Пример простейшей системы связи иллюстрируется на рис. 1.1. На этом рисунке изображены два человечка А и В, находящиеся в отдельных комнатах 1 и 2. А и В хотят связываться между собой путем передачи инфор.мации из комнаты 1 в комнату 2. Между этими комнатами имеется единственный канал связи - от выключателя в комнате 1 к лампе в комнате 2 (для простоты мы будем пренебрегать наличием выводов источника питания).

Предположим, что А и В условились о следующей процедуре. В нормальном состоянии лампа погашена. Если лампа загорается, то В вызывается в комнату 1. Таким образом, когда А желает передать информацию Иди ко мне, В, ты мне нужен , он просто устанавливает выключатель в положение ВКЛЮЧЕНО.

Обратите внимание, что в этом примере для передачи информации используется метод изменения состояния (модуляции) выходного устройства (лампы), которое переходит из одного четко определенного и распознаваемого состояния (ВЫКЛЮЧЕНО) в другое также четко определенное и распознаваемое состояние (ВКЛЮЧЕНО). Это наиболее фундаментальный из всех имеющихся способов модуляции, и он по-прежнему остается важнейшей составляющей многих видов связи, например ручной телеграфии (код Морзе).

Рис. 1.1. Простейшая система связи Комната 1

Комната 2

Выключатель

Лампа

Рис. 1.2. Параллельная передача информации

Комната 1 Комната 2

А

О

riepei

жлючатель 1

Переключатель 2 L2

(9 9

А

Параллельная передача. Ширина канала, по которому передается информация, может определять скорость информационного потока, а также влиять на форму представления самой информации. Для того чтобы проиллюстрировать это, модифицируем предыдущий пример, добавляя еще одну лампу и двух человечков С и D в комнату 2, как показано на рис. 1.2.

Наши действующие лица условились, что загорание лампы L1 будет сигналом вызова человечка В в комнату 1. Аналогично, если загорается лампа L2, то вызывается С. И наконец, если одновременно загораются лампы L1 и L2, то вызывается D. Таким образом, А может послать четыре следующих различных сообщения:

Лампа L1

Выключена

Включена

Выключена

Включена

Лампа L2

Выключена

Выключена

Включена

Включена

Сообщение Никто не нужен Вызывается В Вызывается С Вызывается D

Обратите внимание, что в данном методе передачи информации каждый элементарный сигна.п, участвующий в формировании полного сообщения, посылается по отдельной линии в канале связи. Это так называемая параллельная передача. При добавлении в канал связи большего числа пара.плельных проводов и увеличении ширины канала - большее число элементарных сигналов может быть передано в одном сообщении.

Преимущество параллельной передачи данных заключается в том, что время, необходимое для передачи законченного сообщения, по су-

ществу не зависит от числа элементарных сигналов в этом сообщении. Самый большой недостаток - необходимость использования овдель-ных дополнительных элементов канала - передатчика, линии передачи и приемника - для передачи каждого дополнительного элементарного сигнала. В приведенном выше примере требуются две лампы и два выключателя, а также две отдельных жилы кабеля для их соединения. На практике параллельные каналы обычно используются для передачи данных на небольшие расстояния.

Последовательная передача. Предположим теперь, что члены уже известного нам коллектива из предыдущего примера пришли к заключению (вероятно, при обсуждении своего бюджета), что они могут использовать только одну линию передачи данных в канале связи, как показано на рис. 1.3. Совершенно ясно, что простая схема ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО из примера на рис. 1.1 теперь для них непригодна. Для решения проблемы связи А предлагает следующую схему сообщений:

Работа лампы Выключена Одна вспышка Две вспышки Три вспышки

Сообщение Никто не нужен Вызывается В Вызывается С Вызывается D

Поставив в соответствие каждому сообщению четко определенное число вспышек лампы, наши человечки создали систему кодирования, благодаря чему четыре различных сообщения могут пересылаться по

Рис. 1.3. Последовательная передача информации

Комната 1

Комната 2

одному информационному каналу, пропускающему сигнал только с двумя возможными состояниями (ВКЛЮЧЕНО и ВЫКЛЮЧЕНО). Кроме того, данный метод связи позволяет легко расширить число возможных сообщений путем использования дополнительных серий вспышек. Заметим, что элементарные сигналы, формирующие сообщение, прибывают на конечный пункт в виде распределенной в некотором промежутке времени последовательности сигналов. Другими словами, в рассматриваемой системе связи используется последовательная передала данных.

