Лекция №3. Техническое обеспечение САПР. Передача дискретных данных

Лекция 3.Техническое обеспечение (ТО) САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполненияавтоматизированного проектирования, а именно вычислительные системы, ЭВМ (компьютеры), периферийные устройства, сетевое оборудование, атакже оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:-выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО (при наличии ЭВМ и их систем)-взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ (предполагает наличие интерактивного режима работы)-взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом (объединение САПР в вычислительную сеть).В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных.Узлами (станциями данных) являются компьютеры, контроллеры встроенного оборудования, рабочие места проектировщиков (АРМ) или рабочимистанциями (WS — Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства иаппаратура сопряжения со средой передачи данных - сетевые контроллеры.Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.Рис.

1. Среда передачи данныхЛиния передачи данных — часть среды передачи данных, используемая для распространения сигналов в нужном направлении. Примерамилиний передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).Канал передачи данных это средства двустороннего обмена данными, включающие аппаратуру сопряжения и линию связи. Примером каналасвязи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, покаждому из которых передается своя информация.

При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.В зависимости от физической природы среды передачи данных различают проводные и беспроводные каналы.В зависимости от направления передачи различают симплексные каналы (односторонняя передача), полудуплексныеканалы (возможность попеременной передачи в двух направлениях) и дуплексные каналы (возможность одновременной передачи в обоихнаправлениях). Соответственно выделяют симплексные, полудуплексные и дуплексные протоколы .Среды передачи данных (и соответственно каналы передачи данных) могут быть коммутируемыми (общего пользования) или выделенными.Канал общего пользования попеременно используется для соединения разных узлов.

Выделенный канал монопольно используется однойорганизацией и обслуживает соединение двух определенных двух узлов коммутации.Под коммутацией понимается попеременное использование среды передачи данных между различными пунктами информационной сети. Различаютследующие способы коммутации данных:- коммутация каналов — осуществляется соединение двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование каналапередачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;- коммутация сообщений — характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылкасообщений происходит без нарушения их целостности.

Вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физическихучастков, и между участками возможна буферизация сообщения.- коммутация пакетов — сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных заняттолько во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.В случае коммутации пакетов увеличивается задержка из-за появления заголовков у всех пакетов, за счет буферизации пакетов и ожидания вочередях в коммутаторах и за счет потерь времени на пакетизацию.

Однако, при этом паузы, характерные для коммутации каналов, заполняютсяпередачей пакетов других сообщений, т.е. линии связи разделяются многими узлами более эффективно.Разбиение сообщения на пакеты и последующая сборка пакетов называется инкапсуляцией/декапсуляцией порций данных. Так, сообщение,пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты (по 10 000 байт), которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. Насетевом уровне сегмент может быть разделен на пакеты (по 1500 байт), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжаетсясвоим сетевым заголовком (т.е.

происходит инкапсуляция сегментов в пакеты). При передаче между узлами промежуточной ЛВС происходитразделение пакетов на кадры (т.е. инкапсуляция пакетов в кадры, например, по 576 байт). Структура образующегося кадра представлена нарис. 1. В приемном узле сегменты декапсулируются и восстанавливается исходное сообщение.Рис. Структура кадраКоммутация пакетов возможна с установлением и без установления соединения . При коммутации с установлением соединения пакетыодного и того же сообщения направляются по одному и тому же маршруту, выбираемому маршрутизаторами предварительно во время процедурыустановления соединения. Маршрутизация без установления соединения, называемая также дейтаграммной, выполняется без предварительноговыбора маршрута. Дейтаграммами называются пакеты, которые передаются независимо друг от друга каждый по своему маршруту, выбираемомумаршрутизаторами в зависимости от текущего состояния сети.

Поэтому дейтаграммы одного и того же сообщения могут поступать к адресату впроизвольной последовательности, что требует дополнительных операций по их сборке сообщения в узле-получателе.Мультиплексирование. Разработчики каналов связи сталкиваются с постоянной проблемой ограниченного ресурса среды передачи, будь то время,пространство, частота или код. Другими словами необходимо спроектировать такой алгоритм, чтобы лучшим образом организовать связь в имеющихсяусловиях, уплотнить потоки, что бы обеспечить параллельный множественный доступ к среде передачи.Пространственное разделение потоков можно считать относительно простым решением задачи. Заключается в использовании несколькихпроводных либо радиоканалов (за счет антенн, диаграммы направленности которых обеспечивают пространственное разделение потоков информациимежду приемниками и передатчиками).Более распространѐнной является методика частотного уплотнения или FDM (Frequency Division Multiplexing).

Благодаря ей огромное количествоустройств функционируют на одной территории. Диаграмма ниже показывает, как распределяется частотно-временной и энергетический ресурс междупотоками, обозначенными разными цветами. Одним из минусов является необходимость между потоками оставлять частотные промежутки, чтобыисключить взаимные помехи, что не лучшим образом использует частотный ресурс.

Говорят, что при временном мультиплексировании каждому каналупериодически выделяется некоторый квант времени, а при частотном разделении — некоторая полоса частот.При временном разделении или TDM, передатчик использует только одну частоту, но для каждого потока используется свой интервал времени.Данная методика очень требовательна к синхронизации между приѐмником и передатчиком. TDM удобна для динамичного изменения потоков,например, если какому-нибудь потоку (абоненту) нужно повысить трафик, то достаточно лишь для него сделать интервал подлиннее.

Наиболееизвестным стандартом, использующим TDM, является GSM.Кодирование бита в CDMA m-последовательностьюКодовое уплотнение или CDM (Code Division Multiplexing). Потоки сосуществуют в одном частотно-временном интервале. Например, смена несущихчастот псевдослучайна, известна только передатчику и приемнику. Информацию принимает лишь владелец кода.

Принцип CDMA заключается врасширении спектра исходного информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое может производиться двумя различными методами:a) вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределяется по всемудиапазону и прослушивание какой-то определенной частоты дает только небольшой шум.b) весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информациизаменяется N-битами, составляющими m-последовательность, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. Если свертка mпоследовательности происходит (код известен), принимается сигнал, иначе – шум.Оба эти метода предусматриваются стандартом 802.11 (Radio-Ethernet).Существуют различные модификации методики CDM.

К примеру, смесь CDM и FMD дают FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) котораяприменяется в Bluetooth. Методики уплотнения с целью множественного доступа к среде нескольких пользователей именуют в англоязычнойлитературе как multiple access, поэтому такие техники называются FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA и т.д.Проводные каналы.Для организации проводных каналов в сетях передачи данных используют коаксиальные кабели двух видов, чаще всего это "толстый" (thick) кабельдиаметром 12,5 мм и "тонкий" (thin) кабель диаметром 6,25 мм. "Толстый" кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, чтообеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже"тонкого".Преимущественное применение в вычислительной технике (ВТ) находят витые пары проводов.