【缺氧】同步时分复用信号浅析

在oni中，我们可能会有用一条信号线(可视为一条物理信道)，传递多个信号的需要。

由于oni中由都是逻辑电路，没有能量高低，也没有频谱的概念。因此要满足这个需要，我们可以考虑"时分复用"的方法。

时分复用最初是为电报中的应用开发的，用于在一条传输线上同时路由多个传输。^[1]带入到游戏的场景中，对于单条信号线，使用时分复用技术，其传输数据的周期和速率，只与时间有关。而在oni中，通过时间变化来控制元器件的运作，还是比较容易做到的。

本文所分析的场景，都是较为简单的情况。更多复杂的场景和需要，可自行展开探讨和研究。

名词“oni”，指代的是游戏《oxygen not include》，即《缺氧》，后文再次出现的含义与此相同)

前言

时分复用概述

时分多路复用( TDM ) 是一种通过公共信号路径发送和接收独立信号的方法。

该方法通过传输线每一端的同步开关，以便每个信号仅以交替模式出现在线路上的一小部分时间. 此方法通过公共通道传输两个或多个数字信号或模拟信号。^[1]

名词定义

本名词定义，仅用于方便讲解游戏《缺氧》中的机制和概念，并不严谨，与现实中的《计算机网络》课本中的名词定义并不完全相同。其中带星号的名词，为自已定义的词，仅限于游戏讲解。注意与现实的区分。

• 总线

  传送信息的公共通信干线，对应oni中的自动化线路。即"同步时分复用信号"方法中“复用”的对象。一条总线，可能包含多条单个的信号线（如信号线组）。若没有特殊说明，通常指由单个信号线组成的，用于传输数据的数据总线。

• 数据总线

  特定用于传送数据的公共通信干线。

• 信号刷新周期 *

  一个信号从上一次开始传输，到下一次开始传输的间隔时间。每隔一段信号刷新周期，信号发送端才会发出其有效的信号变化。

  我们将一个完整的信号刷新周期，记为 T 。

• 信号的序号 *

  我们将多个不同的信号，都进行编号，并且规定每个信号的传输顺序。我们暂且称之为信号的序号。

• 时间段

  将一个完整的信号传输周期进行分割，给每一个按照顺序排好的信号，都分配一段时间，我们称为时间段。并且规定每个信号仅能在其允许的时间段时，向总线发送和接收信号。

  我们将某个序号m的信号，其所在的时间段的长度，记为 t_m 。

• 信号时延

  信号每经过一个元器件进行处理，再发出，需要消耗一定的时间。在oni中，一个元器件的处理时间通常为0.1s。

• 窗口期 *

  指发送信号和接收信号实际有效的时间。因信号时延，一个信号在它的时间段内，收发信号实际有效的时间，是小于等于它的时间段的。

• 信号发送端

  向总线输出信号的一端。

• 信号接收端

  从总线中接收信号的一端。

• 对时信号线 *

  此模块设计中，一条专门用来进行对时操作的信号线。

• 对时信号 *

  在一个信号刷新周期刚开始时，向对时信号线中输出的绿色信号。该绿色信号时长应该比较短暂，且小于每个信号的时间段。但最小值建议不低于0.1s。

基本模块蓝图

模块整体

对时控件

发送端

接收端

模块讲解

整体设计思路

假设我们在oni中，需要处理大量的信号，且要跨很远的距离传输。一般来说，每个信号都会有一个发送端和一个接收端。

如果一个信号，占用一个线路，那么我们就要建造大量的信号线。这既需要大量的空间，也耗费材料。于是，我们便自然而然地开始思考，如何利用一条信号线，来传输更多的信号。

如果我们接受每一个信号可以每隔一段时间才进行刷新，且每个信号的刷新周期，小于一个我们可以接受的时间T。

那么我们就可以将时间T按照一定的规则(如平均分)，进行划分。再对每个信号的传输顺序进行排序，每个信号都将分得一个时间片t。

接着我们可以规定信号发送和接收双方，都只在划定的时间段内进行发送和接收的操作。这样我们就可以重复利用同一条信号线，传输更多的信号了。

发送端设计思路

发送端从对时信号线接收对时信号，并通过过滤门和缓冲门调整发送信号的窗口时间。当时间到达当前信号划分的时间段内，才允许向总线发送信号。

当重置时间传感器绿色信号的开始时间时。对于使用2型和3型蓝图的模块来说，各个信号的发送端会立刻按顺序，依次刷新信号，调整起来比较方便。而对于使用1型蓝图的模块来说，需要调整每个信号的发送端和接收端两端的时间传感器，调整就比较繁锁了。