Естественно, что человечки из примера на рис. 1.3 для решения своих проблем могли придумать много других альтернативных систем кодирования. Для представления различных состояний они могли бы, например, использовать вспышки различной длительности - одиночные или р комбинации друг с другом (одним из примеров такого кодирования является код Морзе). Вообще, число возможных схем кодирования бесконечно. Предоставленные самим себе на достаточно долгий срок, наши человечки непременно учредили бы наблюдательный комитет по выработке и опубликованию стандартов связи, определяющих надлежащую длительность вспышек, их частоту, форму и полную продолжительность.

Главным преимуществом последовательной передачи данных является независимость установки числа элементарных сигналов в сообщении от ширины канала. Однако за эту гибкость приходится расплачиваться временем, необходимым для пересылки одного полного сообщения по каналу (по одному элементарному сигналу в каждом элементарном акте пересылки). На практике гибкость метода последовательной передачи данных перевешивает этот недостаток и определяет предпочтительность использования данного метода дли связи как на малых, так и на больших расстояниях.

Параллельно-последовательное преобразование. Как уже отмечалось выше, параллельные схемы обычно применяются для связи на близких расстояниях, когда для каждого элемента сообщения можно выделить овдельную линию передачи. С другой стороны, последовательные схемы лучше подходят для связи на более далеких расстояниях. Во многих системах связи преимущества обоих методов передачи данных сочетаются благодаря включению параллельно-последовательных и последовательно-параллельных преобразователей. Этот принцип иллюстрируется на рис. 1.4. Мы видим, что здесь на работу наняты два дополнительных человечка. Их единственная обязанность - преобразовывать сообщения сначала из па-

Рис. 1.4. Параллельно-последовательное и последовательно-параллельное преобразования

Комната Комната

передатчика Комната 2 приемника

Комната 1

Параллельная передача

Последовательная передача

Параллельная передача

раллельной формы в последовательную, а затем из последовательной формы обратно в параллельную.

Синхронизация

До сих пор во всех приведенных выше примерах не затрагивался один важный вопрос: как человечки на приемном конце канала догадываются, что сообщение должно начаться или что сообщение закончилось? Ведь если, например, за сообщением одна вспышка сразу же последует сообщение две вспышки , то эту последовательность из двух различных сообщений можно неверно истолковать как одно сообщение три вспышки . Для того чтобы система связи действительно была работоспособной, в ее структуре должен быть предусмотрен способ однозначного определения моментов начала и конца сообщения.

В простой ситуации, представленной на рис. 1.1, в момент погасания лампы можно однозначно утверждать, что закончилась передача текущего сообщения и нужно приготовиться к приему следующего. Гораздо сложнее ситуация в примере на рис. 1.3. Здесь для предсказуемого функционирования канала связи нужна синхронизация (буквально, согласование событий во времени), которая обеспечивала бы согласование передающего и приемного концов канала.

Рис. 1.5. Синхронная передача информации

Комната 1 Комната 2

Синхронизация

Синхронизация

А

Последовательная

передача

Синхронная передача. Модифицированный вариант системы последовательной передачи данных показан на рис. 1.5. В этом случае наши человечки выработали следующее соглашение или протокол.

Передача сообщения будет начинаться точно в начале каждой текущей минуты.

Каждое сообщение будет состоять из шести элементарных сигналов.

Отдельные элементарные сигналы будут передаваться по одному в каждом текущем 10-с интервале (0-10, 10-20,..., 50-59 с).

Каждый элементарный сигнал будет сохранять свое значение в течение 10 с.

Во временном интервале, выделенном для каждого элементарного сигнала, лампа должна находиться в одном из двух состояний: ВКЛЮЧЕНО или ВЫКЛЮЧЕНО.

Значение элементарных сигналов на приемном конце канала следует измерять в середине выделенных им временных интервалов (на 5-ой, 15-ой,..., 55-ой секундах).

В результате этого соглашения обитатели комнаты 2 могут быть абсолютно уверены, что точно в начале каждой минуты текущего времени (в 8.00, 8.01 и т. д.) заканчивается предыдущее сообщение и начинается следующее. Как при передаче, так и при приеме сообщения распределение элементарных сигналов во времени жестко связано с независимыми часами. Это так называемая синхронная связь - синхронная в смысле жесткого согласования процесса передачи информации с внешним (реальным) временем.

