《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（原書第4版）》 —2 特別關(guān)注

特別關(guān)注

數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)木幋aASCII、EBCDIC和Unicode在計(jì)算機(jī)存儲器中已被明確表示。（第3章介紹如何使用二進(jìn)制數(shù)字設(shè)備完成此操作。）數(shù)字開關(guān)（如在存儲器中使用的數(shù)字開關(guān)）的狀態(tài)是“關(guān)”或者“開”。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入某種記錄介質(zhì)（如磁帶或磁盤）或長距離傳輸時，二進(jìn)制信號可能變得模糊，特別是當(dāng)涉及一長串的1和0時。這種模糊部分歸因于發(fā)送方和接收方之間的時間漂移。磁介質(zhì)如磁帶和磁盤，也可能因?yàn)榇判圆牧暇哂械碾姎庑阅芏ネ?。?shù)字信號的“高”和“低”狀態(tài)之間的信號轉(zhuǎn)換有助于在數(shù)據(jù)記錄和通信設(shè)備中保持同步。為此，ASCII、EBCDIC和Unicode在傳輸或記錄之前被轉(zhuǎn)換成其他編碼。這個轉(zhuǎn)換是由數(shù)據(jù)記錄和傳輸設(shè)備中的控制電子設(shè)備操作的。用戶和主機(jī)都不知道這種轉(zhuǎn)換已經(jīng)發(fā)生。

電信設(shè)備通過在傳輸介質(zhì)（例如，銅線）中使用“高”和“低”脈沖來發(fā)送和接收字節(jié)。磁性存儲設(shè)備使用名為磁通反轉(zhuǎn)的磁極變化來記錄數(shù)據(jù)。某些編碼方法更適合數(shù)據(jù)通信而不是數(shù)據(jù)記錄。新的編碼不斷被發(fā)明，以適應(yīng)不斷變化的記錄方法和改進(jìn)的傳輸和記錄介質(zhì)。我們將研究一些較流行的記錄和傳輸編碼，以顯示如何克服這一領(lǐng)域的一些挑戰(zhàn)。為了簡潔起見，我們將使用術(shù)語數(shù)據(jù)編碼來表示將簡單字符代碼（如ASCII）轉(zhuǎn)換成更適合存儲或傳輸?shù)钠渌a的過程。編碼數(shù)據(jù)表示被編碼的字符代碼。

2A.1　非歸零碼

最簡單的數(shù)據(jù)編碼方法是非歸零（NRZ）碼。我們使用這種編碼意味著當(dāng)我們說“高”和“低”時分別代表1和0：通常1為高電壓，0為低電壓。通常，高電壓為+3V或+5V；低電壓為-3V或-5V。（相反的情況在邏輯上是等效的。）

例如，具有偶校驗(yàn)的英文單詞OK的ASCII編碼是11001111 01001011。在NRZ碼中，這種模式以信號形式和磁通形式在圖2A-1中顯示。每位占據(jù)傳輸介質(zhì)中一個任意時間片，或磁盤上一個任意空間點(diǎn)。這些片和點(diǎn)稱為位元。

圖2A-1　OK的NRZ編碼

正如圖2A-1所示，在ASCII字符O中有連續(xù)的1。如果傳送單詞OK的更長形式OKAY，那么我們會有一長串0，以及一長串1的字符串：11001111 01001011 01000001 01011001。除非接收方與發(fā)送方精確同步，否則無法知道每個位元信號確切的持續(xù)時間。接收方的慢定時或異相定時可能導(dǎo)致單詞OKAY的位序列被接收為：10011 0100101 010001 0101001。這個位序列轉(zhuǎn)換回ASCII碼是()，這與發(fā)送的內(nèi)容不相同。（用于表示一個ASCII的文本結(jié)束字符，十進(jìn)制表示為26）。

這個例子的小實(shí)驗(yàn)表明，在NRZ代碼中只要丟了一位，整個消息就可能成為亂碼。

2A.2　不歸零反轉(zhuǎn)碼

不歸零反轉(zhuǎn)（NRZI）方法解決了同步丟失的部分問題。NRZI中的每個二進(jìn)制1都有從高到低或低到高的轉(zhuǎn)換，二進(jìn)制0沒有轉(zhuǎn)換。對于單詞OK的NRZI編碼（具有偶校驗(yàn)）如圖2A-2所示。

雖然NRZI消除了二進(jìn)制1丟失的問題，但我們?nèi)匀幻媾R著長串0的問題，這會導(dǎo)致接收方或讀設(shè)備偏離相位，這種方法有可能丟掉二進(jìn)制位。

