滴！刷卡的时候发生了什么？( 二 ) _刷卡

比如姥姥要从北京坐火车去上海，妈妈给上海的舅舅打电报让他去车站接。这么一件事妈妈写出的电文是：“母于九月十日五次车下午两点半到上海”，已经够简练了吧？而邮局电报柜台的营业员阿姨会贴心地帮你改成“母9.10 5次1430到沪” 。除了把上海简称为沪减少了一个字，电文中还尽量把汉语数字用阿拉伯数字来写。因为我们前面讲过，一个汉字要用四个数字来代表，而直接用阿拉伯数字，需要发送的字符数量就减少了很多，从而省下可以买好多个馒头的钱。
电报早已离开人们的生活走入历史，但那个时期留下的很多概念仍然没有过时。比如通讯安全（密码编制与反破解），数据无损压缩（把E用一个点表示）与有损压缩（用阿拉伯数字代替汉字数字）等，直到现在仍然是我们需要不断解决的问题，同时也经常给我们的科研工作带来启示。
【滴！刷卡的时候发生了什么？】计算机用的串行码
有人把摩尔斯电码中的点划说成是计算机二进制中的1和0，其实这是误解。摩尔斯电码之所以可以正确地传递信息，除了点划这两个要素，另一个必不可少的一个要素是没有声音的空白时间段。
前面的编码表中规定，点是一个单位时间段，划是三个单位时间段。这个单位时间段可长可短，因人而异，熟练的发报员可以短些，而生手可以慢些。除此之外，还规定了点点，点划，划划之间的空当为一个单位时间段，字母之间的空当为三个单位时间段，不同单词之间的空当为七个单位时间段等。只有这样，才不会把不同字母之间的点划连到一起，也不会把同一个字母中的点划拆到两个字母之中。
这样的编码方法可以确保收发报的人类不至于出错，但在计算机出现后，这样的编码就显得效率太低了。那么计算机里用的编码长得什么样子呢？我们举个简单的例子来说明。
当我们在键盘上按下一个字母键的时候，怎样让计算机主机知道我们按的是那一个字母呢？这是通过串行接口传递的高低电平知道的。如果我们找一个旧式的键盘，把键盘和主机之间的电缆剥开，找到许多线中正确的信号线，就可以从示波器上看到类似下图的波形。

文章插图
在没有按下键的时候，串行接口处于静止状态，导线上处于高电平。当我们按下一个按键后，发送端首先把接口上的电平拉低一个单位时间段，然后在后面（即上图竖直实线之后）的8个单位时间段内输出时高时低的电平。具体哪个时间段高哪个时间段低，取决于我们按下的是哪一个字母或数字键。显然，后面这8个单位时间段每个时间段可以传输一个比特的信息。
很多情况下传输一个字符，需要10个单位时间段，这10个时间段包括在8个比特的信息之前需要一个低电平时间段以告知接收方准备接收，以及在8个比特传输之后，设置一个高电平的时间段，以便与后面紧接着的字符区隔。
当然具体使用接口时，我们有时可以把接口参数设置成只用7个比特传输一个字符。因为26个大小写英文字母，加十个数字，再加各种标点符号已经各种控制命令，只需要128种不同字符，因此可以用7个比特编码。尽管很多时候我们传输字符时包含了8个比特，但最高位的第8个比特总是0或者低电平。
如果我们打开示波器的波形记忆功能，则会得到如下的显示。

文章插图
这个图中记录了我们连续发送两个字符时，示波器上看到的波形。在键盘上依次按下不同的字母与数字键，示波器记录下在每个单位时间间隔中信号的高低电平。可以看出，不论对哪一个字符，第一个起始时间段总是0 。随后7个时间段，电平可以高也可以低。而第8个比特在传输普通字符时总是低电平。
假定我们按键速度极快，则第一个字符发送后，接口会紧接着发送第二个字符，如上图右半边所示。这第二个字符也是先把接口信号电平拉低一个单位时间间隔，然后发送8个比特的信息。
串行接口传输的速度称为波特率，前面图中接口的波特率是1200，它在每秒钟内可以传输1200个前面所说的单位时间段。换句话说，每个单位时间段的长度为1/1200秒，也就是0.83 毫秒左右。假定我们使用的接口设置是用10个单位时间段发送一个字符，则在波特率为1200时，每秒可以传输120个字符。
每秒120个字符在很多应用中会嫌太慢，毕竟120个字符仅仅对应于很多显示器上一行半文字，因此人们很多时候会需要更高的波特率。反之，如果传输距离很远，电气环境恶劣，而需要传输的信息量不太大时，人们可能需要比较低的波特率，以确保信息传递准确。常见的串行通讯接口往往会支持很多不同的波特率，包括75, 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 等等。