Однако при реализации этого сценария возникает одна серьезная проблема. Если часы в обеих комнатах не показывают одно и то

же время с той точностью, которую требует протокол, то приходящие сообщения будут интерпретироваться неверно. Но если даже каким-либо способом эти часы удалось запустить в один и тот же момент времени, то нет никаких гарантий, что другие факторы в конечном счете не приведут к нарушению их синхронности на большом временном интервале. Такими факторами могут быть, например, незначительные различия в часовых механизмах, изменения частоты и напряжения в источниках питания часов и т. д. Ясно, что для синхронной передачи информации недостаточно просто один раз сверить часы. Процесс синхронизации (сверки показаний часов) должен периодически повторяться.

В распоряжении наших человечков имеется несколько способов обеспечения синхронной работы своих часов. Например, они могли бы заставить работать часы в режиме взаимного контроля или под контролем одних ведущих часов, используя непосредственное соединение. Естественно, что этот способ потребовал бы введения дополнительной линии связи для передачи временной (синхронизирующей) информации и был бы целесообразен только при связи на близких расстояниях.

Более общим решением проблемы является разработка такого протокола, в соответствии с которым требуемые синхронизирующие сигналы передаются по основному каналу связи. Человечек в комнате 1 мог бы, например, в определенный момент каждого текущего часа включать лампу точно на 60 с. Обитатели комнаты 2, зная о том, что такой сигнал должен поступить, могли бы использовать полученную информацию для установки своих часов.

Поэтому мы будем определять синхронную связь как процесс перемещения информации по каналу передачи данных под управлением синхронизирующих сигналов, которые обеспечивают синхронность работы передатчика и приемника по отношению к внешнему (реальному) времени. Обратите внимание, что для синхронной связи необходимо также, чтобы передатчик и приемник работали в соответствии с протоколом, регламентирующим обмен синхронизирующими сигналами и данными.

Асинхронная передача. Как мы уже видели, основная проблема при использовании синхронной связи - это необходимость обеспечения синхронной работы часов на передающем и приемном концах канала и, следовательно, необходимость периодической передачи синхронизирующей информации по каналу связи. Поскольку эта проблема связана с использованием часов, решим ее радикально - просто удалим часы, как показано на рис. 1.6. При этом, конечно, должен

Рис. 1.6. Асинхронная последовательная передача информации

Комната 1

Комната 2

быть предусмотрен какой-то способ однозначного определения как момента начала, так и момента окончания сообщения.

В качестве альтернативы предыдущего протокола, устанавливающего привязку начала сообщений к определенным моментам реального времени, наши человечки договариваются разработать протокол, в котором каждое сообщение самосинхронизируется. Возможна следующая модификация предыдущего протокола.

Сигналом начала передачи сообщения будет загорание лампы ровно на 5 с (состояние ВКЛЮЧЕНО) с последующим 5-секундным интервалом в состоянии ВЫКЛЮЧЕНО.

Каждое сообщение будет состоять точно из шести элементарных сигналов.

Отдельные элементарные сигналы будут передаваться по одному в каждом текущем 10-секундном интервале сразу же за сигналом начала сообщения.

Каждый элементарный сигнал будет сохранять свое значение в течение 10 с.

Во временном интервале, выделенном для каждого элементарного сигнала, лампа должна находиться в одном из двух состояний: ВКЛЮЧЕНО или ВЫКЛЮЧЕНО.

Значение элементарных сигналов на приемном конце канала следует измерять в середине выделенных им временных интервалов.

Заметим, что синхронизация по-прежнему остается важным фактором в приеме сообщения. Действительно, если сообщение началось, то каждый элементарный сигнал в нем имеет фиксированную длительность и должен быть принят в надлежащее время. Главное от-

личие от случая синхронной связи состоит в том, что синхронизация должна поддерживаться только в течение времени, необходимого для передачи одиночного сообщения, а не их вереницы. Каждое новое передаваемое сообщение заново синхронизирует передатчик и приемник. Одно из следствий этого протокола - неограниченность временного интервала между двумя последовательными сообщениями. Такие самосинхронизирующиеся сообщения снимают те ограничения (связанные с использованием часов), которые накладывает протокол синхронной связи (синхронный протокол).

