9.2.3. Виртуальные устройства

Виртуальное устройство (virtual device) - понятие, часто применяемое в м ВОС, равно как и в других областях индустрии связи, операционных и распреде,

ных вычислительных системах. Виртуальное устройство представляет собой

ние на специальном языке функций и параметров некоторого устройства.

ведет себя, как реальное. Совокупность процедур, составляющих виртуальное у ройство, скрывает механизм выполнения функций реальным устройством и восп[! нимает и вырабатывает только "чистые" и структурированные команды и данные Например, виртуальный терминал представляет собой набор команд, которц,, позволяет перемещать курсор по экрану, выводить на экран строки символов и вьце лять их полужирным шрифтом или подчеркиванием, вводить символы с клавиатура и т. д. Без применения концепции виртуального устройства программист, разрабатьь вающий текстовый редактор, должен учитывать различия в управляющих команда для выполнения одних и тех же действий на разных типах терминального оборудощ. ния. При использовании виртуального терминала этого кошмара удается избежать, достаточно записать управляющие команды на абстрактном языке. Драйвер конкретного устройства преобразует эти команды в управляющие последовательности для реального терминала (рис. 9.5).

физическое устройство типа 1

физическое устройство типа 2

физическое устройство типа 3

прикладная программа 1

интерфейс физического устройства типа 1

физическое устройство

типа\ ,

прикладная программа 2

виртуальное устройство (описание / протокола)

X -

интерфейс физического устройства типа 2

физическое устройство типа 2 .

цейие многих лет для виртуальных терминалов широко использовался язык енйя терминалами VT52 и VT100 компании Digital Equipment. Эти термина-pjjpoMHbie, 24 X 80 символов) имеют набор управляющих символов для про-

°"текста, позиционирования курсора, мерцания или инверсии символов и т. д.

"поавления терминалами VT52 и VT100 поддерживается многими программа-большинство терминалов, в том числе и выпущенные конкурирующими компа-могут работать в режиме их эмуляции. Таким образом обеспечивается, по ""ieii мере, минимальный уровень совместимости программ и терминалов. В бо- П03ДН1Т6 годы в качестве своего рода виртуального терминала использовалась гооконная система X Window, являющаяся, в сущности, описанием протокола, fliee подробно X Window рассматривается в разделе 11.6.

Основное достоинство концепции виртуального устройства в том, что эксплуатируемые прикладные программы не надо модифицировать для работы с новым реальным усгройавом. Достаточно снабдить каждое новое физическое устройство программным интерфейсом, сопрягающим его с виртуальным. Прикладная программа ничего не долж-назнать о том, какое конкретное физическое устройство используется в системе.

Важным виртуальным устройством, поддерживаемым моделью ВОС, является вир-шьный накопитель файлов, работающий по протоколу РТАМ (раздел 9.4.8). При-.южения FTAM применяются в распределенных системах при управлении производ-авенными процессами, финансовыми операциями, бронированием авиабилетов и т. п. Впротоколе FTAM свойства файлов - дата создания, управление доступом и многие другае - описываются на абстрактном языке, а операции поддерживаются в многоза-вчной среде с помощью функций типа "открыть/закрыть", "читать/писать", "блокировать" и т. д. Профаммный интерфейс между службами FTAM и конкретными устрой-ва.ми файловой системы обычно реализуется в рамках операционной системы.

3. Физические соединения - физический уровень модели ВОС

Наиболее распространенная среда передачи цифровой информации - электричес-*.1ь а"" Р" низкая стоимость и отработанная техническая база делают ка-Ния о удобным носителем для передачи информации на ограниченные рассто-1Ыл ""й кабель и радиосвязь более экономически эффективны при передаче Чп Объемов информации на значительные расстояния. Оптический кабель пред-4arJ ""Р и в промышленных условиях, так как он не подвержен влиянию элек-анп»"™? помех и поэтому может надежно передавать показания датчиков. Если

интерфейс физического устройства типа 3

физическое устройство типаЗ

Рис. 9.5. Сравнение непосредственной привязки программы и механизма виРУ ,,„1 го устройства: а - непосредственная привязка прикладных программ к физи устройствам; б - привязка к физическому устройству через виртуальное

HOBv ------ licimt-iviiu iit-pt-manai r> liujxdjcinilx датчиков. ПОЛИ

*»Удале кабельного соединения с управляемым оборудованием невозможна из-за "овол""" п" "™ п°диж"0ти, то в качестве среды передачи можно использовать ны. Перечисленные виды носителей рассматриваются в этом разделе.

