Системы передачи с двумя состояниями

Телеграф Морзе имеет не только историческое значение. Большая часть терминов, относящихся к устройству Морзе, используется и по сей день. Для примера рассмотрим понятия метки (mark) и паузы (space). Если бы прибор был устроен таким образом, что бумага непрерывно двигалась бы под пишущей ручкой, присоединенной к якорю клопфера, то в момент притягивания якоря к катушке на бумаге появлялась бы метка. Таким образом, наличию тока в линии соответствовала бы метка на бумаге, а его отсутствию — пробел. Термины «метка» и «пауза» до сих пор используют в мировых стандартах, относящихся к сфере передачи данных, при описании величины тока в канале передачи.

Однако более важным, чем терминология, является принцип работы телеграфа - системы передачи с двумя состояниями. Телеграфный канал передачи может находиться в одном из двух состояний: ток течет, ток не течет. При разработке последующих систем передачи этот простой принцип применялся снова и снова. Системы передачи с двумя состояниями являются самыми простыми и надежными. В качестве двух состояний могут выступать «включено» и «выключено» (телеграф), «плюс» и «минус» (электрический ток разной полярности), 1 и 0 (принцип, который применяется в компьютерной технике) и т. д. Системы с двумя состояниями являются по своей сути двоичными.

Биты и байты

В двоичной системе счисления используются только две цифры - 0 и 1. Одну двоичную цифру (разряд) называют также битом (Бит — это фундаментальная единица информации, используемая в теории информации. Обозначает количество информации, необходимое для различения двух равновероятных событий). Состояния цифровой линии (аналогичные метке и паузе) также можно представить с помощью битов, назначив каждому из них значение 0 или 1.

Двоичная система, как и десятичная, является позиционной. Однако в двоичной системе в каждой позиции может находиться одна из двух цифр, а не из десяти. Например, число 345,27 в десятичной системе счисления представляется как 3 сотни плюс 4 десятка плюс 5 плюс 2 десятых плюс 7 сотых. Вес позиции (единица разряда) — это степень числа 10.

345,27 = (3 х 100) + (4 х 10) + (5 х 1) + (2 х 1/10) + (7 х 1/100) = 3 х 10² + 4 х 10¹ + 5 х 10⁰ + 2 х 10 ^-1 + 7 х 10 ^-2

Обратите внимание на использование положительных и отрицательных показателей степени и не забывайте, что возведение любого числа в степень 0 дает 1. Как видно их приведенного выше примера, в десятичной системе счисления основание равно 10, а единицами разрядов служат последовательные степени числа 10.

Аналогичным образом мы можем применить степени числа 2 в двоичной системе счисления. Здесь значение каждой последующей единицы разряда в два раза больше, чем значение единицы, находящейся справа. Когда вы работаете с двоичными числами, удобно иметь под рукой таблицу степеней числа 2. Значения для показателей степени от 0 до 8 приведены в табл. 1.1, мы будем использовать их при дальнейшем изложении материала. С помощью этой таблицы легко преобразовать число из двоичной формы в десятичную. Например:

1101001 = 1 х 2⁶ + 1 х 2⁵ + 0 х 2⁴ + 1 х 2³+ 0 х 2² + 0 х 2¹ + 1 х 2⁰ = = 64+32+0+8+0+0+1= 105

На основании данного метода был разработан другой способ преобразования чисел из двоичной системы в десятичную. Он базируется на использовании значений единиц разрядов двоичного числа. В частности, если мы работаем с 8-разрядным числом, то будем применять восемь значений, убывающих слева направо (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Степени числа 2

2^n	Единица разряда	9-разрядное двоичное число
2°
2^1
2^2
2^3
2^4
2^5
2^6
2^7
2^8

Для преобразования двоичного числа в десятичное можно произвести сложение значений единиц каждого ненулевого разряда. Так, в случае двоичного числа 10010011, сложив 128+16+2+1, получим десятичное число 147.

Компьютеры работают более эффективно, если разрядность их регистров равна степени числа 2 (2 бита, 4 бита, 8 бит, 16 бит и т. д.). Обычно используется группа из 8 бит, которая называется байтом или октетом. Из табл. 1.1 видно, что с помощью байта можно представить 2⁸ (или 256) уникальных последовательностей нулей и единиц.

