Способ передачи информации параллельно последовательный

Компьютерная Энциклопедия

Архитектура ЭВМ

Компоненты ПК

Интерфейсы

Мини блог

Самое читаемое

Введение

Параллельные и последовательные интерфейсы

Общая информация параллельных и последовательных интерфейсов

Для компьютеров и связанных с ним устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных количествах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Для того чтобы передавать группу битов, используются два основных подхода к организации интерфейса:

• параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита);
• последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (COM-порт), последовательные шины USB и FireWire, PCI Express, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

На первый взгляд организация параллельного интерфейса проще и нагляднее и этот интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемопередающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы.

Скорость передачи данных интерфейсов

Теперь подробнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на продолжительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно воспользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной продолжительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного она соответствует числу параллельных сигнальных цепей передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимой тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумной цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже очевидны выгоды последовательного интерфейса: для него, в отличие от параллельного интерфейса, затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность.

В параллельном интерфейсе существует явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно выставленные на одной стороне интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за разброса характеристик цепей. На время прохождения влияет длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть существенно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине набегает и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше используется параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп, для каждой из которых используются свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемопередающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах, не превышающих десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 нс сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20–25 см. Наносекунда — это период сигнала с частотой 1 ГГц.

Повышения пропускной способности параллельных интерфейсов

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса ATA (режимы UltraDMA) и прокатилась уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (Source Synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности (валидности) данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (пространственных) точках временные соотношения между сигналами данных и сигналами синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем выше амплитуда сигнала, тем выше должна быть скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.

Повышения пропускной способности последовательных интерфейсов

В последовательном интерфейсе явления перекоса отсутствуют, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемопередающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс — слишком дорогое удовольствие.

Вышеприведенные соображения объясняют современную тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.

Источник

Параллельная и последовательная передача

Передача данных между компьютерами и прочими устройствами происходит параллельно или последовательно. Большинство персональных компьютеров пользуется параллельным портом для работы с принтером. Термин “параллельно“ означает, что данные передаются одновременно по нескольким проводам. Чтобы послать байт данных по параллельному соединению, компьютер устанавливает одновременно восемь бит на восьми проводах (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Два компьютера соединённые параллельным каналом

Как видно из рис. 2.1, параллельное соединение по восьми проводам позволяет передать байт данных одновременно. Напротив, последовательное соединение подразумевает передачу данных по очереди, бит за битом. В сетях чаще всего используется именно такой способ работы, когда биты выстраиваются друг за другом и последовательно передаются (принимаются тоже последовательно). На рис.2.2 показано, как передаётся двоичное число.

Рис. 2.2. Два компьютера соединённые последовательным каналом

Переключение соединения используется сетями для передачи данных. Оно позволяет аппаратным средствам сети разделять один и тот же физический канал связи между многими устройствами. Рассмотрим, например телефонные переговоры. Возьмём ситуацию, когда вы не хотите использовать коммутируемые телефонные линии. Для того, чтобы позвонить, например, тысяче абонентов, вы должны будете воткнуть в телефонный аппарат тысячу проводов, соединяющих с ними напрямую. Поскольку описанная ситуация чрезвычайно неудобна, большинство людей пользуется коммутируемыми линиями для переговоров. По этой причине сети используют коммутацию (переключение) соединений. Два основных способа переключения соединения – переключение цепей и переключение пакетов.

Переключение цепей создаёт единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, ни одно другое не сможет воспользоваться этим соединением для передачи собственной информации – оно вынуждено ждать, пока соединение освободится. Другими словами, переключение цепи позволяет устройствам делить между собой один и тот же коммуникационный канал, однако каждое устройство должно ждать, пока наступит его очередь передавать или принимать данные.

Простой пример переключателя цепей – переключатель типа А – В, служащий для соединения двух компьютеров с принтером. Чтобы один из компьютеров мог печатать, вы поворачиваете тумблер на переключателе, устанавливая непрерывное соединение между компьютером и принтером. Образуется соединение “точка-точка”. Только один компьютер может печатать в одно и то же время (рис. 2. 3).

Рис. 2.3. Переключение цепей на примере переключателя А–В

В этом примере пятьдесят пассажиров — не что иное, как пятьдесят байтов данных. В сети пакетной коммутации эти пятьдесят байтов могу следовать одновременно одним пакетом (автобус), а могут — в нескольких (отдельные автомобили). Так же как и автобус, и автомобили прибудут в одно и тоже место назначения, все наши пакеты, несомненно, сделают то же самое, несмотряна то, что пути, которыми они следовали, могут быть совершенно различны.