解決這個問題的明顯方法是向傳輸波形注入足夠的轉(zhuǎn)換，以保持發(fā)送方和接收方的同步，同時保持消息的信息內(nèi)容。這是今天在數(shù)據(jù)存儲和傳輸中使用的所有編碼方法背后的基本思想。

圖2A-2　單詞OK的NRZI編碼

2A.3　調(diào)相（曼徹斯***）

通常稱為調(diào)相（PM）或曼徹斯***的編碼方法正是解決同步問題的方法。PM中每個位都有一次轉(zhuǎn)換，無論是1還是0。在PM中，每個二進(jìn)制1用一個“向上”的轉(zhuǎn)換表示，二進(jìn)制0用一個“向下”的轉(zhuǎn)換表示。必要時，在位元邊界上提供額外的轉(zhuǎn)換。OK這個詞的PM編碼如圖2A-3所示。

圖2A-3　單詞OK的調(diào)相（曼徹斯特編碼）

調(diào)相通常用于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，如局域網(wǎng)。然而，它不適合用在數(shù)據(jù)存儲中。如果在磁帶和磁盤中使用PM，則調(diào)相的位密度將是NRZ的兩倍。（每半個位元有一次磁通變換，如圖2A-3b所示。）然而，我們剛剛看到使用NRZ可能導(dǎo)致有無法接受的高錯誤率。因此，我們可以定義一種“好的”編碼方案，即在“過度”存儲要求與“過度”錯誤率之間達(dá)到平衡的最經(jīng)濟(jì)的方法。為了尋找這個平衡，已經(jīng)創(chuàng)建了許多代碼。

2A.4　調(diào)頻

當(dāng)用于數(shù)字應(yīng)用時，調(diào)頻（FM）與調(diào)相相似，其中每個位元至少有一次轉(zhuǎn)換。這些同步轉(zhuǎn)換發(fā)生在每個位元的開頭。為了對二進(jìn)制1進(jìn)行編碼，在位元的中間應(yīng)有附加的轉(zhuǎn)換。單詞OK的FM編碼如圖2A-4所示。

從圖2A-4中可以看出，對于其存儲要求，F(xiàn)M只比PM稍好一點(diǎn)。然而，有一種對FM本身改進(jìn)的編碼方法稱為改進(jìn)調(diào)頻（MFM），其中位元邊界的轉(zhuǎn)換只在相鄰0之間才有。那么，在MFM中每一對位元至少有一次轉(zhuǎn)換，而不是像在PM或FM中每個位元至少有一次轉(zhuǎn)換。

圖2A-4　單詞OK的調(diào)頻編碼

MFM比PM的轉(zhuǎn)換次數(shù)少，比NRZ的轉(zhuǎn)換次數(shù)多。MFM是一種在經(jīng)濟(jì)性和錯誤控制方面高效的編碼。多年來，MFM實(shí)際上是硬盤存儲的唯一編碼方法。單詞OK的MFM編碼如圖2A-5所示。

圖2A-5　單詞OK的改進(jìn)調(diào)頻編碼

2A.5　游程長度受限碼

游程長度受限（RLL）是一種編碼方式，在這種編碼方法中諸如ASCII或EBCDIC之類的塊字符碼字轉(zhuǎn)換為在限制代碼中出現(xiàn)連續(xù)零數(shù)量的碼字。一個RLL（d，k）編碼允許最小d個和最大k個連續(xù)0出現(xiàn)在任何一對連續(xù)的1之間。

顯然，RLL碼字必須包含比原始字符代碼更多的位。然而，因?yàn)镽LL是使用磁盤上的NRZI進(jìn)行編碼的，所以RLL編碼的數(shù)據(jù)實(shí)際上占用較少的磁介質(zhì)空間，因?yàn)樗婕案俚拇磐ㄞD(zhuǎn)換。使用RLL碼字的目的是防止硬盤出現(xiàn)丟失同步的情況，在使用缺少變化的二進(jìn)制NRZI碼時會出現(xiàn)這種情況。

雖然有許多變種，但RLL（2，7）是磁盤系統(tǒng)使用的主要編碼。在技術(shù)上它是8位ASCII或EBCDIC字符的16位映射。然而，在磁通逆轉(zhuǎn)方面，它幾乎比MFM有效50%。（證明這個結(jié)果留給讀者作為一個練習(xí)。）