В технике связи протокол, задающий самосинхронизацию передаваемых сообщений, называется протоколом асинхронной связи (асинхронным протоколом). Термин асинхронный означает, что события (элементарные сигналы) не совпадают с какими-то определенными моментами реального времени. Следует иметь в виду, что асинхронная передача и несинхронизированная передача - это не одно и то же. Несинхронизированную передачу данных чаще называют мусором (garbage).

Наблюдая за тем, как человечки совершенствуют свои стандарты связи, вы, я надеюсь, смогли получить ясное представление о некоторых проблемах, возникающих при передаче информации. Мы могли бы и дальше использовать примеры с человечками, пока не обсудили бы все аспекты теории связи. Однако гораздо лучше и проще обратиться теперь к реальному миру и приступить к детальному анализу реальных систем связи.

Асинхронная архитектура

в начале главы мы постулировали простое определение связи. Затем были проиллюстрированы некоторые механизмы и протоколы, в соответствии с которыми связь могла бы осуществляться в идеальных условиях. Во всех случаях использование аналогий заставляло отказываться от обсуждения всех деталей и ограничений в пользу общего рассмотрения затрагиваемых вопросов. В следующих разделах мы сделаем решительный шаг к реальному миру путем введения терминологии и принципов, обеспечивающих базис для обсуждения большинства вопросов, рассматриваемых в оставшейся части книги.

Изучение асинхронной последовательной связи может вызвать своеобразный культурный шок у многих программистов. Обладая успешно завоеванным миром битов и байтов, ОЗУ и ПЗУ, программ обработки прерываний и т.п., эти весьма эрудированные специалисты друг обнаруживают, что они оказались в мире, который основан на технике 80-х годов - имеются в виду 1880-е годы! Терминология, ис-

пользуемая для описания функционирования последовательной связи, пришла к нам в почти неизменившемся виде от самых первых систем связи, основанных на ручной телеграфии. Многие термины и большая часть технических приемов по-прежнему используются в наши дни в телеграфной и телетайпной связи, а также в радиосвязи.

Характеристики канала

В самом общем виде асинхронная связь может быть осуществлена с использованием линии передачи данных, состоящей всего из двух проводов. Например, в асинхронной системе связи с лампой и выключателем, изображенной на рис.1.6, канал связи является неотъемлемой частью системы и обеспечивает подвод тока для зажигания лампы. Каналы связи, которые, пожалуй, известны вам лучше всего, по существу реализованы по той же двухпроводной схеме - имеется в виду коммутируемая телефонная сеть общего пользования (general switched telephone network - GSTN).

Уровни сигналов. Даже самые первые коммерческие системы связи были предназначены для автоматической печати символов на приемном конце канала. Поэтому в первых телеграфных системах использовались устройства с управляемым пером и бумажной лентой, которые автоматически записывали передаваемую по каналу информацию (термин телеграф буквально означает писать на расстоянии ). Косвенное влияние этого способа регистрации информации отражено в описательных названиях, присвоенных соответствующим сигналам.

Рассмотрим систему на рис. 1.6. Для того чтобы эта система по принципу работы стала похожей на первые телеграфные системы, можно было бы заменить в ней лампу на перо. Тогда пропускание тока по проводам приводило бы в действие перо на приемном конце линии связи, и оно оставляло бы метку (маркер) на движущейся бумажной ленте. Поэтому, если линия находится в активном (токовом) состоянии, то говорят, что на ней действует сигнал маркера {MARK). В отсутствие тока перо отходило бы от бумаги, оставляя пробел. В этом случае говорят, что на линии действует сигнал пробела {SPACE).

В том же самом примере (рис. 1.6) состояние линии, соответствующее отсутствию передачи какого-либо сообщения, мы определяли как состояние лампа выключена . Неудобство такого соглашения связано с тем, что в бестоковом состоянии не удается сразу же выявить повреждение линии передачи (например, разрыв провода). Ведь вполне вероятна неотличимая от аварийной ситуация, когда в конкретной

Рис. 1.7. Последовательная передача данных

Время->

LTU

<ожиданив> 1 1 1 0 1 11 1 ] 0 ] 1 I 0 ! <ожиданив>

MARK SPACE

Первый Последний

-передаваемый Ьпередаваемый разряд разряд

системе связи в течение достаточно длительного промежутка времени просто не передаются сообщения. Для решения этой проблемы на неиспользуемой в данный момент линии передачи, находящейся в состоянии ожидания (простоя), как правило, поддерживается сигнал маркера. Тогда приемник может идентифицировать длительное наличие сигнала пробела (эквивалентное сигналу разрыва - BREAK) как ошибку или обстоятельство, требующее внимания.

