Warum braucht man einen Takt (Bussysteme)

Hallo.

Ich versteh nicht wirklich warum man eine Taktleitung oder Clockleitung bei Bussystemen braucht.

Also was genau macht diese und warum ist sie wichtig ?

Was ich schon verstehe (oder glaube zu verstehen):

Die Taktrate bestimmt die Geschwindigkeit mit der die Daten(Bit) übertragen werden, was genau schränkt aber die Geschwindigkeit ein (Sonst könnte man es ja beliebig schnell machen).

Die Daten werden nur bei höheren Pegel des Taktes übertragen (da bin ich mir nicht sicher)

Ich weiß auch das irgendwas synchronisiert wird, aber weiß nicht genau was und wieso.

Warum kann die Datenleitung nicht einfach „01000101110101100101“ senden, also direkt hintereinander in einer hohen Frequenz, so könnte man ja auch die Daten übertragen?

Ein beispiel was ich daran nicht verstehe:
Wenn eine Lehrer (Master) in der Klasse einen Schüler (Slave) anspricht, dann muss er ja auch nur den Namen (Adresse) des Schülers sagen und der Schüler weiß das er gemeint ist, Da funktioniert es ja auch ohne Takt und ohne Synchronisation .

Vielleicht habt ihr auch gute Lektüren, Bücher, PDF oder Videos parat, die dieses für mich schwere Thema gut erklären.

Und ja ich habe schon Google benützt, habe es trotzdem nicht ganz verstanden.

Vielleicht ist einer unter euch, der dieses Thema so gut beherrscht um es auch einen Leien zu erklären zu können.

Öfter braucht man einfach eine andere Perspektive oder eine andere Erklärungsweise um etwas zu verstehen.

Ich bedanke mich bei jedem, der sich die Mühe macht und sich die Zeit nimmt mir dieses Thema zu erklären.

Hallo,

das wäre eine analoge Übertragung. Fehlerbehaftet und nicht lange so schnell wie heutige digitale Systeme. Da werden die Informationen in Form von Stromsignalen übertragen. Mit einem Hertz, also einem „Stromsignal“ pro Sekunde, kann eine Information übertragen werden. Mit 200 Megahertz können somit 200 Mio. Informationen (also Nullen oder Einsen) übertragen werden. Inzwischen ist man etwas weiter und kann sogar vier Informationen mit einem Takt übertragen.

Um eine Analogie zu verwenden: stelle Dir die Informationsübertragung als Wasserhahn vor. Analog wäre die Übertragung, wenn man den Hahn aufdreht und laufen läßt und die Art der übertragenen Information durch die Menge des durchlaufenden Wassers bestimmt. Digital erfolgt die Informationsübertragung durch die Botschaft „Wasser an“ oder „Wasser aus“. Wesentlich präziser und letztlich auch schneller (wobei für die Geschwindigkeit der Vergleich mit dem Wasserhahn nicht mehr ganz anschaulich ist).

Jetzt klarer?

Gruß
C.

Das ist auch eine digitale Übertragung, Verwendung bei Übertragung mit RS232.
Bei der Übertragung müssen die Bits des Senders genau zu den Bits des Empfängers zugeordnet werden können.
Bei obiger Zeichenfolge erfolgt die Synchronisation nach jeweils einer bestimmten Anzahl Bits durch eine Pause.
Bei gleichzeitiger Übertragung eines Taktsignales zur Synchronisation sind die Pausen nicht erforderlich weshalb größere Datenmengen pro Zeiteinheit übertragen werden können.

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Hallo,
ohne jetzt mathematisch oder physikalisch allzu tiefe Runden zu drehen, glaube ich, daß Du versuchst, die Definition des Takts in einer DSP-Anordnung illegalerweise auf die Welt zu übertragen.

Insgesamt gibt es ein paar charakteristische Stellgrößen bei der Signalübertragung (Latenz, Durchsatz, Verlustigkeit, Reichweite). Die ersten beiden dieser Größen laufen entlang der Zeitdimension. Damit läßt sich schon implizit eine Art Takt definieren, in dem Sinne, daß ein zweites TR-System mit einem anderen Takt u.U. nicht in der Lage ist, Übertragungen des ersten Systems wiederzugeben.

Du lieferst hier auch (unbewußt) ein Beispiel:

Wenn ich den Senderteil (Lehrer) verändere, daß dieser im Ultraschallbereich seine Anweisungen ausgibt, dann sind die Empfänger (Schüler) ohne weiteres nicht in der Lage, die Übertragung zu empfangen. Das liegt am menschlichen Ohr, was nur mit "Takt"raten von bis zu 20 kHz abtastet.

