Что такое синхронная передача данных
Синхронная и асинхронная передача данных: терминология и отличия
Сегодня будем с вами разбираться, что такое синхронная и асинхронная передача данных в программировании и как они реализуются в разных языках.
Асинхронная передача данных — это современная популярная тенденция в разработке. Многие нынешние инструменты по программированию имеют собственные инструменты для реализации асинхронных задач. Никто не любит просто ждать, поэтому всегда нужно тщательно определять, когда налаживать синхронное, а когда — асинхронное взаимодействие программы.
Синхронное представление в быту
У нас есть некая занятая девушка, которая запланировала на вечер познакомить родителей со своим молодым человеком. Чтобы все прошло идеально, ей нужно:
доделать дела на работе;
подготовить вечерний наряд;
сделать прическу, маникюр и накрасит ь ся;
попросить маму накрыть на стол.
Асинхронная передача данных в программировании
Асинхронная передача данных — это когда долго выполняемую функцию убирают из основного потока выполнения программы. Она не завершается, а продолжает работать в каком-нибудь другом месте. А сама программа не «зависает» и не «тормозит», а продолжает свое выполнение.
То есть при работе ресурса с фильмами выполнение главного потока программы разделится на 2 части: одна будет поддерживать взаимодействие со страницей, а вторая будет отправлять запрос и ожидать ответа от сервера. Таких асинхронных задач в программе может быть несколько. Для большого их количества придумали даже специальную очередь, которая работает по принципу : кто первый пришел, тот первый ушел.
Терминология асинхронности
Конкурентность. Данны й термин оз начает, что происходит одновременное выполнение нескольких задач. Эти задачи могут быть вообще не связаны друг с другом, поэтому не будет иметь значени я, какая из них завершит выполнение раньше, а какая — позже. Каждая такая задача формирует отдельный поток выполнения.
Параллелизм. Данный термин подразумевает выполнение одной задачи несколькими потоками. То есть фактически происходит разделение одной задачи на несколько небольших частей. Все это делается для того, чтобы ускорить общее выполнение большой з а дачи.
Многопоточность. Данный термин обозначает наличие нескольких потоков выполнения программы.
Заключение
Синхронная и асинхронная передача данных может осуществляться во многих сферах. Мы показали на примере программирования, как работают синхронные и асинхронные события. У обоих подходов есть свои достоинства и недостатки, поэтому использовать их в своих программах нужно обдуманно.
Нельзя утверждать, что асинхронная передача данных — это единственно правильный подход. Это совсем не так, потому что синхронный подход тоже до сих пор очень популярен и часто используется.
Мы будем очень благодарны
если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.
В чем разница между синхронной и асинхронной передачей данных
При синхронной передаче данных передатчик и приемник синхронизируются с одним и тем же тактовым импульсом. При асинхронной передаче данных передатчик и приемник не используют общий сигнал синхронизаци
Содержание:
При синхронной передаче данных передатчик и приемник синхронизируются с одним и тем же тактовым импульсом. При асинхронной передаче данных передатчик и приемник не используют общий сигнал синхронизации. Это главное отличие между синхронной и асинхронной передачей данных.
Ключевые области покрыты
1. Что такое синхронная передача данных
— определение, функциональность
2. Что такое асинхронная передача данных
— определение, функциональность
3. В чем разница между синхронной и асинхронной передачей данных
— Сравнение основных различий
Основные условия
Асинхронная передача данных, синхронная передача данных
Что такое синхронная передача данных
При синхронной передаче данных передатчик и приемник синхронизируются и используют общий синхронизирующий сигнал. Он использует сигналы синхронизации для синхронизации. Здесь данные текут как непрерывный поток один за другим. Передатчик отправляет данные, а получатель подсчитывает количество бит в полученных данных. Кроме того, между данными нет пробелов. В этом методе сигналы синхронизации должны быть точными для эффективной передачи данных. Более того, этот метод быстрее, чем асинхронная передача данных.