Байты и октеты

На ранних этапах развития компьютерной техники, в 50-70-е годы XX века, для представления символов в различных машинах использовались числа, содержащие разное количество разрядов (битов). Для формирования одного символа или байта применялось от 5 до 12 бит. Отсутствие стандартов относительно количества битов, составляющих байт, привело к появлению нескольких стандартов связи. В литературе для обозначения группы из 8 бит стали использовать термин «октет». Хотя практически во всех современных компьютерах в качестве байта применяется группа из 8 бит, большинство организаций по стандартизации продолжают использовать термин «октет». Мы будем употреблять термины «байт» и «октет» как синонимы, хотя в начальный период развития компьютерной техники некоторые инженеры от столь легкомысленного применения терминов получили бы сердечный приступ.

Первые коммуникационные коды

В общих чертах передачу данных можно описать как процесс преобразования логическим устройством цифр и символов в закодированную форму и наоборот. В системе Морзе «логическими устройствами» являлись операторы, которые преобразовывали символы в точки и тире.

Даже опытные телеграфисты часто не справлялись с работой, поскольку она была сложной и изнуряющей. Поэтому для кодирования символов начали использовать механические и электрические устройства. Однако из-за разной длительности точек и тире автоматизировать процесс передачи и приема было практически невозможно. К тому же символы состояли из разного количества точек и тире. Следовательно, требовался код, в котором каждый символ представлялся бы одинаковым количеством информационных элементов одной и той же длительности.

Важные определения

Перед тем как двигаться дальше, ознакомьтесь с приведенными ниже определениями, знание которых необходимо для изучения коммуникационных кодов.

• Коды — это стандартные (согласованные заранее) соотношения между сигналами и символами. Коды, используемые в системах передачи данных, уже определены и интегрированы в электронные схемы. Пользователю приходится непосредственно иметь дело с кодами только в том случае, если он согласовывает два устройства (такие как компьютер и принтер) от разных производителей.

• Символы - это буквы, цифры, пробелы, знаки пунктуации, а также другие знаки, вводимые посредством клавиатуры. Системы передачи используют управляющие символы, которые подлежат кодированию, но не выводятся на экран и печать. Для ввода некоторых управляющих символов, в частности символов возврата каретки и табуляции, имеются отдельные клавиши на клавиатуре (например, клавиши Return и Tab). Коды многих управляющих символов, не представленных на клавиатуре, можно вводить путем нажатия клавиш в определенном сочетании. Так, одновременное нажатие клавиш Ctrl и G генерирует управляющий код BEL (bell), который в программе может быть использован для передачи звукового сигнала оператору терминала или персонального компьютера.

• Сигналы — это то, что передается по каналу передачи и используется для представления символов. Сигналами являются точки и тире в коде Морзе, а также единицы и нули в последовательности

01000001010 0000001011 0111011011 0110001001

Данная последовательность представляет собой код, генерируемый при передаче символов А 7# от одного компьютера другому компьютеру или принтеру. Это код ASCII с контролем четности и одним стартовым и одним стоповым битами. Речь о нем пойдет в одной из следующих лекций.

Информацию для машин и людей нужно представлять по-разному. Люди быстро и уверенно распознают печатные символы, в то время как в машинах такую функцию выполняют очень сложные и дорогостоящие устройства. С другой стороны, машины, в отличие от людей, могут с легкостью обрабатывать длинные последовательности двоичных цифр.

Код Бодо

Как говорилось ранее, код Морзе из-за разной длины кодовых комбинаций был не пригоден для автоматического кодирования и декодирования символов. В начале XX века, когда появилась потребность в замене операторов машинами, уже существовало несколько подходящих для этого кодов. Самый известный из них был изобретен в 1870 году французом Эмилем Бодо (его система кодирования представлена на рис. 1.4). Поскольку каждый символ кодировался одинаковым числом сигналов, такой код хорошо подходил для автоматического кодирования и декодирования.

К сожалению, из-за низкого быстродействия электромеханических устройств число используемых сигналов было ограничено пятью. Поэтому код предоставлял только 32 возможные комбинации. Этого было недостаточно для представления 26 букв алфавита, 10 десятичных цифр, всех знаков препинания и знака пробела. Чтобы преодолеть это ограничение, Бодо использовал два управляющих символа смены регистра — символ переключения на регистр букв (LTRS) и символ переключения на регистр цифр (FIGS). Таким образом, с помощью данного кода можно было представить все необходимые на то время символы. Кодовые комбинации смены регистра представляют не печатные символы, а один из двух рядов, каждый из которых содержит от 26 до 28 символов.

