрации сливаются и зритель с первого раза может воспринять некоторые соседние надписи на этой картинке за одну надпись, что может сильно затруднить понимание. На самом деле, на этой картинке только надпись «data bits» состоит из двух слов. Все остальные надписи - однословные.
Чтобы соседние надписи не сливались, я отделил их друг от друга цветом, кое-где добавил к линиям стрелки для понятности, и некоторые линии сделал пунктирными:
Понятия «mark» и «space», использующиеся в англоязычной литературе, посвященной передаче цифрового сигнала, по-русски означают «логическая единица» и «логический нуль» соответственно или для булевой алгебры - «true» («истина») и «false» («ложь»). В физическом смысле логическая единица может представляться, к примеру, высоким уровнем сигнала, а логический нуль - низким уровнем сигнала, или наоборот. В англоязычной википедии по этим понятиям есть статья «Mark and space». На рассматриваемом рисунке логическая единица («mark») показана высоким уровнем цифрового сигнала, а логический нуль («space») показан низким уровнем цифрового сигнала.
Как и описывалось выше при определении понятия «асинхронной» передачи цифрового сигнала, на рисунке есть промежутки, в течение которых канал заполнен данными, и промежутки, в течение которых канал не заполнен данными (последнее состояние на рисунке обозначено английским словом «idle», которое по-русски в данном случае значит «пустой» или «незанятый»). На рисунке таких незанятых промежутка два: перед стартовым битом первого байта и после стопового бита второго байта. Между двумя байтами, изображенными на рисунке, незанятого данными промежутка «idle» нет, но он может быть. Просто в данном случае байты переданы впритык друг к другу, но могли быть переданы и разделенными промежутком «idle».
На рисунке промежуток «idle» показан высоким уровнем сигнала, но в разных протоколах он может быть представлен как высоким уровнем сигнала, так и низким уровнем сигнала. Тут есть условие: стартовый бит всегда должен быть представлен уровнем сигнала, противоположным уровню промежутка «idle», а стоповый бит должен быть представлен уровнем сигнала, совпадающим с уровнем промежутка «idle». Очевидно, что стартовый и стоповый биты должны быть представлены противоположными уровнями сигнала.
Как работает асинхронный режим передачи цифрового сигнала? Каждый кусок (пакет, байт и тому подобное) данных может быть передан отдельно, отделяясь (или не отделяясь) друг от друга промежутками «idle» (канал не занят данными). При приеме очередного байта получателю сигнала нужно достичь синхронизма с источником сигнала, чтобы получить данные без ошибок. Для этого получателю сигнала необходимо знать момент начала входящего байта. Этот момент на обсуждаемом рисунке обозначен передним фронтом стартового бита («start»): в данном случае это переход из высокого уровня сигнала к низкому уровню сигнала. После передачи битов данных («data bits») обязательно нужно вернуть цифровой сигнал на уровень промежутка «idle», то есть в случае, показанном на обсуждаемом рисунке - на высокий уровень сигнала. Это нужно для того, чтобы было возможно отметить начало следующего байта передним фронтом стартового бита следующего байта. Возврат на уровень сигнала, соответствующий промежутку «idle», выполняется стоповым битом («stop»).
Для достижения синхронизма кроме начала участка цифрового сигнала, содержащего цифровые данные, получателю сигнала для правильного приема нужно знать длину одного бита цифрового сигнала. Как я понимаю, скорость передачи данных между стартовым и стоповым битом, определяющая длину одного бита сигнала, становится известна получателю сигнала перед началом передачи данных (настроена заранее), поэтому получателю сигнала в данном случае и требуется только информация о начале каждого байта.
Как видно из рисунка, к каждому байту данных при асинхронной передаче необходимо добавлять два дополнительных бита: стартовый и стоповый. Такую передачу цифрового сигнала часто называют «старт-стопной» передачей данных. Очевидно, что эти дополнительные биты уменьшают скорость передачи данных по сравнению с синхронным режимом передачи данных, при котором все байты передаются впритык друг к другу, без дополнительного обозначения начала и конца байта с помощью стартового и стопового битов.
Скорость передачи данных при асинхронном режиме передачи меньше еще и из-за того, что между байтами могут вставляться промежутки «idle» (канал не занят данными), а при синхронном режиме передачи между передаваемыми данными нет никаких лишних промежутков.