Рисунок 1: Синхронная и асинхронная передача данных
В цифровой системе, если другие регистры используют одни и те же часы с регистрами ЦП, передача данных между ЦП и устройствами ввода и вывода является синхронной передачей данных. Оба эти устройства получают тактовые импульсы от общего генератора импульсов.
Что такое асинхронная передача данных
При асинхронной передаче данных передатчик и приемник работают на разных тактовых частотах. Он использует стартовые и стоповые биты для данных. Согласно приведенному выше примеру (фиг.1), каждый байт данных внедряется в начальный и конечный биты. «0» обозначает начальный бит, а «1» обозначает конечный бит. «1» и «0», выделенные красным цветом, являются начальным и конечным битами. Кроме того, синхронизация не является важным фактором в асинхронной передаче данных.
В цифровой системе, если другие регистры и регистры ЦП используют свои собственные частные часы, они имеют разные сигналы синхронизации. Следовательно, процессор и устройства ввода и вывода должны координировать передачу данных. Это называется асинхронной передачей данных.
Разница между синхронной и асинхронной передачей данных
Определение
При синхронной передаче данных отправитель и получатель работают на одинаковых тактовых частотах, тогда как при асинхронной передаче данных отправитель и получатель работают на разных тактовых частотах. Следовательно, в этом заключается основное различие между синхронной и асинхронной передачей данных.
Скорость передачи данных
Старт и Стоп Биты
При синхронной передаче не возникает никаких дополнительных затрат на дополнительные стартовые и стоповые биты. С другой стороны, асинхронная передача данных использует стартовые и стоповые биты.
Разрыв между данными
При синхронной передаче данных нет промежутков между данными и потоками данных в виде непрерывного потока. Однако при асинхронной передаче данных между данными могут быть промежутки.
Интервалы времени
Синхронная передача использует постоянные интервалы времени. Напротив, асинхронная передача использует случайные или нерегулярные интервалы времени. Это еще одно различие между синхронной и асинхронной передачей данных.
Примеры
Например, чаты и видеоконференции используют синхронную передачу данных, в то время как электронные письма используют асинхронную передачу данных.
Заключение
Основное различие между синхронной и асинхронной передачей данных заключается в том, что при синхронной передаче данных передатчик и приемник синхронизируются с одним и тем же тактовым импульсом, тогда как при асинхронной передаче данных передатчик и приемник не используют общий синхронизирующий сигнал.
Ссылка:
1. Синхронная передача данных | COA, Образование 4u, 11 декабря 2017 года,
Синхронный и асинхронный режимы передачи цифрового сигнала
В предыдущих постах я разобрал, что такое синхронизация при передаче цифрового сигнала и как на уровне логических элементов может происходить прием цифрового сигнала в получателе сигнала.
Какие бывают способы синхронизации? Первое, что приходит в голову — это передача тактового сигнала по отдельному дополнительному каналу передачи данных. Рассмотрим рисунок, который уже использовался в предыдущем посте:
Рисунок 1
На рисунке 1 верхний из двух сигналов может быть передан по одному каналу, а нижний (тактовый сигнал) — по другому, параллельному, каналу. Задний фронт (помечен зеленым цветом) импульса тактового сигнала командует источнику сигнала отправить очередной бит цифрового сигнала. Передний фронт (помечен красным цветом) импульса тактового сигнала командует получателю сигнала взять образец сигнала, приходящего от источника. Именно поэтому задний фронт каждого импульса тактового сигнала на рисунке 1 совпадает с началом каждого бита передаваемого от источника сигнала, а передний фронт каждого импульса тактового сигнала совпадает с серединой каждого бита передаваемого от источника сигнала.
Тут может быть два варианта: 1) тактовый импульс идет из источника сигнала. В этом случае получатель сигнала по полученному тактовому импульсу подстраивается под скорость работы источника сигнала. 2) Тактовый импульс идет из получателя сигнала к источнику сигнала. Источник сигнала начинает посылать цифровой сигнал с цифровыми данными при получении тактового сигнала от получателя сигнала. В этом случае источник сигнала подстраивается под скорость работы получателя сигнала.