После приема кода переключения на регистр букв (11111) все последующие кодовые комбинации интерпретируются как буквы алфавита, а после приема кода переключения на регистр цифр (11011)- как цифры и знаки препинания. Заметьте, что коды управляющих символов LTRS и FIGS, равно как и другие управляющие символы и символ пробела, всегда интерпретируются одинаково, независимо от того, в каком регистре находится машина. Хотя изобретение Бодо сразу не внесло коренных изменений в телеграфию (операторам было сложно работать с кодовыми комбинациями одинаковой длины), оно послужило основой для разработки стартстопного телеграфного аппарата (телетайпа).

Сигналы кода	В регистре букв (LTRS)	В регистре цифр (FIGS)
старт						стоп	Стандартный международный телеграфный алфавит №2 CCITT, используемый в системе Telex	Североамериканский набор символов для телетайпа
	●	●				●	A	C	С
	●			●	●	●	B	?	?
		●	●	●		●	C	:	:
	●			●		●	D	Кто Вы?	$
	●					●	E
	●		●	●		●	F	Не регламентируется	!
		●		●	●	●	G	Не регламентируется	&
			●		●	●	H	Не регламентируется	#
		●	●			●	I
	●	●		●		●	J	Звонок	Звонок
	●	●	●	●		●	K	(	(
		●			●	●	L	)	)
			●	●	●	●	M	●	●
			●	●		●	N	‚	,
				●	●	●	O
		●	●		●	●	P
	●	●	●		●	●	Q
		●		●		●	R
	●		●			●	S	,	,
					●	●	T
	●	●	●			●	U
		●	●	●	●	●	V	=	;
	●	●			●	●	W
	●		●	●	●	●	X	/	/
	●		●		●	●	Y
	●				●	●	Z	+	“
						●		Пусто
	●	●	●	●	●	●		Переход в регистр букв (LTRS)
	●	●		●	●	●		Переход в регистр цифр (FIGS)
			●			●		Пробел
				●		●		Возврат каретки
		●				●		Переход на новую строку

Обозначение: ● - наличие сигнала

Рис.1.4 Код телетайпа (5-ти разрядный)

Современные коды

Почти полвека связь основывалась на коде Бодо и его вариациях, однако они, несомненно, оставляли желать лучшего. Отсутствие разницы между прописными и строчными буквами было проблемой для работников газетной индустрии. Чтобы различать прописные и строчные буквы, они изобрели 6-разрядный код. И это был только один пример удовлетворения повседневных потребностей. Современные системы связи используют код, который представляет все печатные символы, а также осуществляет контроль над ошибками и форматирование. Под форматированием подразумевается поддержка кодом таких операций, как переход на новую строку и возврат каретки. Код должен давать возможность декодировать сигнал независимо от правильности передачи или приема предыдущих порций информации. Возможно, самым важным является то, что код должен быть расширяемым.

На протяжении 60-х годов было разработано множество кодов передачи. Среди них можно выделить три основных, перечисленных ниже.

• Международный алфавит №2 CCITT — простой 5-разрядный код, который до сих пор используется для передачи телексных сообщений.

• Код EBCDIC (Extended Binary-Coded-Decimal Interchange Code) — разработан IBM; применяется главным образом в синхронных системах связи с мэйнфреймами.

• Код ASCII (American Standard Code Information Interchange) — утвержден Национальным американским институтом стандартов (ANSI) и Международной организацией по стандартизации (ISO).

Организации по стандартизации

Стандарты можно считать связующими элементами, обеспечивающими взаимодействие разных систем. Одной из самых важных организаций по разработке стандартов является Международный консультационный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT). Не так давно функции CCITT начал выполнять Комитет по стандартизации Международного союза телекоммуникаций (ITU). Данная организация по установлению стандартов, являющаяся одной из групп ITU, стала еще и специализированным агентством при ООН. Группа отвечает за разработку стандартов связи, и в некоторых западноевропейских странах ее рекомендации действуют как закон, хотя и не являются обязательными.

ISO — это неправительственная организация, имеющая статус консультативной в Совете по экономике и социальному обеспечению при ООН. Членами ISO являются национальные организации по стандартизации более чем ста стран, и ее задача соответствует девизу «способствовать развитию мировых стандартов с целью облегчения международного обмена товарами и услугами». В США ведущей организацией по созданию стандартов является ANSI. Данная некоммерческая и неправительственная организация представляет Соединенные Штаты в ISO.

Дата добавления: 2014-01-13