接收端设计思路

发送端从对时信号线接收对时信号，并通过过滤门和缓冲门调整发送信号的窗口时间。当时间到达当前信号划分的时间段内，才允许从总线接收信号。

接收端需要考虑信号的延迟带来的问题。因此需要过滤门来过滤可能来自上一个时间段信号传输的数据，使用缓冲门来保证接收信号的窗口时间不会减少。

时延的主要来源

1. 时间传感器 输出绿色信号，有0.1秒钟的延迟。从绿色信号，变为红色信号，也有0.1秒的延迟。
2. 与门在检测到符合条件后，从红色信号，变为绿色信号，向外输出时，有0.1秒的延迟。
3. 线组写入器将单个信号线的信号写入线组时，需要0.1s的时间。
4. 线组读取器将单个信号线的信号写入线组时，需要0.1s的时间。

参数设定与计算

定义基本参数

• 信号数量 n

  在一个信号刷新周期内，允许在总线上传输的信号的数量。

• 每个信号的时间段 t

  为方便设置和计算，我们一般将每个信号的时间段，设置为相同的值。建议时间段最小值不能小于0.2s。

• 对时信号时长 T_sync

  即用于对时的信号，保证时钟同步。其值小于任意一个信号的时间段t，常用时间传感器来进行设置。建议设置时间传感器绿色信号的时间，即对时信号的时长为0.1s。

• 发送端数据发送的时延 T_delay

  其值取决于将将要发送的信号，发送至总线的过程中，要经历多少个元器件。

对时控件

对时控件一般使用时间传感器。

绿色信号时间

绿色信号时间一般设置为对时信号时长 T_sync 即：

$$t_{对时,绿色}=T_{sync}$$

红色信号时间

红色信号时间设置为所有信号时间段的总和，减去对时信号的时长，再加上发送端数据发送的时延 T_delay 即：

$$t_{对时,红色}=t_{1}+t_{2}+...+t_{n}-T_{sync}+T_{delay}$$

如果总共有n个信号，每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$t_{对时,红色}=nk-T_{sync}+T_{delay}$$

信号刷新周期

显然，信号刷新周期，就是对时控件，红色信号时间和绿色信号时间的和，即：

$$\begin{aligned} T &= t_{对时,绿色}+t_{对时,红色}\\ &= t_{1}+t_{2}+...+t_{n}+T_{delay} \end{aligned}$$

如果总共有n个信号，每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$T=nk+T_{delay}$$

发送端

对时信号线，连接一个缓冲门后，再继续连接过滤门。

发送端过滤门

发送端的过滤门在接收到对时信号后，进行延迟计算。直到时间到了属于该信号的时间段的开始，才将对时信号传递给发送端的与门，允许发送端向总线发送信号。因此，序号为m的信号发送端的过滤门，其值等于前面m-1个信号时间段的和。由此可得：

$$t_{发,过滤门} = t_{1}+t_{2}+...+t_{m-1}$$

如果每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$t_{发,过滤门} = k(m-1)$$

发送端缓冲门

发送端的缓冲门在对时信号结束后，继续为过滤门提供绿色信号。直到时间到了属于该信号的时间段的结束，才禁止发送端向总线发送信号。因此，发送端的缓冲门，其值等于前面m个信号的时间段之和，再减去对时信号时长。由此可得：

$$t_{发,缓冲门}=t_{1}+t_{2}+...+t_{m}-T_{sync}$$

如果每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$t_{发,缓冲门} = km-T_{sync}$$

接收端

对时信号线，连接一个缓冲门后，再继续连接过滤门。接收端主要对传输过程中的时延进行处理。

接收端过滤门

当发送端满足发送信号的条件后，会经过与门（以及其他元器件）处理后，将信号发送到总线上。由于期间经过一些元器件的处理，信号到接收端时，会产生一定的时延。信号的变化，总是会相对于慢一点。

因此接收端的过滤门，主要用于过滤可能来自上一个时间段产生的信号。由此可得：

$$\begin{aligned} t_{接,过滤门}&=t_{1}+t_{2}+...+t_{m-1}+T_{delay} \\ &=t_{发,过滤门}+T_{delay}\\ \end{aligned}$$

如果每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$t_{接,过滤门}=k(m-1)+T_{delay}$$

接收端缓冲门

由于发送端发送信号存在时延，因此接收端需要更多的时间来等待信号传输。因此接收端的缓冲门，主要用于保持信号时间段的时长不变。由此可得：

$$\begin{aligned} t_{接,缓冲门}&=t_{1}+t_{2}+...+t_{m}-T_{sync}+T_{delay} \\ &=t_{发,过滤门}-T_{sync}+T_{delay}\\ &=t_{发,缓冲门}+T_{delay}\\ \end{aligned}$$

如果每个信号的时间段都设置为相等，且都为常数k，则有

$$t_{接,缓冲门}=km+-T_{sync}+T_{delay}$$

参考

1. Time-division_multiplexing https://en.wikipedia.org/wiki/Time-division_multiplexing ↩
2. 参考资料2 ↩