Естественно, передача тактового сигнала по отдельному каналу по деньгам получается значительно дороже, ведь требуется дополнительный провод. Поэтому зачастую тактовый сигнал передают тем же сигналом, что и передаваемые цифровые данные. В этом случае дополнительный провод не требуется, но в получателе сигнала понадобится оборудование для обработки полученного цифрового сигнала, чтобы выделить из него тактовый сигнал и сигнал, несущий цифровые данные.
Существует еще так называемый «асинхронный режим» передачи цифрового сигнала или просто «асинхронная» передача цифрового сигнала. На самом деле, несмотря на то, что такая передача цифрового сигнала называется «асинхронной» (то есть «не синхронной»), при получении цифрового сигнала в получателе в этом случае всё равно требуется (и выполняется) синхронизация получателя и источника сигнала. Просто в случае асинхронной передачи цифровой сигнал с цифровыми данными идет кусками (пакетами, байтами и тому подобное), а между этими кусками есть промежутки, на которых канал остается пустым (без полезной нагрузки цифровыми данными). В итоге синхронизация нужна (и выполняется) только в момент приема получателем очередного куска цифрового сигнала с цифровыми данными, а в пустом промежутке между кусками сигнала с данными синхронизация не нужна (и не выполняется). То есть под словом «асинхронная» понимается не полное отсутствие синхронизации, а прерывистое выполнение синхронизации — она то выполняется, то не выполняется.
В википедии асинхронный режим передачи данных проиллюстрирован такой картинкой:
Из-за излишней компактности иллюстрации некоторые соседние надписи на этой иллюстрации сливаются и зритель с первого раза может воспринять некоторые соседние надписи на этой картинке за одну надпись, что может сильно затруднить понимание. На самом деле, на этой картинке только надпись «data bits» состоит из двух слов. Все остальные надписи — однословные.
Чтобы соседние надписи не сливались, я отделил их друг от друга цветом, кое-где добавил к линиям стрелки для понятности, и некоторые линии сделал пунктирными:
Понятия «mark» и «space», использующиеся в англоязычной литературе, посвященной передаче цифрового сигнала, по-русски означают «логическая единица» и «логический нуль» соответственно или для булевой алгебры — «true» («истина») и «false» («ложь»). В физическом смысле логическая единица может представляться, к примеру, высоким уровнем сигнала, а логический нуль — низким уровнем сигнала, или наоборот. В англоязычной википедии по этим понятиям есть статья «Mark and space». На рассматриваемом рисунке логическая единица («mark») показана высоким уровнем цифрового сигнала, а логический нуль («space») показан низким уровнем цифрового сигнала.
Как и описывалось выше при определении понятия «асинхронной» передачи цифрового сигнала, на рисунке есть промежутки, в течение которых канал заполнен данными, и промежутки, в течение которых канал не заполнен данными (последнее состояние на рисунке обозначено английским словом «idle», которое по-русски в данном случае значит «пустой» или «незанятый»). На рисунке таких незанятых промежутка два: перед стартовым битом первого байта и после стопового бита второго байта. Между двумя байтами, изображенными на рисунке, незанятого данными промежутка «idle» нет, но он может быть. Просто в данном случае байты переданы впритык друг к другу, но могли быть переданы и разделенными промежутком «idle».
На рисунке промежуток «idle» показан высоким уровнем сигнала, но в разных протоколах он может быть представлен как высоким уровнем сигнала, так и низким уровнем сигнала. Тут есть условие: стартовый бит всегда должен быть представлен уровнем сигнала, противоположным уровню промежутка «idle», а стоповый бит должен быть представлен уровнем сигнала, совпадающим с уровнем промежутка «idle». Очевидно, что стартовый и стоповый биты должны быть представлены противоположными уровнями сигнала.