Sämtliche physikalische Prozesse (naja fast) laufen in der Raumzeit ab, d.h. sie benötigen etwas Raum und etwas Zeit, die Umkehrung der Zeit gibt die Maximalgeschwindkeit im Sinne einer Frequenz/eines Takts wieder, der „benutzte“ Raum (zusammen mit der Energie) gibt die Reichweite vor.

Technisch versuchen wir heutzutage noch Signale digital und seriell (oder in ganz kleiner Parallelisierung) zu übertragen, weil es dafür fertige Komponenten gibt. Schnell und effizient ist das natürlich nicht, aber Alternativen sind im Augenblick eher esoterischer Natur.

Jetzt nehmen wir den Fall doch mal an und der Sender schickt deine Zeichen jetzt in irgendeiner Geschwindigkeit. Und nehmen wir zur Einfachheit außerdem an, dass das ganze elektrisch passiert. 0 ist also kein Pegel und 1 ist ein Pegel.

Dein Signal würde also irgendwie so aussehen grafik

Dein Empfänger kriegt das Signal und wertet das dann aus. Soweit so einfach.

Wenn jetzt aber dein Sender und dein Empfänger sich nicht vorher auf eine Geschwindigkeit geeinigt haben, dann hat der Empfänger keine Chance die empfangenen Signale richtig zu interpretieren.

Schau dir mal das Signal an, was ich geschickt habe. Wenn du nicht weißt, wie schnell der Sender die Daten schickt, dann könnte der erste High-Pegel eine oder zwei oder auch mehrere Einsen bedeuten.

Also: Fakt Nr. 1: Sender und Empfänger müssen sich über die Geschwindigkeit einig sein.

Wozu aber nun der Takt?

Wir reden hier ja über reale (und nicht theoretische) Systeme. Und bei realen Systemen gibt es immer Rauschen und Umwelteinflüsse. Das bedeutet in der Realität, dann Sender und Empfänger niemals die exakt gleiche Geschwindigkeit haben können.

Also nehmen wir an, dass der Sender mit genau 1.000.000 Hz sendet. Diese Frequenz wird von einem Quarz im Sender erzeugt. Der Empfänger steht in einem anderen Raum und da ist es etwas wärmer. Der Empfänger glaubt zwar auch, dass er genau mit 1.000.000Hz empfängt. Aber da die Umgebungsbedingungen anders sind, empfängt er tatsächlich nur mit vielleicht 999.999Hz.
Das geht eine Weile gut aber irgendwann kommt der Empfänger nicht mehr mit und lässt ein Bit der Übertragung aus. Sowas ist insbesondere bei langen Strecken ohne Pegelwechsel kritisch. In meinem Signalbeispiel wäre das der Fall bei dem langen Highpegel in der Mitte. Wenn ich hier nicht ganz exakt synchron takte, dann kann es sein, dass der Sender 4 Bit schickt, der Empfänger aber nur 3 Bit daraus interpretiert.

Fazit: Selbst wenn Sender und Empfänger sich auf eine Geschwindigkeit geeinigt haben, kommt es in der Realität zu Gangunterschieden der inneren Taktgeber.

Die Lösung sind Taktleitungen oder irgendwelche Konventionen aus denen sich der Takt ableiten lässt. Damit synchronisieren sich Sender und Empfänger immer wieder und die unterschiedlichen Takte sind in weiten Grenzen kein Problem mehr.

Wenn du dir in meinem Signalbeispiel ein zusätzliches Taktsignal vorstellst, was in dem langen Highpegel 4 mal feuert, dann weiß der Empfänger sicher, dass da 4 Signale waren und nicht nur 3.

Am Beispiel RS232 (serielle Schnittstelle) gibt es keine eigene Taktleitung, sondern eine Konvention. Es gibt ein Startbit, was zur Synchronisierung dient, und danach ein „Wort“ aus 8 Bit, das sind die eigentlichen Daten. Und danach kommt noch ein Stoppbit, was wieder zur Synchronisierung dient und eine Pause von mindestens 0,5 Signalbreiten.

Damit kann der Empfänger aus dem Signal kein Pegel über >1 verabredeten Takt mit einer danach kommenden Flanke auf high: Jetzt beginnt das nächste Wort. Damit müssen die Taktgeber von Sender und Empfänger nur noch so genau gehen, dass die Interpretation für 8 Bit sicher ist.