Для сравнения двух видов соединения в сети, предположим, что мы прервали канал в каждомих них. Например, отключив принтер от компьютера А на рис.2.3. (переставив тумблер в положение В), его лишили возможности печатать. Соединение с переключением цепей требует наличия непрерывного канала связи.

Наоборот, данные в сети с переключением пакетов могут двигаться различным путями (рис. 2.4.). Данные необязательно следуют одной дорогой на пути между офисным и домашним компьютерами.

Рис. 2.4. Сеть с переключением пакетов

Разрыв одного из каналов не приведет к потере соединения — данные просто пойдут другим маршрутом.

На первый взгляд, сети с переключением пакетов кажутся проще, чем какие либо еще. Достаточно послать пакет, указав ему направление движения (при симплексной связи), и предоставить возможность найти дорогу самому. Однако сети, к сожалению, а может быть, к счастью, не так просты и состоят отнюдь не из пары компьютеров.

Сети с переключением пакетов имеют множество альтернативных маршрутов для пакетов. Данные перемещаются в обоих направлениях. Следовательно, каждый пакет должен содержать адрес назначения. (Пакеты часто содержат и адрес отправления.) Концепция адресации пакетов — одна из важнейших в программировании для Интернет.

Все компьютеры в сети должны быть соединены передающим носителем какого-либо типа (например, кабелем). Расположение кабелей, соединяющих компоненты воедино, называется физической топологией.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети. Логическая и физическая топологии относительно независимы друг от друга.

Физическая топология сети определяет не только физическое расположение кабелей, но и физическое подключение клиентов к сети. В настоящее время используются сети, строящиеся на основе топологий трех типов (а также различных производных от этих типов). К таким типам топологий относятся:

• топология типа “звезда” (star);
• топология “кольцо” (ring);
• шинная топология (bus).

Каждый из этих трех типов топологий имеет свои достоинства и недостатки.

При построении сети по линейной схеме, каждый компьютер подключается к одному кабелю. На конце каждого кабеля устанавливается оконечное сопротивление (терминатор). Сигнал проходит по сети через все подключенные компьютеры, отражаясь от оконечных терминаторов (рис. 2.5.).

В локальной сети шинной топологии (рис. 2.6–2.10) сетевой кабель подключается к каждому компьютеру с помощью Т-разъема.

Шина проводит из одного конца сети в другой, при этом каждая рабочая станция проверяет адрес послания, и если он совпадает с адресом рабочей станции, она его принимает. Если адрес не совпадает с адресом рабочей станции, сигнал уходит по линии дальше.

В другом варианте локальной сети шинной топологии каждая рабочая станция подключается к “основному” кабелю с помощью вспомогательных отводов.

В сети регулярной шинной топологии (рис. 2.11) компьютеры подключаются к одному центральному кабелю с помощью отводов.

Сети шинной топологии пассивны, т.е. компьютеры, подключенные к такой сети, только принимают информацию и не отвечают за ее передачу. Если одна из подключенных машин не работает, это не влияет на сеть в целом. Однако, если соединение любой из подключенных рабочих станций нарушается из-за отсутствия контакта в разъеме или разрыве кабеля, весь сегмент сети (участок кабеля между двумя терминаторами) теряет целостность, что приводит к невозможности работы сети.

Один из недостатков шинной топологии – при наличии одного испорченного участка кабеля перестает работать вся сеть (табл. 2.1). Для того чтобы определить, в каком участке произошел разрыв, ее нужно проверить методом “деления пополам”. Этот метод заключается в том, что проверяемую сеть разделяют на два равных по длине участка и проверяют, в каком из них находится разрыв. Участок, содержащий разрыв, в свою очередь делится пополам, и так далее, до тех пор, пока не будет обнаружен дефектный кабель.

В качестве кабеля используется коаксиальный кабель.

Статьи к прочтению:

Топологии компьютерных сетей

Похожие статьи:

Начиная с середины 80-х XX века было очевидно, что последовательный (RS-232С) и параллельный (Centronics) порты не обеспечивают достаточной скорости для…

RS-232 – это название стандарта (RS – recommended standard – рекомендуемый стандарт, 232 – его номер), который был разработан в 60-х годах прошлого века…

Источник