Оба эти режима передачи данных сегодня используются. В англоязычной википедии есть хорошая небольшая статья, сравнивающая эти режимы:
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_synchronous_and_asynchronous_signalling
1. Последовательная и параллельная передача данных.
2. Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука).
3. Непрерывность аналогового сигнала.
4. Что такое цифровой сигнал.
5. Прерывность цифрового сигнала.
6. Синхронизация при передаче цифрового сигнала.
7. Анализ цифрового сигнала в получателе сигнала (пример).
В предыдущих постах я разобрал, что такое синхронизация при передаче цифрового сигнала и как на уровне логических элементов может происходить прием цифрового сигнала в получателе сигнала.
Какие бывают способы синхронизации? Первое, что приходит в голову - это передача тактового сигнала по отдельному дополнительному каналу передачи данных. Рассмотрим рисунок, который уже использовался в предыдущем посте:
Рисунок 1
На рисунке 1 верхний из двух сигналов может быть передан по одному каналу, а нижний (тактовый сигнал) - по другому, параллельному, каналу. Задний фронт (помечен зеленым цветом) импульса тактового сигнала командует источнику сигнала отправить очередной бит цифрового сигнала. Передний фронт (помечен красным цветом) импульса тактового сигнала командует получателю сигнала взять образец сигнала, приходящего от источника. Именно поэтому задний фронт каждого импульса тактового сигнала на рисунке 1 совпадает с началом каждого бита передаваемого от источника сигнала, а передний фронт каждого импульса тактового сигнала совпадает с серединой каждого бита передаваемого от источника сигнала.
Тут может быть два варианта: 1) тактовый импульс идет из источника сигнала. В этом случае получатель сигнала по полученному тактовому импульсу подстраивается под скорость работы источника сигнала. 2) Тактовый импульс идет из получателя сигнала к источнику сигнала. Источник сигнала начинает посылать цифровой сигнал с цифровыми данными при получении тактового сигнала от получателя сигнала. В этом случае источник сигнала подстраивается под скорость работы получателя сигнала.
Естественно, передача тактового сигнала по отдельному каналу по деньгам получается значительно дороже, ведь требуется дополнительный провод. Поэтому зачастую тактовый сигнал передают тем же сигналом, что и передаваемые цифровые данные. В этом случае дополнительный провод не требуется, но в получателе сигнала понадобится оборудование для обработки полученного цифрового сигнала, чтобы выделить из него тактовый сигнал и сигнал, несущий цифровые данные.
С этих статей википедии можно начать изучать этот сложный вопрос:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Синхронизация_(передача_сигналов)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Синхронный_способ_передачи_данных
https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronous_serial_communication
Погрузиться глубже:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Физическое_кодирование
https://en.wikipedia.org/wiki/Line_code
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фазовая_автоподстройка_частоты
https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-locked_loop
Существует еще так называемый «асинхронный режим» передачи цифрового сигнала или просто «асинхронная» передача цифрового сигнала. На самом деле, несмотря на то, что такая передача цифрового сигнала называется «асинхронной» (то есть «не синхронной»), при получении цифрового сигнала в получателе в этом случае всё равно требуется (и выполняется) синхронизация получателя и источника сигнала. Просто в случае асинхронной передачи цифровой сигнал с цифровыми данными идет кусками (пакетами, байтами и тому подобное), а между этими кусками есть промежутки, на которых канал остается пустым (без полезной нагрузки цифровыми данными). В итоге синхронизация нужна (и выполняется) только в момент приема получателем очередного куска цифрового сигнала с цифровыми данными, а в пустом промежутке между кусками сигнала с данными синхронизация не нужна (и не выполняется). То есть под словом «асинхронная» понимается не полное отсутствие синхронизации, а прерывистое выполнение синхронизации - она то выполняется, то не выполняется.
Статьи википедии по теме:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Асинхронный_способ_передачи_данных
https://ru.wikipedia.org/wiki/Асинхронная_последовательная_коммуникация
https://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_serial_communication
https://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_communication
В википедии асинхронный режим передачи данных проиллюстрирован такой картинкой:
Из-за излишней компактности иллюстрации некоторые соседние надписи на этой иллюстрации сливаются и зритель с первого раза может воспринять некоторые соседние надписи на этой картинке за одну надпись, что может сильно затруднить понимание. На самом деле, на этой картинке только надпись «data bits» состоит из двух слов. Все остальные надписи - однословные.
