Ультразвуковые датчики потока

Ультразвуковые датчики эффективно используются для измерения потока во многих медико-биологических и промышленных при менениях.

Основным элементом конструкции ультразвукового датчика является пьезоэлектрический излучатель коротких посылок акустических (упругих) волн. Для измерения потока используются частоты, лежащие за пределами слышимого акустического диапазона — в ультразвуковой области. Работа ультразвуковых датчиков потока основана на одном из двух физических принципов. В датчиках первого типа (измерение времени прохождения сигнала) используется тот факт, что скорость звука, распространяющегося в движущейся среде, равна скорости звука относительно этой среды плюс скорость движения самой среды. В датчиках второго типа используется изменение (доплеровский сдвиг) частоты ультразвуковой волны при ее рассеянии движущейся средой.

 

Важным критерием,определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:

- шины процессор – память;

- шины ввода/вывода;

- системные шины.

8.12ОРГАНИЗАЦИЯ ШИН

Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать бмен информацией между:

- центральным процессором и памятью;

- центральным процессором и модулями ввода/вывода;

- памятью и модулями ввода/вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны на рис. 8.21.

 

Память № ячеек

Модуль ввода/вывода М портов

Центральный процессор

Рисунок 8.21. Информационные потоки в вычислительной машине

Операция

Адрес

Данные

Данные

Операция

Адрес

Внутренние данные

Внешние данные

Внутренние данные

Внешние данные

Сигналы прерывания

Команды

Данные

Сигналы прерывания

Сигналы управления

Данные

 

 

 

 

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (рис. 8.22). На начальной стадии преобладали непосредственные связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением миниЭВМ, и особенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин.

 

 

Давно

ПАМ

МВВ

ЦП

МВВ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

МВВ

МВВ

ЦП

Недавно

ПАМ

ПАМ

ЦП

МВВ

МВВ

Сейчас

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

ПАМ

В перспективе

Рисунок 8.22.Эволюция структур взаимосвязей (ЦП ­­– центральный процессор, ПАМ – модуль основной памяти, МВВ – модуль ввода/вывода)

базе нескольких шин.

 

 

Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее, и их расмотрению посвящен один из разделов учебника. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.

 

 

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных схем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устойства различных производителей.

Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать (рис. 8.23):

- совокупность сигнальных линий;

- физические, механические и электрические характерстики шины;

- используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

- правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

 

Протокол

Сигналы и синхронизация

Множество проводов

Электрические характеристики

Физические и механические характеристики

Рисунок 8.23. Параметры, характеризующие шину

 

 

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может передаваться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечивать одновременную (параллельную) предачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как аллюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и транзакциях вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шиная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» - это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» -«bus» - восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечит всевозможные виды трафика.

В данной главе рассматриваются только общие вопросы, касающиемя организации, функционирования и применения шин, без ориентации на конкретные реализации.

Типы шин

 

Шина процессор - память

Шина «процессор – память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) и основной памятью (ОП). В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то-есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей. Роль этой шины иногда выполняет системная шина, однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, связывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина заднего плана - BSB (Back -S ide Bus). BSB позволяет вести обмен с большей скоростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.

Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.

 

Шина ввода/вывода

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.

Системная шина

С целью снижения стоимости некоторые ВМ имеют общую шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго зквивалентными.

Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

Особенности каждой из этих групп и распределение сигнальных линий подробно рассматриваются позже.

Рисунок 10.7 Структура взаимосвязей с тремя видами шин

Рисунок 10.7 Структура взаимосвязей с тремя видами шин

Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен выполнить два действия: получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соотвествующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, пошлет данные.