Кернеулі толқынды ауыстыру: Компьютерлік басқару тізбектеріндегі сигнал беру әдісі

Кіріспе

Кері толқынды ауыстыру – PCI сияқты компьютерлік шиналарда қолданылатын сигнал беру әдісі. Backplane компьютерлік шинасы – бірнеше қабаттан тұратын баспа схемалық плата, онда жер жазықтығы деп аталатын мыстың кем дегенде бір (жақсы) қабаты және сигналдар үшін сым ретінде қолданылатын мыс тректердің кем дегенде бір қабаты болады. Әрбір сигнал өзінің трегімен және тікелей астындағы жер жазықтығының тар жолағымен құрылған тарату желісі арқылы жүреді. Бұл құрылым радиотехникада микрожолақ деп аталады. Әрбір сигнал бергіштен бір немесе бірнеше қабылдағыштарға жіберіледі. Көптеген компьютерлік шиналар екілік сандық сигналдарды қолданады, олар тұрақты амплитудалы импульстердің тізбегінен тұрады. Дұрыс деректерді алу үшін қабылдағыш әрбір импульсті бір рет қана анықтауы керек. Мұны қамтамасыз ету үшін конструктор микрожолақтың жоғары жиілікті сипаттамаларын ескеруі тиіс. Импульс микрожолаққа жіберілгенде, оның амплитудасы бергіш пен микрожолақтың кедергілерінің қатынасына байланысты болады. Бергіштің кедергісі – оның шығыс кедергісі. Микрожолақтың кедергісі – оның сипаттамалық кедергісі, ол оның өлшемдеріне және backplane құрылысында қолданылған материалдарға байланысты. Импульстің алдыңғы жиегі (келіп түскен толқын) қабылдағыштан өткенде, оның анықталуы үшін жеткілікті амплитудасы болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін. Егер жеткілікті болса, жүйе келіп түскен толқынды ауыстыруды қолданады. Бұл жүйе PCI-ден бұрынғы көптеген компьютерлік шиналарда, мысалы VME шинасында қолданылған. Импульс микрожолақтың соңына жеткенде, оның мінез-құлқы сол кездегі тізбек жағдайларына байланысты. Егер микрожолақ дұрыс тоқтатылса (әдетте резисторлардың комбинациясымен), импульс сіңіріледі және оның энергиясы жылуға айналады. Бұл келіп түскен толқынды ауыстыру шинасының жағдайы. Егер микрожолақтың соңында тоқтату болмаса және импульс ашық тізбекке тап болса, ол бастапқы көзіне қарай кері қайтарылады. Бұл кері толқын микрожолақ бойымен кері қайтып келе жатқанда, оның амплитудасы бастапқы импульске қосылады. Кері толқын қабылдағыштан екінші рет өткенде, бұл жолы қарама-қарсы бағыттан, ол анықталуға жеткілікті амплитудаға ие болады. Бұл кері толқынды ауыстыру шинасында болады. Келіп түскен толқынды ауыстыру шиналарында, шина соңынан кері толқындар пайда болуы қажет емес және оларды тоқтату арқылы болдырмау керек. Келіп түскен толқынды тоқтату DC теңгерілген, AC байланысты тоқтатудан бастап, бір резисторлы тізбекті тоқтатуға дейін әр түрлі болуы мүмкін, бірақ барлық келіп түскен толқынды тоқтатулар қуатты және орынды пайдаланады (Johnson and Graham, 1993). Алайда, келіп түскен толқынды ауыстыру шиналары бірдей жиілікте жұмыс істейтін кері толқынды ауыстыру шиналарынан әлдеқайда ұзын болуы мүмкін. Егер шектелген шина ұзындығы қолайлы болса, кері толқынды ауыстыру шинасы аз қуатты пайдаланады және берілген жиілікте жұмыс істеу үшін аз компоненттерді қажет етеді. Шина жеткілікті қысқа болуы керек, импульс backplane ұзындығының екі есесін (келіп түскен толқын үшін бір толық сапар, ал кері толқын үшін екіншісі) жүріп өте алатындай және бір шина циклында оқуға жеткілікті тұрақтана алатындай болуы керек. Саяхат уақытын шинаның екі бағыттық сапар ұзындығын сигналдың таралу жылдамдығына (бұл шамамен жарық жылдамдығының жартысынан екі үшін бір бөлігіне тең, c) бөлу арқылы есептеуге болады.

Reflected wave switching is a signalling technique used in backplane computer buses such as PCI. A backplane computer bus is a type of multilayer printed circuit board that has at least one (almost) solid layer of copper called the ground plane, and at least one layer of copper tracks that are used as wires for the signals. Each signal travels along a transmission line formed by its track and the narrow strip of ground plane directly beneath it. This structure is known in radio engineering as microstrip line. Each signal travels from a transmitter to one or more receivers. Most computer buses use binary digital signals, which are sequences of pulses of fixed amplitude. In order to receive the correct data, the receiver must detect each pulse once, and only once. To ensure this, the designer must take the high frequency characteristics of the microstrip into account. When a pulse is launched into the microstrip by the transmitter, its amplitude depends on the ratio of the impedances of the transmitter and the microstrip. The impedance of the transmitter is simply its output resistance. The impedance of the microstrip is its characteristic impedance, which depends on its dimensions and on the materials used in the backplane's construction. As the leading edge of the pulse (the incident wave) passes the receiver, it may or may not have sufficient amplitude to be detected. If it does, then the system is said to use incident wave switching. This is the system used in most computer buses predating PCI, such as the VME bus. When the pulse reaches the end of the microstrip, its behaviour depends on the circuit conditions at this point. If the microstrip is correctly terminated (usually with a combination of resistors), the pulse is absorbed and its energy is converted to heat. This is the case in an incident wave switching bus. If, on the other hand, there is no termination at the end of the microstrip, and the pulse encounters an open circuit, it is reflected back towards its source. As this reflected wave travels back along the microstrip, its amplitude is added to that of the original pulse. As the reflected wave passes the receiver for a second time, this time from the opposite direction, it now has enough amplitude to be detected. This is what happens in a reflected wave switching bus. In incident wave switching buses, reflections from the end of the bus are undesirable and must be prevented by adding termination. Terminating an incident wave trace varies in complexity from a DC balanced, AC coupled termination to a single resistor series terminator, but all incident wave terminations consume both power and space (Johnson and Graham, 1993). However, incident wave switching buses can be significantly longer than reflected wave switching buses operating at the same frequency. If the limited bus length is acceptable, a reflected wave switching bus will use less power, and fewer components to operate at a given frequency. The bus has to be short enough, such that a pulse may travel twice the length of the backplane (one complete journey for the incident wave, and another for the reflected wave), and stabilize sufficiently to be read in a single bus cycle. The travel time can be calculated by dividing the round trip length of the bus by the speed of propagation of the signal (which is roughly one half to two thirds of c, the speed of light in vacuum).