Осно

вные количественные характеристики

"°бно"" параметром, характеризующим канал связи, является его пропускная

ia ед («атае/ capacity), т. е. количество информации, которое можно пере-Hog ™"ЦУ времени. Пропускную способность обычно измеряют в бит/с. Пра-!ц f,g Р""™ канал связи имеет достаточную пропускную способность для пе- °ди10го количества информации за заданное время. Экономический ~" передать больше информации при меньших затратах. Однако пропуск-

ia ед - y.iuyj, i. ivujii-i-iciidu ипфирмации, которое можно пере-Hog ™"ЦУ времени. Пропускную способность обычно измеряют в бит/с. Пра-

ная способность канала, как правило, требует расходов - чем выше пропуски собность, тем дороже канал.

Пропускная способность физического канала (электрического, оптическог радиоканала) тесно связана с полосой пропускания, мощностью сигнала и "

шума. Полоса пропускания (bandwidth) определяется как диапазон частот, канал способен передавать с затуханием менее чем 3 дБ (что соответствует 50»

УРОВц,

поло,

дения уровня мощности). Это понятие похоже, хотя и не тождественно, на пропускания измерительной аппаратуры, описанную в разделе 4.1.3. Полоса пускания измеряется в герцах (Гц) или в кратных единицах. Например, обычная лефонная линия передает сигналы в частотном диапазоне от 300 до 3400 Гц а полоса пропускания равна 3,1 кГц. Типичная ширина полосы пропускания телевн) онного канала составляет 5,5 МГц.

Соотношение между шириной полосы пропускания электрического канала [Гц] и максимальной скоростью передачи данных R. [бит/с] было установле! американским исследователем шведского происхождения Гарри Найквистом (Наг Nyqvist) в 1924 году. В соотношении Найквиста важную роль играет метод кодир вания сигнала, определяющий его способность переносить информацию. При уровнях сигнала можно передать log2 Убит, а полная пропускная способность кана.

R,,-2W-\og2V

(9,.,

Это соотношение аналогично тому, которое применяется при дискретизации восстановлении сигнала (раздел 5.1). Достаточную информацию о сигнале с полоа пропускания иможно получить при частоте выборки 2W. Более высокая частота bi борки ничего не прибавляет к информации, необходимой для восстановления сигн. ла. Здесь возникает проблема предельного значения; на практике, для того чтобы упростить восстановление сигнала, частота выборки принимается несколько выше частоты Найквиста.

В технической литературе иногда путают понятия пропускной способности и по лосы пропускания канала, поскольку один и тот же термин - bandwidth -ется для двух разных вещей. Пропускная способность - общее понятие, примен» к любому виду канала и типу связи и не ограниченное конкретным типом физ"* го носителя. С другой стороны, полоса пропускания канала относится только тотному диапазону, в котором электромагнитные сигналы передаются с о"Р,. ным максимальным затуханием. Само по себе понятие полосы пропускания не говорит о пропускной способности канала. вьф

При передаче двоичных данных У = 2 и логарифмический сомножитель ния (9.2) равен единице. Отсюда вытекает распространенное заблуждение, пускная способность канала в бит/с равна удвоенной полосе пропускания в ответствии с выражением (9.1) не существует ограничения на дрс: информации, которое способен передать канал, при условии, что используе точно большое число символов. j, {]iif

Важным фактором, отрицательно влияющим на связь, являются Qcr Помехи - это неизбежная реальность окружающего мира и неотъемлемо л канала связи. В электромагнитном канале помехи связаны со случайным движением электронов, а их влияние пропорционально полосе пропускани j. Помехи могут возникать в электрическом проводнике и под воздействием о щей среды, при этом проводник ведет себя как приемная антенна. Шум

..риваются относительно уровня мощности передаваемых сигналов. Шум мо-"сйть пренебрежимо малые искажения, однако если его уровень мощности оМ велик по отношению к уровню мощности исходного сигнала, то последний быть искажен до такой степени, что сообщение потеряет первоначальный Приемник может неправильно расшифровать сообщение и выполнить не то .вие, которое предусматривалось передатчиком. Если для кодирования симво- ([спояьзуется много близких уровней напряжения, то символы становится труд-Уд2лить и однозначно идентифицировать. Небольшой всплеск напряжения на ф вызванный шумом, может быть ошибочно воспринят как сигнал другого .jHH соответствующий другому символу. Поэтому защита от шума и восстановле-.> искаженных данных являются важными проблемами связи. При выборе парадов каналов связи шум является одним из факторов, определяющим большин--30 принимаемых компромиссов. В принципе, шум можно устранить, но ценой льших затрат; на практике существуют способы борьбы с шумом, позволяющие -зести его до безопасного уровня.