На рис. 1.7 показано, как представляется информационный поток при последовательной связи. В этом примере в состоянии ожидания на линии действует сигнал маркера. Затем передаются цифры двоичного числа 0101101b. По соглашению сигнал маркера соответствует двоичной 1, сигнал пробела - двоичному 0.

Обратите внимание, что последовательные элементарные сигналы, представляющие двоичные цифры, изображены на рис. 1.7 именно в том порядке (слева направо - в положительном направлении оси времени), в каком они изображались бы на экране осциллографа при мониторинге линии связи. Первый передаваемый бит (младший значащий разряд - МЗР) является первым (самым левым) на временной оси. Поскольку МЗР обычно находится в самой правой позиции числа, то временную диаграмму сигналов можно рассматривать, как запись двоичного числа в обратном порядке - от конца к началу.

Скорость передачи сигналов. Термины скорость передани (быстродействие канала) в бодах и скорость передачи битов часто используют в одном и том же смысле, что в корне неверно. Как объясняется ниже, эти два термина описывают принципиально различные характеристики канала связи.

В бодах выражается первичная скорость изменения электрических характеристик сигнала в канале связи. Скорость передачи в

бодах - это число потенциально реализуемых переходов между различными состояниями канала за единицу времени - независимо от числа этих состояний и их интерпретации. Таким образом, скорость передачи в бодах является физической характеристикой самого сигнала и не имеет жесткой связи с данными, пересылаемыми посредством этого сигнала. Каждое возможное изменение состояния канала называется элементарной посылкой {элементарным сигналом) или событием, а быстродействие канала выражается числом элементарных посылок в секунду: 1 бод = 1 посылка в секунду.

Иначе определяется скорость передачи битов: это число информационных двоичных разрядов, передаваемых по каналу за единицу времени. Скорость передачи битов выражается в битах в секунду (бит/с) и в тех случаях, когда один элементарный сигнал используется для представления нескольких (двух и более) двоичных разрядов, отличается от быстродействия канала в бодах не только по смыслу, но и численно.

Рассмотрим, например, схему модуляции сигнала с четырьмя возможными состояниями канала для представления инфopмaции^). Каждому из этих состояний можно поставить в соответствие одну из четырех возможных двухразрядных комбинаций: 00, 01, 10, И. При использовании такой схемы кодирования канал с быстродействием 600 бод обеспечивает передачу информации со скоростью 1200 бит/с. Аналогично, схема модуляции, использующая 16 возможных состояний канала, позволяет реализовать кодирование каждой из четырехразрядных двоичных комбинаций одним элементарным сигналом и достичь скорости передачи информации до 2400 бит/с по тому же каналу связи. Скорость работы канала в бодах и скорость передачи битов имеют одинаковые значения только в том случае, когда один элементарный сигнал представлят один бит информации.

Для исключения недоразумений всюду в данной книге термин скорость передачи в бодах используется в тех случаях, когда речь идет о скорости передачи электрических сигналов (быстродействии канала). При описании процессов передачи информации используется термин скорость передачи битов в единицах бит/с.

Поток данных. С точки зрения теории связи поток информации в канале имеет две важные характеристики: величину и направление. До сих пор во всех примерах информационный поток рассматривался как однонаправленный. Системы связи, способные обеспечить передачу информации только в одном направлении, называются симплексными системами.

Например, четьфе состояния, отличающиеся значетитми фазы несущего нусоцдильаого сигнала (0°, 90 , 180 , 270°); см. гл. 5. - Прим. перев.