Как работает асинхронный режим передачи цифрового сигнала? Каждый кусок (пакет, байт и тому подобное) данных может быть передан отдельно, отделяясь (или не отделяясь) друг от друга промежутками «idle» (канал не занят данными). При приеме очередного байта получателю сигнала нужно достичь синхронизма с источником сигнала, чтобы получить данные без ошибок. Для этого получателю сигнала необходимо знать момент начала входящего байта. Этот момент на обсуждаемом рисунке обозначен передним фронтом стартового бита («start»): в данном случае это переход из высокого уровня сигнала к низкому уровню сигнала. После передачи битов данных («data bits») обязательно нужно вернуть цифровой сигнал на уровень промежутка «idle», то есть в случае, показанном на обсуждаемом рисунке — на высокий уровень сигнала. Это нужно для того, чтобы было возможно отметить начало следующего байта передним фронтом стартового бита следующего байта. Возврат на уровень сигнала, соответствующий промежутку «idle», выполняется стоповым битом («stop»).
Для достижения синхронизма кроме начала участка цифрового сигнала, содержащего цифровые данные, получателю сигнала для правильного приема нужно знать длину одного бита цифрового сигнала. Как я понимаю, скорость передачи данных между стартовым и стоповым битом, определяющая длину одного бита сигнала, становится известна получателю сигнала перед началом передачи данных (настроена заранее), поэтому получателю сигнала в данном случае и требуется только информация о начале каждого байта.
Как видно из рисунка, к каждому байту данных при асинхронной передаче необходимо добавлять два дополнительных бита: стартовый и стоповый. Такую передачу цифрового сигнала часто называют «старт-стопной» передачей данных. Очевидно, что эти дополнительные биты уменьшают скорость передачи данных по сравнению с синхронным режимом передачи данных, при котором все байты передаются впритык друг к другу, без дополнительного обозначения начала и конца байта с помощью стартового и стопового битов.
Скорость передачи данных при асинхронном режиме передачи меньше еще и из-за того, что между байтами могут вставляться промежутки «idle» (канал не занят данными), а при синхронном режиме передачи между передаваемыми данными нет никаких лишних промежутков.
Оба эти режима передачи данных сегодня используются. В англоязычной википедии есть хорошая небольшая статья, сравнивающая эти режимы:
Синхронный интернет — синхронная символьная иерархия
Многие считают, что современные технологии цифровой связи являются наиболее оптимальными, победившими в естественном отборе своих «оппонентов», но мало кто понимает что сегодняшнее состояние дел во многом случайно, можно даже сказать: «так кости выпали».
Предлагаю «помечтать», а что «было бы если бы» изобретатели цифровых систем связи знали о роли данного вида связи в будущем и подошли к своей работе «более ответственно», сразу стараясь изобрести максимально универсальный протокол цифровой связи.
Прошу, у кого есть свои мысли, записать их и после прочтения статьи отразить в комментариях.
Итак, пробуем еще раз «бросить кости»:
Все идеи и алгоритмы, описываемые в данной статье, являются результатом моей независимой и полностью самостоятельной интеллектуальной деятельности. Как автор, разрешаю свободно использовать, изменять, дополнять все идеи и алгоритмы любому человеку или организации в любых типах проектов при обязательном указании моего авторства (Балыбердин Андрей Леонидович).
Современные технологии с большой долей вероятности не самыми эффективные (из всех теоретически возможных), но при попытке найти другие варианты большинство приходит к модификациям уже существующих или вообще не могут дать ответ.
Думаю, что такое положение дел обусловлено строением мозга и способом человеческого мышления. Если на картинке со случайными линиями что то увидеть, то при следующем взгляде на картинку этот образ будет найден практически сразу. За счет инерции мышления с каждым следующим разом рассмотреть другой образ будет все труднее и труднее. Далее в дело вступает технический прогресс, а он очень похож на железнодорожный транспорт. Однажды свернув, практически невозможно повторить выбор, легче реализовать «костыль» решающий возникшую проблему.