Und warum geht das nicht beliebig schnell? Elektrische Signale laufen mit etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit über Kabel. Das ist schnell aber eben nicht unendlich schnell. Außerdem kommen da Störungen dazu. Das Signal sieht beim Empfänger nicht mehr reckig aus, sondern rund und verrauscht. Je runder und verrauschter das Signal ankommt, desto mehr Zeit braucht der Empgänger um es sicher interpretieren zu können.

Ich hoffe, das ist jetzt klar.

Stell Dir einfach zwei Postboten vor, der eine weiß, wo sie hingehören und der andere hat die Briefe und wirft sie einfach drauf los, der erste öffnet dazu die Postschlitze.
So und jetzt stell Dir vor, was passiert, wenn sie aus dem Takt geraten.

… wobei Sender und Empfänger intern auf eine bestimmte Geschwindigkeit („Baudrate“) eingestellt sind, welche aber toleranzbehaftet und damit zwischen beiden immer leicht unterschiedlich ist. Und das auch noch dynamisch (z.B. je heißer, desto langsamer)

Genauer: Die Synchronisation erfolgt nach einer bestimmten Anzahl Bits durch einen Flankenwechsel (bei RS232 wäre das das Stop-Bit, bei CAN wird z.B. nach fünf identischen Bits (alle 0 oder alle 1) ein invertiertes Bit eingefügt, anhand dessen der Empfänger sich aufsynchronisieren kann).

Pausen können auch hier erforderlich sein, aber die toleranzbedingten Abweichungen zwischen Sender und Empfänger müssen nicht mehr berücksichtigt werden: Die Abtastung des Nutzsignals erfolgt zum Flankenwechsel des Taktsignals, nicht mehr nach einer fest eingestellten (und eben toleranzbehafteten) Zeit.

Anders gesagt:
Asynchron (ohne Takt) kann man so schnell übertragen, wie es die maximale Abweichung zwischen Sender und Empfänger zulässt: Überträgt man zu schnell, würde der (langsamere) Empfänger aufgrund seiner internen Zeitmessung meinen, er hätte gerade Bit Nr. x-1 empfangen, während der (schnellere) Sender schon Bit Nr. x auf den Bus gelegt hat.
Synchron (mit Takt) kann man so schnell übertragen, wie Sender und Empfänger in der Lage sind, die Daten auf dem Bus bereitzustellen bzw. abzuholen: Hier muss der Empfänger „nur“ die Taktflanken zählen, um die Bits richtig zuzuordnen.

Gruß,

Kannitverstan

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Hm. Nein. Dazu fehlen die Zwischenwerte, z.B. 0,5 :wink:
Natürlich kann man jeden Spannungsverlauf als Analogsignal interpretieren und in einem bestimmten Zeitraster abtasten. Aber das ist hier nicht gemeint (Wenn das Signal z.B. Temperaturen darstellen sollte: „Wie war die Temperatur zum (Abtast-)Zeitpunkt x?“ - „Heiß“ :wink: ).

Aufgepasst: Analog vs. digital ist ganz was anderes wie synchron vs. asynchron!

Gruß,

Kannitverstan

Im Prinzip alles richtig, aber um pedantisch zu sein:

Stimmt nicht. Es gibt Kodierungen, denen Level egal sind. Z.B. ADPCM. Damit kann man, sogar variabel, den Takt senderseitig verändern und der Empfänger kann (in gewissen Grenzen) damit umgehen.

Außerdem sollte man noch ganz dringend die Verlustigkeit mit einbeziehen. Bestimmte Übertragungen brauchen das Signal nicht verlustfrei zu rekonstruieren. Oder man kodiert entsprechend (z.B. mit dichtesten Kugelpackungen), um viele Fehler wieder korrigieren zu können. Bislang scheinen wir nur von Speicher- und Adreßbussen zu reden.

Auch dafür gibt es seit Jahrzehnten Lösungen. Schon mal was von ‚RLL-Codierung‘ gehört? Schon mal gesehen, wie die Daten auf Festplatten oder Disketten gespeichert werden?

Der Frager hat - offensichtlich - eine Frage auf Schulniveau gestellt. Vielleicht hätte es Sinn gemacht, das bei der Beantwortung der Frage im Blick zu behalten.

Wir reden hier von Grundkonzepten. Alles was du da noch zusätzlich ergänzt hast, erhöht aus meiner Sicht die Komplexität unnötig und übersteigt mit Sicherheit die Fähigkeiten des Fragers.

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Die aber bei so Simpel-Anwendungen wie RS232 nun mal nicht genutzt werden.

