При разработке программ, работающих с потоками данных АЦП и ЦАП, возникает задача обеспечить обработку данных с достаточной скоростью.

Скорость потока данных определяется частотой дискретизации и не регулируется программой: физический процесс не может ждать. Если потерять часть отсчётов, то сигнал будет испорчен.

При этом компьютер, исполняющий программу, обычно работает не в реальном времени, т.е. если один шаг программы следует "сразу" за другим, то это "сразу" следует понимать как последовательность выполнения операций, а не как реальное время. Некоторые операции (например, запись на диск) могут выполняться относительно долго. Также в многозадачной операционной системе есть много процессов, прерывающих друг друга, так что программа может "застопориваться" в случайные для неё моменты времени (иногда довольно надолго – на десятки, даже сотни миллисекунд).

Кроме того, при программировании бывает необходимо обрабатывать данные блоками (порциями), а не по одному отсчету, иначе накладные расходы сведут на нет быстродействие даже современного компьютера.

Для решения этой задачи применяется буферизация.

Буфер – это массив в памяти с быстрым доступом, в котором накапливаются поступающие данные (если это поток ввода, АЦП) или из которого они отправляются с заданной скоростью (если это поток вывода, ЦАП).

При вводе данных процесс начинается с пустым буфером. При выводе буфер должен быть предварительно заполнен, иначе в начале работы может сразу произойти опустошение буфера.

Производительность обработки данных компьютером должна быть больше скорости потока (с запасом), а вот мгновенная скорость может падать, лишь бы буфер ввода не переполнился, а буфер вывода не опустел. Запас по скорости нужен, чтобы разбирать данные, накопившиеся в буфере из-за паузы (а при выводе – чтобы снова наполнить буфер).

Образно можно представить себе буфер ввода как бак, в который из трубы с постоянной скоростью поступает вода. Мы зачерпываем эту воду ведром, относим потребителю и возвращаемся; чем больше бак, тем больше времени у нас есть на непредвиденные задержки по дороге. В идеале в баке должно быть не больше ведра воды, тогда, уходя, мы оставляем его пустым и имеем максимальный запас времени. Если же случилась задержка и набралось много воды, мы начинаем торопиться, чтобы побыстрее вычерпать её.

С буфером вывода всё то же самое, только вода уходит из бака с постоянной скоростью (и прерывать подачу нельзя, это авария), а мы наливаем вёдрами. Соответственно максимальную защиту от задержек обеспечивает полный бак, а если уровень упал – его надо побыстрее восполнить.

На практике такая схема может быть реализована в виде кольцевого буфера или списка блоков меньшего размера ("вёдер"), которые ставятся в очередь. По мере готовности они обрабатываются, освободившиеся блоки-вёдра ставятся в конец очереди.

Простейший вариант – это схема с двумя буферами (двумя половинами большого буфера): когда готова одна половина, она обрабатывается, в это время данные собираются во второй половине, и за время ее заполнения должна завершиться обработка первой, потом половины "меняются ролями". Если продолжать аналогию с вёдрами, то здесь нет бака, зато есть два ведра: набрав полное ведро, мы сразу подставляем пустое и относим полное на грядку. Это очень простая и эффективная схема, но в ней размер порции обработки данных (и связанная с ним задержка) увязывается с размером буфера, что иногда неудобно.

Для использованной выше бытовой аналогии буфера и ведра сделаем важную оговорку, что под буфером (в системах сбора данных и управления) подразумевается последовательная  структура, в которой данные не теряются (ведро не дырявое) и последовательность данных не изменяется. Другими словами, попавший в буфер отсчёт данных не может обогнать ранее пришедший отсчёт. 

Также отметим, что реализация буфера может быть не только программная, но и аппаратная, например в FPGA, по типу линейной очереди заданного максимального размера "первым вошёл – первым вышел" (FIFO – First In, First Out).

Если термин "буферизация" рассматривать шире, то буферизация может быть и без сохранения естественного порядка следования данных, например, LIFO  "последним вошёл – первым вышел" (LIFO – Last In, First Out). Другое известное название буфера LIFO – это стек (Stack), который широко применяется в программировании.

При сравнении характеристик систем сбора данных важен не просто байтовый объём буфера в системе, а расчётное максимальное время буферизации сигнала при данной скорости ввода данных (для АЦП) или вывода данных (ЦАП). Для расчёта времени буферизации следует учитывать необходимую скорость сбора данных (отсчётов в секунду) и размер слова данных, занимаемый одним отсчётом (типично: 2 или 4 байта). В слове, кроме отсчёта данных, может находиться вспомогательная индексная информация, маркирующая поток данных для разных вспомогательных задач при работе с данными на верхнем программном уровне в ПК.

При рассмотрении термина "буферизация" применительно к реальной работе систем сбора данных следует отметить, что в данном случае процесс буферизации данных будет носить многоуровневый характер: буферизация будет происходить как в устройстве, так и в компьютере, часто не только в ПО верхнего уровня, но и на уровне драйвера используемого интерфейса (например, драйвера USB). Особенно в случае использования операционной системы компьютера, не относящейся к системам "реального времени", типично может наблюдаться значительное непостоянство времени буферизации сигнала при неизменной скорости ввода-вывода данных.    

С данной темой связаны следующие статьи:

• Как написать двойную буферизацию ввода с АЦП?
• Ввод-вывод данных синхронный и асинхронный
• Можно ли обрабатывать данные от АЦП на ПК в реальном времени, отсчет за отсчетом?

---

Пример использования термина

Терминология, связанная с буферизацией потоков данных, широко используется в руководствах на различные системы сбора данных (LTR, E-502, L-502, E14-x40 и т.д.) при описании их функциональных схем и программных интерфейсов.

Измерительная система LTR

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
17/16, ТТЛ 5 В
Интерфейс: USB 2.0 (high-speed), Ethernet (100 Мбит)
Гальваническая развязка.

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, USB, Ethernet

E-502

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
18/16 TTL 5 В
Интерфейс: PCI Express

Плата АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, PCI Express

L-502

АЦП: 14 бит; 4 канала;
±0,3 В…3 В; 10 МГц
ЦАП: 12 бит; 2 канала; ±5 В; 8 мкс
Цифровые входы/выходы:
16/16 ТТЛ, 5 В
Интерфейс: USB 2.0 (high-speed).

Модуль АЦП/ЦАП
4 канала, 14 бит, 10 МГц, USB

E20-10

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,15 В…10 В; 200 кГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 200 кГц
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 200 кГц, USB

E14-140M

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,156 В…10 В; 400 кГц
ЦАП: 12 бит; 2 канала; ±5 В; 8 мкс
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 400 кГц, USB

E14-440