Итак, начнем создавать простую в реализации, гибкую и универсальную в использовании телекоммуникационную парадигму. Снизу она должна быть совместима со всеми существующими и теоретически возможными каналами передачи цифровых данных. Сверху наиболее полно удовлетворять запросы всех теоретически возможных потребителей, при условии что эти запросы поддержаны «снизу». Иными словами сама система связи не должна быть «бутылочным горлышком». Сразу отмечу, что «совершенство» недостижимо, но это не отменяет необходимости к нему стремиться.
Идеальная система связи описывается достаточно просто:
Какой тип канала связи необходимо создать
Тут все просто: строго последовательная передача данных с постоянной и достаточной для потребителя скоростью. Все остальные типы каналов достаточно просто получить из этого типа.
Следующий (второй ) вопрос:
Интерфейс системы к физическим каналам связи и пользователям системы
На заре становления телекоммуникационных систем в основном использовался битовый интерфейс. В настоящее время в качестве носителя информации выбирается «символ», он в отличии от битового интерфейса переносит больше одного бита данных и может иметь дополнительное свойство «тип».
Если рассматривать типы передаваемой информации, далее будем пользоваться понятием символ как носитель информации, то передаваемые символы можно разделить на четыре типа (группы):
Минимальным объемом кодируемой символом информации является один бит (связь цифровая). В изначальной фиксации информационной емкости различных типов символов нет необходимости, даже вредно. Достаточно зафиксировать параметры связи с использованием минимального набора из 4 типов символов, а в остальном приемник и передатчик «договариваются» при установлении непосредственного соединения. С физической (электронной или программной ) точки зрения в момент включения интерфейс к телекоммуникационной системе выглядит как:
Третьим вопросом будет:
Распределение физического канала между пользователями
Для реальных систем связи с достаточно большим числом абонентов невыгодно строить соединения по схеме каждый с каждым и приходится реализовывать схему связи с использованием посредников. Посредники в процессе исполнения функции ретрансляции вынуждены разделять соединяющие их каналы между «своими» и «чужими» данными.
В момент рождения современных коммуникационных систем наиболее распространенными были следующие способы совместного использования канала связи:
Лучше всего подходит «временное выделение пропускной способности», но есть проблемы с гибкостью по параметру скорости предоставляемого канала, времени создания канала и эффективности использования ресурсов физического канала.
Пакетная коммутация эффективна по утилизации ресурса, но есть проблемы с постоянством скорости, последовательности канала и потерям данных. Произвольный доступ и вообще возможен только для малого числа абонентов, при превышении которого (или интенсивности обмена) эффективность падает до неудовлетворительных величин.
Для максимального соответствия идеальной системе связи пришлось «переизобрести» технологию основанную на временном выделении части пропускной пропускной способности физического канала. Нужно было решить проблему с гибкостью по скорости создаваемого канала передачи данных, быстрым его созданием и удалением.
Мультиплексирование (разделение) канала связи
Для иллюстрации нового способа разделения физического канала на составляющие, разделим единый канал на части.
Поток R в 1/3, поток G в ¼ и поток B в 1/5, от пропускной способности исходного физического канала. Оставшуюся пропускную способность можно использовать для других нужд.
На картинке показано как исходные потоки раскладываются в суммарный поток. Оранжевый — поток R, Зеленый поток G, Синий поток B и Черный свободная пропускная способность. (Символы суммарного потока забираются последовательно с левой стороны).
(Алгоритм симметричен, одинаков для приемника и передатчика)
Общий принцип разделения достаточно прозрачен:
Видим, что если создаваемые потоки имеют одинаковую скорость, то получается обычный алгоритм PDH (Е1 и тд) из цифрой телефонной связи. Если скорость потока равна 100% пропускной способности канала, получится пакетная коммутация.