Однако большинство систем связи предназначено для обмена информацией. Канал связи, позволяющий передавать информацию в обоих направлениях, но не одновременно, называется полудуплексным. Направление информационного потока в таком канале может изменяться на обратное, и это изменение осуществляется с помощью некоторого заранее оговоренного сигнала, передаваемого между связывающимися друг с другом устройствами. Например, в полудуплексной радиосвязи традиционная для передающей стороны фраза конец передачи, прием оповещает приемную сторону, что роли передатчика и приемника с этого момента изменяются на обратные. Эта операция известна как передача (обращение) линии . Поскольку характеристики канала не зависят от направления информационного потока, скорость передачи в обоих направлениях одинакова.

Канал, позволяющий передавать информацию в обоих направлениях и одновременно, называется дуплексным. Например, при дуплексной связи по четырехпроводному каналу одна пара проводов используется для переноса данных в одном направлении, вторая па ра - в другом. Дуплексная передача может осуществляться и по двухпроводному каналу путем использования временного разделения сигнальных посылок с соответствующим двукратным уменьшением быстродействия канала. Современные системы связи, в которых используются методы подавления эхо-сигналов, позволяют реализовать полное быстродействие канала при передаче информации одновременно в обоих направлениях.

Систему можно назвать дуплексной в полном смысле этого понятия только в том случае, когда она обеспечивает одинаковые скорости передачи сигналов в обоих направлениях. Если эти скорости различны, то мы имеем дуплексную систему с односторонним первичным каналом в одном направлении и односторонним вторичным каналом - в другом.

Для простоты мы будем называть мультиплексным такой канал, по которому могут передаваться несколько сигналов одновременно (независимо от направления). В большинстве современных систем связи используются те или иные формы мультиплексирования для увеличения числа сигналов, одновременно передаваемых по каналам связи. Полное быстродействие канала при этом, однако, не изменяется.

Асинхронный формат данных

Необходимым условием информационного обмена является соглзг сованное использование передатчиком и приемником определенного формата передаваемых данных. При асинхронной связи с каждым символом, входящим в формируемое сообщение, должна передавать-

ся его собственная синхронизирующая информация. Ниже объясняется, как система связи генерирует эту информацию и зачем эта информация нужна.

Информационные биты. Термин символ, используемый в настоящем контексте, обозначает совокупность битов, передаваемых как единое целое. В типичной информационной РС-системе символ может включать от 5 до 8 битов. В системах связи, использующих простейшие методы модуляции, каждый двоичный разряд символа кодируется одним элементарным сигналом, который затем пересылается по каналу.

Для своей пересылки многоразрядный символ должен быть разложен в упорядоченную последовательность отдельных битов. Этот процесс известен как преобразование символа в последовательную форму. Когда символ в последовательной форме передается по каналу, самый младший разряд всегда посылается первым. Остальные разряды передаются в порядке увеличения их веса. На приемном конце исходный символ восстанавливается с помощью обратной операции последовательно-параллельного преобразования.

Теоретически процесс преобразования символа в последовательную форму с его последующей передачей и восстановлением выглядит очень просто. Однако на практике ситуацию усложняет проблема синхронизации. На рис. 1.8 показано, как могла бы выглядеть временная диаграмма сигнала на линии передачи данных при передаче 4-разрядного символа 1011b (4-разрядный символ используется здесь для упрощения примера). По соглашению, в состоянии ожидания, т. е. до начала передачи символа и сразу же после ее завершения, на линии действует сигнал MARK. Временная ось на диаграмме направлена слева направо.

Нам легко распознать значения отдельных разрядов пересылаемого символа на приведенной диаграмме, поскольку мы знаем, о чем идет речь. Однако это непростая задача для приемника. Значения двух первых пересылаемых разрядов равны 1, т. е. соответствуют

Рис. 1.8. Данные на линии последовательной передачи

Время-

и

MARK(l) SPACE (0)

<ожидание> 1 1 0 1 <ожидание>

уровню сигнала на линии в состоянии ожидания. Пока приемник не будет извещен, что ему следует считывать значения информационных разрядов в определенные моменты времени, он не сможет отличить наличие данных на линии от состояния ожидания. Совершенно ясно, что здесь не обойтись без синхронизации.

Стартовый бит. В начале данной главы уже отмечалось, что возможной альтернативой методу синхронизации, основанному на прямой привязке начала сообщений к некоторым моментам реального времени, является передача самосинхронизованных сообщений. В примере на рис. 1.8 сообщение состоит из одного символа, так что самосинхронизация здесь легко достигается с помощью передачи синхронизирующего сигнала, или стартового бита, непосредственно перед пересылкой информационных разрядов символа.