Проблемы связи в условиях шума изучались американским математиком Клодом ]евноном (Claude Shannon). В 1948 году, в работе, которая по сей день считается новой теории связи, Шеннон предложил соотношение, описывающее канал с поло-апропускания ТУ [Гц], находящийся под влиянием шума. Шеннон ввел характери-яку канала - отношение сигнал/шум (signal-to-noise ratio - S/N). Она представля-

собой отношение средних уровней мощности исходного сигнала и шума. пгашениеб/Лобычно выражается в логарифмических единицах - децибелах [дБ].

Согласно Шеннону, максимальная пропускная способность канала й,. [бит/с] юлосой пропускания 1У [Гц] и отношением сигнал/шум 5/Л выражается следую-чим образом

max=-bg2(l+VA0 (9.3)

Соотношение Шеннона дает максимальную скорость передачи данных без иска-л "Ри определенном уровне шума. Ее следует рассматривать как фундаменталь-*2.iein предел, который нельзя достигнуть на практике. Это понятие экви-

а Тер° Рмодинамическому пределу преобразования тепла в работу. Так же как и "динамике, соотношение Шеннона дает наглядное представление о качестве

«ого процесса связи.

Равн"."" приблизиться к пределу Шеннона. Скорость переда-

орите от теоретического максимума, обычно считается более чем удов-

•Рован"° превышения этого уровня требуется специальное многоуровневое ""ных"* "nrHajm, что увеличивает время его обработки (не следует путать со сжати-Ростип "" """" количество символов, подлежащих передаче). Выигрыш иком" может обернуться потерями при кодировании и декодировании пе- "редел данные передаются по каналу со скоростью, превыша-

Р*емни """"а- ™ ошибки, вносимые шумом, исказят сигнал до такой степени, "ализ ожет его правильно декодировать.

Ысмг,!""" Шеннона показывает, что максимальную скорость передачи

Мож! winuna ии1\с1зывает, что максимальную скорость передачи

а и (. "° повысить за счет увеличения полосы пропускания, уровня мощности "Рени""*"™ уровня шума. При фиксированном (неизменном) уровне шума соо "bi пропускания более эффективно, чем увеличение уровня мощно-тветственно, отношения S/N. В сущности, все современные разработки

степ,

в технике связи нацелены на расширение полосы пропускания в большей чем на повышение уровня мощности.

Следует обратить внимание, что выражение (9.2) не является частным случа ражения (9.3) при отсутствии шума (т. е. для S/N- оо). Соотношение Най

аиквист5

бесконечной пропускной способности для любого канала. Утверждение 1ТТр„

представляет собой функцию числа кодирующих символов и приводит к теоретцч

представляет собой функцию отношения S/N. В соответствии с выражением (9 2) п отсутствии шума и любой полосе пропускания W> О, можно передавать сколько уго" но информации при условии, что выбран подходящий способ кодирования. В случ* телефонной линии с полосой пропускания 3000 Гц и типичном отношении 5/Лв 30 Б (мощность сигнала превышает шум в 1000 раз) предел Шеннона равен 30 кбит/с Со отношение Найквиста определяет, что для передачи этого количества информации должна быть использована схема кодирования с 32 различными уровнями сигнала Скорость передачи, определяемая соотношением Шеннона, может показаться очень маленькой по сравнению с теми скоростями, которые сейчас необходимы, например, для графических рабочих станций, работающих с мультимедийными приложениями. Рабочая станция в офисной среде обычно постоянно соединена с сервером высокоскоростными каналами практически при отсутствии внешних помех. Напротив, во многих приложениях, связанных с управлением промышленными и техно.ло-гическими объектами, физический носитель имеет ограниченную пропускную способность, а уровень шума гораздо выше.