После приема данные необходимо отправить в другой канал и этим занимается коммутатор. Построение коммутатора для синхронного (равномерного) потока, является тривиальной задачей. Емкость такого коммутатора будет зависеть только от объема «транзисторов» (для современных микросхем в районе миллиона одновременных соединений). Частота переключения транзисторов будет зависеть только от скорости поступления символов, а она зависит от информационной емкости символа. Возможность изменения информационной емкости символов дает возможность регулировать значение тактовой частоты коммутатора, а параллельность обработки каждого из физических каналов делает ее не зависимой от числа физических каналов.
Данный тип мультиплексирования и коммутации можно назвать синхронной символьной иерархией.
И последний вопрос:
Управление коммуникационной средой
Для современной компьютерной связи наиболее распространенным является набор протоколов TCP/IP. Данный протокол ориентирован на пакетную коммутацию, для последовательного канала не является оптимальным. Учитывая первоначальное назначение новой системы связи (коммуникационная основа dataflow процессора — будет описан в следующих статьях), наиболее оптимальным будет гибкий и универсальный язык ориентированный на последовательные каналы связи или расширение уже существующего языка программирования. При создании языка сетевого управления следует руководствоваться парадигмой, в которой вычислительная система это объединение различных устройств в сети цифровой связи.
Зачем нужен новый тип сети?
Самое первое это универсальность и простота алгоритмов. Простота устройства высокоскоростных коммутаторов, нет фундаментальных ограничений ни на число каналов ни на их скорость, позволит существенно улучшить характеристики многоядерных вычислительных систем (связь между ядрами и модулями).
Где требуется существенное увеличение скорости и числа каналов?
И тут все просто — нужно решить существующую проблему стягивания вычислительной системы в один кристалл, существенно поднять скорость меж-кристального взаимодействия. В настоящее время в компьютерной сети взаимодействуют отдельные, самостоятельные вычислительные системы (самостоятельные компьютеры). Новый тип сети должен существенно подтолкнуть (ускорить) начавшийся процесс «миграции» понятия «вычислительная система» от физической сущности (ящик на столе) к логическому объединению многих вычислителей (ядер) в распределенную вычислительную систему. При создании языка сетевого взаимодействия следует руководствоваться парадигмой, в которой вычислительная система это объединение различных устройств в сети цифровой связи.
В настоящее время происходит процесс выбора новой вычислительной парадигмы. Старая (фон Нейман) исчерпала свой потенциал и стагнирует, а новая еще не выделилась из большого числа существующих «идей». Предлагаю описанную коммуникационную парадигму доработать и использовать как основу будущей единой информационной среды.
И еще, необходимо придумать название новой сети, а то прилипнет «SkyNet» и характер у AI будет вредным.
Алгоритм разделения (мультиплексирования) физического канала канала на отдельные виртуальные каналы:
На приемной стороне потребуется произвести дополнительную процедуру разборки такого канала на составляющие (число таких «разборов» можно считать уровнем «тоннеля»).
Создавать «тоннели» выгодно по причине уменьшения числа виртуальных каналов и соответственно требуемых буферов в промежуточных коммутаторах или в местах где происходит коммутация очень больших информационных потоков (да и задержка коммутации пропорциональная скорости виртуального канала будет меньше).
Алгоритм создания виртуального канала
Алгоритм работы коммутатора
Вычислительные системы окончательно превратятся из персонального «калькулятора», чем они сейчас в основном и являются, в единое информационное измерение (пространство) нашего мира. Компьютер пользователя станет просто устройством доступа в это мир и возможно устройством для хранения и обработки конфиденциальной информации. Существенным образом изменится роль сетевого оборудования в вычислительной архитектуре. Сейчас в основном сеть является способом связать отдельные вычислительные машины (каждая из них обладает собственной ОС) и исполняемые на них приложения. В будущем понятия отдельной вычислительной машины (как физического объекта) не будет, вычислительная система станет полностью виртуальной, она будет «размазана» по различным аппаратным ресурсам сети. Вопрос администрирования (управления ресурсами параметрами доступа вычислительной системы) полностью перейдет в плоскость управления сетью, соединяющей отдельные исполнительные модули.