На рис. 1.9 стартовый бит пристыкован спереди к каждому из двух передаваемых одинаковых символов 101 lb. Видно, что этот стартовый бит ничем не отличается от обыкновенного информационного бита со значением SPACE. Способность стартового бита обеспечивать синхронизацию обусловлена тем фактом, что при его использовании передача каждого действительного символа должна обязательно начинаться с бита, имеющего значение SPACE. Регистрация бита SPACE на линии, находившейся до этого в состоянии ожидания (MARK), означает, что за ним сразу же последует передача информэг ционных разрядов некоторого символа. Приемник просто считывает значения ожидаемого числа информационных разрядов, затем ждет начала передачи следующего символа, о чем будет сигнализировать следующий стартовый бит и т. д. Блок-схема на рис. 1.10 иллюстрирует логику этого процесса.

Хотя кажется, что стартовый бит решает проблему определения начала передачи символа, он все равно подвержен искажениям и недостаточен для обеспечения надежной связи. Действительно, самосинхронизация работы приемника осуществляется за счет того, что любой бит со значением SPACE, появляющийся на незанятой линии или сразу же после завершения передачи текущего действительного символа, является сигналом начала передачи нового символа. Это было бы всегда верно для идеальной линии. Но если стартовый бит искажается при передаче, то могут возникнуть ошибки декодировав ния принимаемых символов.

Диаграмма на рис. 1.11 иллюстрирует передачу тех же самых 4-разрядных символов, как и в примере на рис. 1.9. Однако в данном случае первый стартовый бит искажается при передаче и воспринимав ется со значением MARK вместо требуемого значения SPACE. При-

Рис. 1.9. Синхронизация Символов с помощью стартовых битов. (<idie> - ожидание)

Время-

<jdle> i 1J 1J 0 1 <idle>J I 1 { 0 I j<idle>

Стартовый бит

Стартовый бит

Рис. 1.10. Алгоритм использования стартового бита для синхронизации

MARK Определить SPACE

состояние пинии.

Рис. 1.11. Передача данных с искаженным стартовым битом. Время-->

г MARK SPACE

<idle> I 1 I 1 I 0 I 1 <idle> 1 [ 11 0 J 1 <idle>

Искаженный Ложный Неверно Ложное Ложный Неверно

стартовый стартовый считанный состояние стартовый считанный

бит бит символ ожидания бит О символ

0111 11 1111-

емник ошибочно интерпретирует искаженный стартовый бит и два первых разряда первого символа как продолжение состояния ожидания. Третий информационный разряд затем неверно интерпретируется как стартовый бит, после чего приемник считывает с линии значения четырех следующих битов и выдает ошибочный символ.

В примере на рис. 1.11 после передачи второго символа линия наг ходится в состоянии ожидания (<idle>) в течение времени, превышав юшего длительность трех разрядов. Если бы вместо этого интервала ожидания сразу же последовала передача дополнительных символов, то единственный искаженный стартовый бит вызвал бы непрерывную последовательность ошибочных интерпретаций символов, которая могла продолжаться бесконечно или до тех пор, пока какая-нибудь случайная конфигурация битов не привела бы к восстановлению синхронизации. Однако при этом приемник никогда не смог бы установить, что он неверно интерпретировал данные.

Столовый бит. Как мы уже видели, одна-единственная ошибка на линии передачи данных может полностью разрушить синхронизирующий эффект использования стартового бита. Но еще более худшим фактором, чем сама ошибка, является невозможность ее регистра ции приемником. Для исправления этой ситуации за каждым символом принято передавать синхронизирующий стоповый бит (имеющий значение MARK). Комбинация стартового бита, информационных разрядов и стопового бита называется кадром.