Чтобы соседние надписи не сливались, я отделил их друг от друга цветом, кое-где добавил к линиям стрелки для понятности, и некоторые линии сделал пунктирными:
Понятия «mark» и «space», использующиеся в англоязычной литературе, посвященной передаче цифрового сигнала, по-русски означают «логическая единица» и «логический нуль» соответственно или для булевой алгебры - «true» («истина») и «false» («ложь»). В физическом смысле логическая единица может представляться, к примеру, высоким уровнем сигнала, а логический нуль - низким уровнем сигнала, или наоборот. В англоязычной википедии по этим понятиям есть статья «Mark and space». На рассматриваемом рисунке логическая единица («mark») показана высоким уровнем цифрового сигнала, а логический нуль («space») показан низким уровнем цифрового сигнала.
Как и описывалось выше при определении понятия «асинхронной» передачи цифрового сигнала, на рисунке есть промежутки, в течение которых канал заполнен данными, и промежутки, в течение которых канал не заполнен данными (последнее состояние на рисунке обозначено английским словом «idle», которое по-русски в данном случае значит «пустой» или «незанятый»). На рисунке таких незанятых промежутка два: перед стартовым битом первого байта и после стопового бита второго байта. Между двумя байтами, изображенными на рисунке, незанятого данными промежутка «idle» нет, но он может быть. Просто в данном случае байты переданы впритык друг к другу, но могли быть переданы и разделенными промежутком «idle».
На рисунке промежуток «idle» показан высоким уровнем сигнала, но в разных протоколах он может быть представлен как высоким уровнем сигнала, так и низким уровнем сигнала. Тут есть условие: стартовый бит всегда должен быть представлен уровнем сигнала, противоположным уровню промежутка «idle», а стоповый бит должен быть представлен уровнем сигнала, совпадающим с уровнем промежутка «idle». Очевидно, что стартовый и стоповый биты должны быть представлены противоположными уровнями сигнала.
Как работает асинхронный режим передачи цифрового сигнала? Каждый кусок (пакет, байт и тому подобное) данных может быть передан отдельно, отделяясь (или не отделяясь) друг от друга промежутками «idle» (канал не занят данными). При приеме очередного байта получателю сигнала нужно достичь синхронизма с источником сигнала, чтобы получить данные без ошибок. Для этого получателю сигнала необходимо знать момент начала входящего байта. Этот момент на обсуждаемом рисунке обозначен передним фронтом стартового бита («start»): в данном случае это переход из высокого уровня сигнала к низкому уровню сигнала. После передачи битов данных («data bits») обязательно нужно вернуть цифровой сигнал на уровень промежутка «idle», то есть в случае, показанном на обсуждаемом рисунке - на высокий уровень сигнала. Это нужно для того, чтобы было возможно отметить начало следующего байта передним фронтом стартового бита следующего байта. Возврат на уровень сигнала, соответствующий промежутку «idle», выполняется стоповым битом («stop»).
Для достижения синхронизма кроме начала участка цифрового сигнала, содержащего цифровые данные, получателю сигнала для правильного приема нужно знать длину одного бита цифрового сигнала. Как я понимаю, скорость передачи данных между стартовым и стоповым битом, определяющая длину одного бита сигнала, становится известна получателю сигнала перед началом передачи данных (настроена заранее), поэтому получателю сигнала в данном случае и требуется только информация о начале каждого байта.
Как видно из рисунка, к каждому байту данных при асинхронной передаче необходимо добавлять два дополнительных бита: стартовый и стоповый. Такую передачу цифрового сигнала часто называют «старт-стопной» передачей данных. Очевидно, что эти дополнительные биты уменьшают скорость передачи данных по сравнению с синхронным режимом передачи данных, при котором все байты передаются впритык друг к другу, без дополнительного обозначения начала и конца байта с помощью стартового и стопового битов.
Скорость передачи данных при асинхронном режиме передачи меньше еще и из-за того, что между байтами могут вставляться промежутки «idle» (канал не занят данными), а при синхронном режиме передачи между передаваемыми данными нет никаких лишних промежутков.
Оба эти режима передачи данных сегодня используются. В англоязычной википедии есть хорошая небольшая статья, сравнивающая эти режимы:
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_synchronous_and_asynchronous_signalling