Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

Примечание	от автора: полная лекция по этой теме
	Загрузить архив:
	Файл: ref-26244.zip (15kb [zip], Скачиваний: 117) скачать

Лекция13.  Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

1. Инфракрасный интерфейс IrDA

2.  Радиоинтерфейс Bluetooth

1. Инфракрасный интерфейс IrDA

Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от свя­зывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малога­баритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспровод­ных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов перифе­рийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локаль­ным сетям.

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позво­ляет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (InfraRed) Connection — безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспе­чивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэто­му зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым простран­ством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных ком­пьютеров со стационарными компьютерами или ПУ. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современ­ные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные те­лефоны, цифровые фотокамеры и т. п.

Различают инфракрасные системы:

 - низкой (до 115,2 Кбит/с)

 - средней (1,152 Мбит/с)

 - высокой (4 Мбит/с) скорости.

Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями.

Высокоскоростные — для обмена файлами между ком­пьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекцион­ный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позво­лят передавать «живое видео».

 В 1993, году создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призван­ная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и Sharp - ASKIR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обес­печивают следующие скорости передачи:

· IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;

· в IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra Red) - 0,576 и 1,152 Мбит/с;

· IrDA FIR (Fast Infra .Red) - 4 Мбит/с;

· ASKIR - 9,6-57,6 Кбит/с.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм. Светодиод дает конус эффективного излуче­ния с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффектив­но принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требо­вания к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для при­емника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком боль­шая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в не­различимый сигнал.

Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют поме­хи: засветка солнечным освещением или лампами накаливания, дающая посто­янную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи прихо­дится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 10⁹ при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность — до 10 клюкс).

 Поскольку передатчик почти неизбежно вызыва­ет засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать к полудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене на­правления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, кото­рую рассмотрим снизу вверх.

Ниже перечислены возможные варианты IrDA на физическом уровне.

· IrDA SIR — для скоростей 2,4-115,2 Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как в СОМ-портах): старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение бита кодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс на скорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-A). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 преду­смотрен и иной режим — IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс для всех этих скоростей.

· ASK IR — для скоростей 9,6-57,6 Кбит/с также используется асинхрон­ный режим, но кодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой им­пульсов с частотой 500 кГц, единичный — отсутствием импульсов.

· IrDA HDLC — для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхрон­ный режим передачи и кодирование, аналогичное SIR, но с длительностью импульса 1/4 битового-интервала. Формат кадра соответствует протоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадра эта битовая последовательность исключается с помощью вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.

· IrDA FIR (IrDA4PPM) — для скорости 4 Мбит/с также применяется синх­ронный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 00 — 1000, 01 — 0100, 10 — 0010, 11 — 0001 (в четверках символов единица означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодирования позволяет вдвое снизить частоту включения светодиода по сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов, облегчает адаптацию к уровню внешней засвет­ки. Для повышения достоверности применяется 32-битный CRC-код.

Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-связи. Он преобразует данные в кадры и предотвращает конфликты устройств; при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга, одно из них назнача­ется первичным, а остальные — вторичными. Связь всегда полудуплексная. IrLAP описывает процедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соеди­нение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обмена по максиму из доступных обоим (9,6, 19,2, 38,4, 57,6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним веду­щим устройством).

Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLMP (IrDA Infrared Link Management Protocol). С его помощью устройство сообщает осталь­ным о своем присутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточно поднести новое устрой­ство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLMP могут узнать, присутствует ли требуемое им ус­тройство в зоне охвата. Однако гарантированной доставки данных этот прото­кол не обеспечивает.

Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP (IrDA Transport Protocols) — здесь обслуживаются виртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянные пакеты, ошибки данных и т. п.), произ­водится упаковка данных в пакеты и сборка исходных данных из пакетов (про­токол напоминает TCP). На транспортном уровне может работать и протокол IrTP.

Протокол IrCOMM позволяет через ИК-связь эмулировать обычное провод­ное подключение:

· 3-проводное по RS-232C (TXD, RXD и GND);

· 9-проводное по RS-232C (весь набор сигналов СОМ-порта);

· Centronics (эмуляция параллельного интерфейса).