В заключение еще раз отметим, что основными ограничениями при создании канала связи являются полоса пропускания и соотношение сигнал/шум. Доступная полоса пропускания должна соответствовать необходимой пропускной способности. Если это условие не выполняется, никакие совершенные средства связи не помогут решить проблему.

9.3.2. Электрические проводники

Наиболее распространенные типы электрических проводников, используемые для связи, - это витая пара и коаксиальный кабель (раздел 4.5.2). Витая пара более чувствительна к электромагнитному шуму, особенно вблизи силовых кабелей " электрооборудования. Оболочка коаксиального кабеля обеспечивает лучшее экра нирование и, следовательно, большую устойчивость к помехам. Полоса пропускания витой пары ограничена несколькими мегагерцами. Это означает, что она не может обеспечить скорости передачи выше, чем несколько Мбит/с на расстояния поряД километра. Однако благодаря своей простоте и низкой стоимости витая пара ч применяется в качестве среды передачи.

Коаксиальный кабель имеет полосу пропускания до 500 МГц и обычно испол ется для передачи радио- и телевизионных сигналов. Благодаря широкой по пропускания коаксиальный кабель позволяет обеспечить значительно более высо скорости передачи, чем витая пара.

Существует функциональное различие между узкополосным и широкополое коаксиальным кабелем. Узкополосный (baseband) коаксиальный кабель испол ется для цифровой связи на одной несущей частоте, обычно 5, 10 или 20 МГц- полосный кабель является стандартным решением для большинства промышлен приложений. Широкополосный (broadband) кабель используется для передач

щие расстояния нескольких сигналов на разных частотах, так как его коэффици-б-*.,ухания меньше. Этот кабель мало применяется в промышленных системах, „ьку здесь редко возникает необходимость совмещать передачу телефонных 3, офисных данных, телевизионного сигнала и сигналов промышленной ав-

бскй том

атики по одному физическому проводу. Прокладка и обслуживание витой пары и аксиального кабеля обычно не вызывает проблем. Сети промышленных объектов, *оторыб будут описаны ниже, используют витую пару и коаксиальный или оптичес-""(П кабель в качестве физической среды передачи. Одна из основных проблем при применении электрических проводников - это паженные сигналы. Они вызваны несогласованностью сопротивлений, из-за чего часть сигнала передается нормально, а часть отражается (раздел 4.5.2). Рассогласование сопротивлений обычно связано с изгибами кабеля или дефектными компонентами - соединителями, терминаторами или отводами. Отраженные сигналы нарушают нормальную передачу, вызывают помехи и ухудшают качество связи.

Для локализации источников рассогласования используются специальные приборы, называемые кабельными анализаторами. Они выдают сигнал в кабель и принимают его отражение. Интервал между посылкой исходного и приходом отраженного импульса определяет расстояние от точки проведения испытаний до места рассогласования импедансов.

9.3.3. Кодирование бит

Существуют два основных способа передачи битовой последовательности по физическому каналу:

- посылка бит в линию в непосредственном или закодированном виде при сохранении цифрового характера данных;

- модуляция несущей по амплитуде/частоте/фазе и передача модулированного сигнала.

Непосредственный способ передачи цифровых данных является наиболее простым. При непосредственном кодировании, например, уровень напряжения О В представляет логический "О", а + 10 В - логическую "1" (рис. 9.6, а). Говорят, что ноль со-"тветствует покою (space), а единица - посылке или импульсу (mark). Часто Цользуется обратная кодировка - при "О" (или покое) линия находится под высо-чм напряжением, а "1" (посылке) соответствует низкий уровень напряжения. Ши-ко используется полярное кодирование - сигналы, соответствующие "О" и "1", еют противоположные знаки по отношению в общей базе. Прямое, обратное и по-<oZe° называются кодированием без возвращения к нулю (Non-Return

его - NRZ), так как в нем отсутствует обязательный переход к нулевому уровню. *слел--

Чц иоть единиц будет поддерживать линию при постоянном высоком

Низком потенциале в соответствии с принятой схемой кодирования, н и кодирования без возвращения к нулю прост, но чувствителен к помехам

компенсации затухания и искажений в линии на стороне прием-а любое напряжение менее чем + 2Ъ интерпретируется как логический "О", а уров-Hbj;" +5 В воспринимаются как "1". Триггер Шмитта (Schmitt trigger), настроен-, на эти уровни, можно использовать для восстановления цифрового сигна/ш 1рИс.9 7)