理論上講，RLL是一種名為赫夫曼編碼（在第7章中討論）的數(shù)據(jù)壓縮形式，赫夫曼編碼使用最短的碼字位模式對最合適的信息位模式進(jìn)行編碼。（在這兒，我們在談?wù)撟钌俚拇磐孓D(zhuǎn)。）這個理論基于這樣一個假設(shè)：在任何位元中存在或不存在1是一個概率相等的事件。從這個假設(shè)我們可以推斷模式10在任何一對相鄰位元內(nèi)發(fā)生的概率是0.25。\[P（bi=1）=1/2；P（bj=0）=1/2；P（bibj=10）=1/2×1/2=1/4\]。類似地，位模式011的發(fā)生概率為0.125。圖2A-6顯示了在RLL（2，7）中使用位模式的概率樹。表2A-1給出了RLL（2，7）使用的位模式。

正如表2A-1中所示，不可能有超過7個連續(xù)的0，至少兩個0將出現(xiàn)在任何可能的位組合中。

圖2A-7將單詞OK的MFM編碼與其RLL（2，7）NRZI編碼進(jìn)行了比較。MFM有12次磁通轉(zhuǎn)換，而RLL有8次轉(zhuǎn)換。在磁盤設(shè)計(jì)中，如果限制因素是每平方毫米的磁通轉(zhuǎn)換次數(shù)，則在相同的磁性區(qū)域中單詞OK使用RLL比使用MFM可以多壓縮50％以上。因此，RLL幾乎全部用于高容量磁盤驅(qū)動器。

圖2A-6　RLL(2，7)編碼的概率樹

表2A-1　RLL(2，7)編碼字符位模式RLL(2, 7)編碼100100111000000000100010100100011001000001000100100001100001000

圖2A-7　單詞OK的MFM編碼（上）和RLL(2，7)編碼（下）

2A.6　部分響應(yīng)最大似然編碼

在當(dāng)今超高容量的磁盤和磁帶介質(zhì)上，RLL本身不是足夠可靠的編碼。隨著數(shù)據(jù)密度的增加，編碼位必須寫得更靠近一些。這意味著將有較少的磁性材料顆粒參與每位的編碼，這會導(dǎo)致磁信號的強(qiáng)度降低。隨著信號強(qiáng)度的降低，相鄰的磁通反轉(zhuǎn)開始互相干擾。這種名為疊加的現(xiàn)象是有特點(diǎn)的，如圖2A-8所示。它顯示了一個漂亮、整潔、易于檢測的磁正弦波，看起來像一串煮得過熟得意大利面條。

圖2A-8　隨著a）、b）和c）中位密度的增大，磁通變化越來越緊密

盡管它有不好看的外觀，但疊加的波形可以很好地被定義和理解。然而，與傳統(tǒng)的正弦波不同，它們的特性不能被簡單的峰值檢測器捕獲，它對每個位元執(zhí)行一次測量。相反，它們在位元波形中可以多次采樣，對檢測器電路給出一種“部分響應(yīng)”模式。然后，檢測器電路（維特比檢測器）將部分響應(yīng)模式與相對較小的一組可能的響應(yīng)模式相匹配，并將最接近的匹配（“最大似然”正確模式）傳遞給數(shù)字譯碼器。因此，這種編碼方案稱為部分響應(yīng)最大似然(PRML)。（在閱讀第3章之后，您將了解維特比檢測器如何決定哪種模式是最有可能的。）

PRML是一系列編碼方法的通用名稱，不同方法之間是通過每個位元采樣的數(shù)目來區(qū)分的。更頻繁的采樣允許更大的數(shù)據(jù)密度。隨著磁頭技術(shù)的改進(jìn)，自2000年以來，PRML一直是磁盤和磁帶密度增加的根本推動因素，這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)有可能尚未得到充分的利用。

2A.7　總結(jié)

在磁盤和磁帶上如何存儲字節(jié)的理解將有助于了解許多與數(shù)據(jù)存儲相關(guān)的概念和問題。熟悉錯誤控制方法將有助于研究數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信。有關(guān)磁存儲數(shù)據(jù)編碼的最佳信息可以在電氣工程書籍中找到。它們包含一系列關(guān)于物理介質(zhì)行為的引人入勝的信息，以及這種行為如何被各種編碼方法所使用。在第7章中將學(xué)到更多的有關(guān)數(shù)據(jù)存儲的內(nèi)容。第12章介紹與數(shù)據(jù)通信有關(guān)的主題。

練習(xí)

1.為什么避免使用非歸零碼作為數(shù)據(jù)寫入磁盤的方法？

2.為什么曼徹斯特編碼不是將數(shù)據(jù)寫入磁盤的好選擇？

3.解釋游程長度受限碼的工作原理。

4.使用以下編碼寫出字符4的7位ASCII碼：

a）非歸零碼

b）不歸零反轉(zhuǎn)碼

c）曼徹斯***

d）調(diào)頻

e）改進(jìn)調(diào)頻

f）游程長度受限

（假設(shè)1為“高”，0為“低”。）

硬件開發(fā)

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