На рис. 1.12 стоповый бит пристыкован сзади к каждому из двух передаваемых одинаковых символов ЮИЬ. Видно, что этот стоповый бит ничем не отличается от обыкновенного информационного бита со значением MARK. Способность стопового бита обеспечивать

Рис. 1.12. Передача символов со стартовым и стоповым битами

Время-

-MARK SPACE

<ожиданив>-; ! 1 ; 11 0! 1 ! 1 ! 1 ! 1! 0 ! 1 I 1.<ожиданив>

т гт т

Стартовый Стоповый Стартовый Стоповый бит бит бит бит

Рис. 1.13. Алгоритм использования стартового и стопового битов для синхронизации

Синхронизировать часы

Считать 4 разряда

Ошибка: лбросить символ

SPACE - Считать 1 разряд

MARK

Вывести символ

Рис. 1.14. Восстановление синхронизации после ошибки в стартстопном режиме передачи, (i - ожидание)

Вре

Передаваемые данные

I-1 I-1 I-1 I-1 I-1 I-1 I-1

0 \ат 1 а ахи i в im i 0 aim 1 а оат i а 0011 i а 1001 i

Данные, принятые с искаженным битом

I-1 1 I-1 1 I-1 1 I-

1 г

111 г

0 1000 1 1 0 1111 0 1 0 0010 0 1 0 0100 0 0 0100 0 111 0 1001 1

Искаженный стартовый бит - нарушение синхронизации

Синхронизация восстановлена

синхронизацию обусловлена тем фактом, что при его использовании переда.ча каждого действительного символа должна обязательно заканчиваться битом, имеющим значение MARK.

В каждом отдельном акте передачи стартовый бит сигнализирует о начале передачи символа, приемник считывает разряды, но признак ет полученный символ действительным только при правильном знэг чении стопового бита. Если это не так, то символ отбрасывается или выдается сигнал об ошибке. Блок-схема на рис. 1.13 иллюстрирует логику этого процесса. Ошибки, возникающие из-за плохих стартовых или стоповых битов, называются ошибками кадрирования.

При надлежащих условиях ошибка кадрирования при стартстоп-ной синхронизации может со временем самоисправиться . В качестве примера в верхней Части рис. 1.14 показана возможная последовательность 4-разрядных символов вместе со стартовыми и стоповыми битами, как она могла бы выглядеть на выходе передатчика. В нижней части рисунка в эту последовательность внесена ошибка - искажен второй стартовый бит.

В соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 1.13, первый символ в этой последовательности интерпретируется правильно. Искаженный стартовый бит затем ошибочно интерпретируется как один такт состояния ожидания. Следующие четыре декодируемых символа признаются недействительными, поскольку их стоповые биты не имеют значения MARK. И наконец, на последнем символе синхронизация передатчика и приемника восстанавливается.

Хотя автоматическое восстановление синхронизации - полезное свойство, следует иметь в виду, что этот процесс не всегда происходит так быстро и просто, как в данном примере. Вообще, в потоке данных, состоящем из символов с большим числом разрядов, Но малым числом логических 1 в этих разрядах, синхронизация восстанавливается дольше. Кроме того, от самих передаваемых данных зависит, сможет ли восстановиться синхронизация и когда это произойдет. Так, 4-разрядные символы, использованные в последнем примере, были сформированы случайным образом, и процесс восстановления синхронизации завершился быстро. Если бы, например, передавался непрерывный поток символов ООООЬ, передатчик никогда бы не восстановил синхронизацию. Поэтому в системах связи часто используются специальные аппаратные средства для предотвращения такой ситуации.

Набор символов AS СП-кода

Когда фирма IBM разрабатывала свой персональный компьютер, для оснащения этого компьютера был выбран 7-разрядный код известный как Американский стандартный код для обмена информацией (ASCII). Официальное определение этого кода содержится в документе Американского национального института стандартов (ANSI): ANSI ХЗ.4-1986 Кодированный набор символов - 7-разрядный Американский национальный стандартный код для обмена информацией . Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ) имеет соответствующий стандарт Т.50, озаглавленный просто как Международный алфавит N 5 .

ASCII-код (табл. 1.1) включает 128 символов, соответствующих значениям десятичных чисел от О до 127. В таблице эти значения представлены с использованием как двоичных, так и шестнадцате-ричных цифр. Значительная часть кодов в ASCII-алфавите используется для управляющих символов и символов протокола связи и не обязательно соответствует каким-либо печатным знакам. Расшифровка аббревиатур для этих символов приведена в табл. 1.2.

Хотя набор символов ASCII-кода основан на некотором стандарте, это не означает, что существует некоторый стандартный набор символов ASCII-кода. На самом деле ASCII-стандарт указывает на возможность переопределения позиций многих символов по желанию пользователя. Что же касается стандарта МККТТ, то он еще более гибок.