Zugegeben, bisher nicht, aber im Grunde ist das: „…genügend viele Signalflanken für die Taktrückgewinnung gewährleistet…“ nichts anderes als die von mir beschriebenen „Stuff bits“ bei der CAN-Übertragung.
Der Punkt ist da wie dort, dass man rechtzeitig (nämlich spätestens bevor Sender und Empfänger zu weit auseinanderlaufen) eine Flanke braucht.

Nein, und du sicher auch nicht :wink:

Gruß,

Kannitverstan

RS232 wird eigentlich so gut wie gar nicht mehr genutzt.

Anyway: deine Erklärung war ganz allgemein. Also habe ich auch ganz allgemein ergänzt.

So isses.

Doch. Ich habe ein Oszilloskop verwendet (bei einer Diskette, Festplatten hatten wir noch keine zum Spielen während des Studiums). Spannendes Thema. Damals.

Und natürlich ist das ganze Thema so umfangreich (die gesamte Nachrichtentechnik und die Digitaltechnik obendrauf), dass man das in einem Forum eh’ nicht mal eben so abhandeln kann.

Du hast die Störsicherheit vergessen.

Ähm - wie macht man das denn beim DSL-Vektoring, wenn nicht durch massive Parallelisierung? Oder beim digitalen Rundfunk? Als was würdest du denn QAM bezeichnen wenn nicht als Parallelisierung?

Sondern was? Wie stellst du dir denn Alternativen vor? Und warum ist man eigentlich vom P-ATA- zum S-ATA-Bus übergegangen, wenn das doch angeblich alles so ineffizient ist?

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Störsicherheit ist eine innere (oder abgeleitete Größe), die z.B. durch Kodierung gesteuert werden kann, solche Komponenten tragen aber zu den Grundgrößen (Latenz, Durchsatz, Verlustigkeit, Reichweite) bei.

QAM ist bei mir Minimalparallelisierung. Selbst ein 2^64-QAM schafft nur 64 Bits parallel zu übertragen, ein Witz. Ein Fortschritt wären Q-Bits, mit denen man eine ganze Verteilung (unendlich viele Werte) übertragen kann.

Alternativen für was genau? Stochastische Signalverarbeitung macht man vielleicht besser mit Optronik statt Elektronik, nicht-lineare Signalverarbeitung vielleicht mit Quantensystemen, für digitale Signalverarbeitung fallen mir keine Alternativen ein, aber wie gesagt, ich halte diese auch für eine Sackgasse.

Ach, das ist doch langweilig! Ich dachte eher an sowas: https://www.youtube.com/watch?v=eoRVEw5gL8c
:wink:

Gruß,

Kannitverstan

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Ich schweife jetzt natürlich komplett ab, aber zum Thema Effizienz (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Denavit-Hartenberg-Transformation), für das 3-Gelenk-Problem (Schulter-Ellbogen-Hand) schafft unser Gehirn mit ca. 2 J Gesamtenergie den Weg und die ersten beiden Ableitungen in Nahzeit (ca. 0.25 s) zu berechnen. Ein Supercomputer schafft das auch, aber sicher nicht mit der Obergrenze von 8 Watt Leistung.

Wow.

Ich danke euch allen für die Mühe und Zeit die ihr für mich investiert habt.

So einiges hat sich (so einiger maßen) geklärt. Neue Fragen sind dazugekommen :smiley:.

Es ist doch um einziges komplizierter als ich zunächst vermutet habe, also ist es auch kein Drama das ich es nicht gleicht oder ganz verstehe.

Vielen Danke euch allen!

Wenn du das als einzige Parallelisierung bei VDSL siehst, solltet du nochmal nachschauen, wie das wirklich funktioniert. Und was du an 64 Bits parallel witzig findest weiß ich auch nicht.

Spielen wir jetzt eine Runde Bullshit-Bingo?

Blödsinn.
„Ein Qubit…ist ein beliebig manipulierbares Zweizustands-Quantensystem; also ein System, das nur durch die Quantenmechanik korrekt beschrieben wird und das nur zwei durch Messung sicher unterscheidbare Zustände hat.“

Alternativen für die angeblich ineffiziente und langsame serielle Übertragung.

Oh. Schon wieder Bullshit-Bingo.

Oje. Oje. Oje.

Sag mal, kann es sein, dass du eigentlich nicht wirklich Ahnung von Nachrichtenübertragung hast?

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Wow.

Ich danke euch allen für die Mühe und Zeit die ihr für mich investiert habt.

So einiges hat sich (so einiger maßen) geklärt. Neue Fragen sind dazugekommen smiley.

Es ist doch um einziges komplizierter als ich zunächst vermutet habe, also ist es auch kein Drama das ich es nicht gleicht oder ganz verstehe.

Vielen Danke euch allen!