Реферат: Беспроводные интерфейсы периферийных устройств
10<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>Лекция13. Беспроводные интерфейсы периферийныхустройств
1. Инфракрасный интерфейс IrDA
2. РадиоинтерфейсBluetooth
1.Инфракрасный интерфейс IrDA
Беспроводные (wireless)интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсныхкабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, по размеруи весу соизмеримой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используютсяэлектромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов периферийных устройств существуюти беспроводные способы подключения к локальным сетям.
Применение излучателей иприемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводнуюсвязь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров.Инфракрасная связь —IR (InfraRed) Connection — безопасна для здоровья, несоздает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальностьпередачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничиваетсянебольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технологияпривлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерамиили ПУ. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров,им оснащают многие современныемалогабаритные устройства: карманные компьютеры(PDA),мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т. п.
Различают инфракрасныесистемы:
- низкой (до 115,2 Кбит/с)
- средней (1,152 Мбит/с)
- высокой (4 Мбит/с) скорости.
Низкоскоростные системыслужат для обмена короткими сообщениями.
Высокоскоростные — дляобмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода напринтер, проекционный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена,которые позволят передавать «живое видео».
В 1993, году создана ассоциация разработчиковсистем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечитьсовместимость оборудования от различных производителей. В настоящее времядействует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системыфирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard SlowInfra Red)и Sharp-ASKIR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обеспечивают следующие скоростипередачи:
· IrDA SIR (Serial Infra Red),HP-SIR — 9,6-115,2 Кбит/с;
· в IrDA HDLC, известный и какIrDA 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-связиявляется светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм.Светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качествеприемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°.Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика ичувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, таки максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не«увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемыеимпульсы сольются в неразличимый сигнал.
Кроме полезного сигнала наприемник воздействуют помехи: засветка солнечным освещением или лампаминакаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи отлюминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Этипомехи приходится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовыхошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 109 при дальности до 1 ми дневном свете (освещенность — до 10 клюкс).
Поскольку передатчик почти неизбежно вызываетзасветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать кполудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене направленияобмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нетсвета) и различные схемы кодирования.
Спецификация IrDA определяетмногоуровневую систему протоколов, которую рассмотрим снизу вверх.
Ниже перечислены возможныеварианты IrDA на физическом уровне.
· IrDA SIR— для скоростей 2,4-115,2Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как в СОМ-портах):старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение битакодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс наскорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-A). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждаяпосылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 предусмотрен ииной режим — IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс длявсех этих скоростей.
· ASK IR—для скоростей 9,6-57,6 Кбит/с также используется асинхронный режим, нокодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой импульсов с частотой 500кГц, единичный — отсутствием импульсов.
· IrDAHDLC — для скоростей 0,576 и1,152 Мбит/с используется синхронный режим передачи и кодирование, аналогичное SIR, нос длительностью импульса 1/4 битового-интервала. Формат кадра соответствуетпротоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадраэта битовая последовательность исключается с помощью вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.
· IrDA FIR(IrDA4PPM) — дляскорости 4 Мбит/с также применяется синхронный режим, но кодирование несколькосложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульснымкодом: 00 — 1000, 01 — 0100, 10 — 0010, 11 — 0001 (в четверках символов единицаозначает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала).Такой способ кодирования позволяет вдвое снизить частоту включения светодиодапо сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов,облегчает адаптацию к уровню внешней засветки. Для повышения достоверностиприменяется 32-битный CRC-код.
Над физическим уровнемрасположен протокол доступаIrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протоколаHDLC,отражающая нужды ИК-связи. Он преобразует данные в кадры и предотвращаетконфликты устройств; при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга,одно из них назначается первичным, а остальные — вторичными. Связь всегдаполудуплексная. IrLAP описываетпроцедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соединениеустанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обменапо максиму из доступных обоим (9,6, 19,2, 38,4, 57,6 или 115,2 Кбит/с) иустанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним ведущимустройством).
Над IrLAP располагается протокол управления соединениемIrLMP(IrDA Infrared Link Management Protocol).С его помощью устройство сообщает остальным о своемприсутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточноподнести новое устройство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы,предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в ролимультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения спомощью 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 обслуживаютсявиртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянныепакеты, ошибки данных и т. п.), производится упаковка данных в пакеты и сборкаисходных данных из пакетов (протокол напоминает TCP). На транспортном уровнеможет работать и протокол IrTP.
ПротоколIrCOMM 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 параллельногоинтерфейса).
ПротоколIrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям; он позволяет передавать кадрысетей EthernetиToken Ring.Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство-провайдер синтерфейсом IrDA, подключенное обычным(проводным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержкав клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).
Протокол объектного обменаIrOBEX(Object Exchange Protocol) — простой протокол, определяющий команды PUT и GET дляобмена «полезными» двоичными данными между устройствами. Этот протоколрасполагается над протоколом TinyТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильныхкоммуникаций, 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 неисчерпывается 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 частотыи методы физического кодирования.
Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеруразличными способами; по отношению к системному блоку он может быть как внутренним(размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольномместе. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зрения» (30° упередатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).
Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR,ASK IR)подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В рядесовременных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2, Для этого в дополнение к UART чипсетсодержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколькопротоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракраснойсвязи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствующий режим (запретинфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (дляшин ISA, PCI, PCCard), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.
На средних и высокихскоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивныйпрограммный обмен (PIO)или DMA, с возможностью прямогоуправления шиной. Здесь обычная микросхемаUARTнепригодна, поскольку она не поддерживает синхронный режим и высокую скорость.Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системнуюплату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.
Приемопередатчикподключается к разъему IR-Connector системной платы, напрямую(если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточныйразъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке на задней стенкекорпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем коннекторе нет, идля большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжаюткабелем с отдельными контактами разъема.
Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232Cдля подключения к СОМ-порту или же с шинойUSB. Пропускнойспособности USB достаточно даже дляFIR, СОМ-портпригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост,как казалось бы: для работы модулятора-демодулятора требуется сигналсинхронизации с частотой, 16-кратной частоте передачи данных (этот сигналпоступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходеСОМ-порта нет и его приходится восстанавливать из асинхронного битовогопотока. Адаптер ASK IR в этом плане проще — передатчик должен передаватьвысокочастотные импульсы все время, пока на выходе TXD находится сигнал высокогоуровня; приемник должен формировать огибающую принятых импульсов.
Для прикладногоиспользования IrDA кроме физическогоподключения адаптера и трансивера требуется установка и настройкасоответствующих драйверов.
В ОСWindows 9x/ME/2000контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет
— устанавливать соединение слокальной сетью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов);
— передавать файлы междупарой компьютеров;
— выводить данные на печать;
— синхронизировать данные PDA,мобильного телефона и настольного компьютера;
- выгружать отснятые изображения изфотокамеры в компьютер и выполнять ряд других полезных действий, не заботясь нио каком кабельном хозяйстве.
2.РадиоинтерфейсBluetooth
Bluetooth(синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средствапередачи информации на небольшие расстояния посредством радиосвязи междумобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любымидругими портативными устройствами.
Разработкой спецификации занимается труппалидирующих 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 Bluetoothсвободно доступна в Сети (www.blueto6th.com), правда, весьма объемиста (около15 Мбайт PDF-фай-лов). Открытость спецификации должна способствовать еебыстрому распространению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволимсебе сократить название технологии до «ВТ» (это неофициальное сокращение). Самоназвание берет начало от прозвища датского короля, объединившего Данию и Норвегию,— это намек на всеобщую объединяющую роль технологии.
Каждое устройство ВТ имеетрадиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этотдиапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинскойаппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместнуюприменимость 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 соответствуетположительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут бытьтрех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100. МВт, причемдолжна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.
Передача ведется сперескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает вборьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связипредставляется определенной псевдослучайной последовательностью используемыхрадиоканалов (79 или 23 возможных частот).
Группа устройств, разделяющих один, канал (тоесть знающих одну и ту же последовательность перескоков), образует такназываемую пикосеть (piconet), в которую может входить от2 до 8 устройств.
В каждой, пикосети имеетсяодно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охватаведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные»ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков исинхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться даннымидо тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомоеустройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройстводеактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующейактивации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный).
Пикосети могут перекрыватьсязонами охвата, образуя «разбросанную»» сеть(scatternet). Приэтом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входитьв несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройствоработает в одной пикосети, часть в другой). Более того, мастер одной пикосетиможет быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак несинхронизированы, каждая из них использует свой канал (последовательностьперескоков).
Канал делится на тайм-слотыдлительностью 625 мкс, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 227.Каждый тайм-слот соответствует одной частоте несущей в последовательностиперескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяетсяадресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакетможет занимать от 1 до 5 тайм-слотов. Если пакет длинный, то он весьпередается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинногопакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то естьнесколько перескоков пропускаются). Мастер и ведомые устройства ведут передачупоочередно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованноеим ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).
Между мастером и ведомымиустройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные иасинхронные.
Синхронные связи (они же изохронные) сустановлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачиизохронного графика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа«точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомымиустройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через которыйдля нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторныхпередач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трехсвязей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство можетиметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO сдвумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO относятсяк коммутациицепей.
Асинхронные связи без установления соединения,ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутациюпакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всемиведомыми устройствами пикосети. Мастер может связываться с любым из ведомыхустройств пикосети в слотах, не занятых подSCO, послав емупакет и потребовав ответа.
Ведомое устройство имеет правона передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибочнодекодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматриваетсяповторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посылать ибезадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети.С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.