Протокол IrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям; он позволяет пере­давать кадры сетей Ethernet и Token Ring. Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство-провайдер с интерфейсом IrDA, подключенное обыч­ным (проводным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).

Протокол объектного обмена IrOBEX (Object Exchange Protocol) — простой протокол, определяющий команды PUT и GET для обмена «полезными» двоичны­ми данными между устройствами. Этот протокол располагается над протоколом Tiny ТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильных коммуникаций, определяющее передачу информации, относящуюся к сетям GSM (записная книжка, календарь, управление вызовом, цифровая передача голоса и т. п.), меж­ду телефоном и компьютерами разных размеров (от настольного до PDA).

Этими протоколами не исчерпывается весь список протоколов, имеющих от­ношение к ИК-связи. Заметим, что для дистанционного управления бытовой тех­никой (телевизоры, видеомагнитофоны и т. п.) используется то же 880-нм диа­пазон, но иные частоты и методы физического кодирования.

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различны­ми способами; по отношению к системному блоку он может быть как внут­ренним (размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зре­ния» (30° у передатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого уст­ройства (до 1 м).

Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2 Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В ряде современных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2, Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракрасной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствую­щий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программ­ный обмен (PIO) или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычная микросхема UART непригодна, поскольку она не поддерживает синх­ронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системную плату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.

Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connector системной платы, напрямую (если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточный разъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке на зад­ней стенке корпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем кон­некторе нет, и для большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжают кабелем с отдельными контактами разъема.

Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232C для подключения к СОМ-порту или же с шиной USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост, как казалось бы: для работы модулятора-де­модулятора требуется сигнал синхронизации с частотой, 16-кратной частоте пе­редачи данных (этот сигнал поступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходе СОМ-порта нет и его приходится восстанав­ливать из асинхронного битового потока. Адаптер ASK IR в этом плане проще — передатчик должен передавать высокочастотные импульсы все время, пока на выходе TXD находится сигнал высокого уровня; приемник должен формировать огибающую принятых импульсов.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адап­тера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов.

В ОС Windows 9x/ME/2000 контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет

- устанавливать соединение с локальной се­тью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов);

- передавать фай­лы между парой компьютеров;

- выводить данные на печать;

- синхронизировать данные PDA, мобильного телефона и настольного компьютера;

 - выгружать от­снятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других по­лезных действий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

2. Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радио­связи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными теле­фонами и любыми другими портативными устройствами.

 Разработкой специфи­кации занимается труппа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, ком­пьютеров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вы­вела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.blueto6th.com), правда, весьма объемиста (около 15 Мбайт PDF-фай-лов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распрост­ранению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволим себе сократить название технологии до «ВТ» (это неофициальное сокращение). Само название берет начало от прозвища датского короля, объединившего Данию и Норвегию, — это намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для про­мышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F = 2402 + k (МГц), где k - 0,...,78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные), возможен сокращенный ва­риант с F = 2454 + k (k = 0,...,22). Кодирование простое — логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Пере­датчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100. МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью эко­номии энергии. 

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на дру­гой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физичес­кий канал связи представляется определенной псевдослучайной последователь­ностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот).

 Группа уст­ройств, разделяющих один, канал (то есть знающих одну и ту же последова­тельность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств.

В каждой, пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего уст­ройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный).

Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную»» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройство работает в одной пикосети, часть в другой). Более того, мастер одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосе­ти никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последо­вательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последователь­но нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной час­тоте несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяется адресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-сло­тов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов  по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то есть несколько пе­рескоков пропускаются). Мастер и ведомые устройства ведут передачу пооче­редно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физичес­кие связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронно­го графика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройства­ми, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повтор­ных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое уст­ройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO от­носятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер мо­жет связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа.

Ведомое устройство имеет пра­во на передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибоч­но декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.