Характеристика внутримашинного системного интерфейса 4 часть

Стандарт PCMCIA описывает форматы файлов и структуры данных, метод передачи платой информации о своей конфигурации и возможностях главному компьютеру, независимые от типа устройства средства доступа к аппаратным средствам платы и программные связи, независимые от операционных систем.

Архитектура PC Card.

Существует два стандарта PC Card: шина PC Card-16 (16 бит) и CardBus (32 бит). Шина PC Card-16 работает на частоте 10 МГц и выполняет передачу 16-разрядных данных максимальной пропускной способно­стью 20 Мбайт/с. Шина является мобильным эквивалентом устаревшей шины ISA.

Шина CardBus работает на частоте 33 МГц и передает 32-разрядные данные с максимальной пропу­скной способностью в 133 Мбайт/с (аналог шина PCI). В таблице 5.13 приведены различия меж­ду шинами PC Card-16 и CardBus.

Таблица 5.13 - Типы шин PC Card

Хотя в обеих шинах используются одинаковые 68-контактные разъемы, они обладают различными ключевыми контактами, что позволяет подключать адаптеры PC Card-16 к разъ­ему CardBus, но не наоборот. Всеми разъемами CardBus поддерживаются адаптеры PC Card-16 и CardBus. Практически все портативные компьютеры на базе процессоров Pentium оснащались разъемами PC Card-16. Портативные компьютеры, выпущенные после 1996 года, содержат разъемы CardBus.

Поскольку адаптеры CardBus основаны на шине PCI, они могут совместно использовать линии запроса прерываний (IRQ) с помощью технологии IRQ steering. Такая возможность недоступна для адаптеров PC Card-16. Механизм IRQ steering предоставляет операционной системе возможность перепрограммирования и совместного использования линий запроса прерываний во время повторной балансировки ресурсов Plug and Play. При использовании адаптеров PC Card-16, не поддерживающих совместное использование прерываний, операци­онная система может оказаться не в состоянии выделить достаточное количество свободных прерываний для всех установленных устройств. В итоге некоторые устройства окажутся от­ключенными в окне Диспетчер устройств (Device Manager).

Стандарт PCMCIA.

Стандарт PCMCIA предусматривает 16-разрядный интерфейс и одну линию запроса прерывания (IRQ). Система расширения PCMCIA объединяет все — от компьютера и унифицированного гнезда для плат PC Card до программных вызовов, обеспечивающих связь программных средств с системой расширения PCMCIA.

Устройство, поддерживающее стандарт PCMCIA, может иметь от одного до 255 адаптеров PCMCIA. Каждый адаптер обслуживает до 16 отдельных портов PCMCIA. Таким образом, стандар PCMCIA 2.0 предусматривает возможность объединения в одной системе до 4080 плат PC Card.

Регистры памяти и ввода-вывода каждой платы PC Card отображаются в адресном пространстве компьютера. Компьютер осуществляет доступ к ресурсам PCMCIA-карты через одно или несколько окон, представляющих собой блоки памяти или регистров с прямой адресацией. Вся память платы может быть собрана в одном окне больших размеров (если нужно ее просто расширить), или же к ней обращаются постранично (как к EMS-памяти) через одно или несколько окон. PCMCIA-карта сама устанавливает режим доступа на основании данных о конфигурации, хранящихся в ее собственной памяти.

Типы адаптеров PC Card.

В стандарте PC Card определено три физических типа адаптеров PC Card, которые отно­сятся как к PC Card-16, так и к CardBus. Эти типы адаптеров приведены в таблице 5.14.

Таблица 5.14 - Типы адаптеров PC Card

Все адаптеры PC Card имеют одинаковую длину/ширину и отличаются только толщиной. Все адаптеры физически совместимы, поэтому если в разъем можно установить адаптер Type III, значит, подойдут и адаптеры Type II или Type I. В разъем для адаптеров Type II можно установить адаптер Type I, но не Type III. Очень редко в портативных компьютерах устанавливает­ся разъем для адаптеров Type I, в который можно устанавливать лишь адаптеры Type I.

В большинстве компьютеров разъемы PC Card устанавливаются один над другим. В верх­ний разъем можно установить адаптер Type II или Type I, а в нижний — адаптеры всех типов. К сожалению, при установке адаптера Type III в нижний разъем, адаптер занимает место, вы­деленное под верхний разъем, что делает невозможной установку второго адаптера. Во мно­гих современных портативных компьютерах присутствует только один разъем PC Card, кото­рый поддерживает установку адаптеров всех типов. Некоторые многофункциональные сете­вые адаптеры/модемы Type II или Type I могут иметь утолщение в районе контактов, иногда препятствующие установке второго адаптера.

Для обеспечения логической связи между PCMCIA-картой и персональным компьютером разработан программный интерфейс под названием Socket Services. С помощью набора функциональных вызовов по прерыванию IRQ lAh программа может получить доступ к функциям PC Card. Интерфейс Socket Services делает доступ к плате аппаратно-независимым — примерно так же, как BIOS для PC. В действительности, интерфейс Socket Services разработан так, чтобы его можно было встраивать в BIOS компьютера типа IBM PC. Но интерфейс Socket Services иногда реализуется в виде драйвера устройства, так что возможности существующих компьютеров также можно дополнять функциональными возможностями PCMCIA.

Дополнительная информация представлена в пиложении М.

Беспроводные интерфейсы

5.12.1 Инфракрасный интерфейс IrDA

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на рассто­яние до нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (Infra Red) 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 док-станциями. 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) и 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. В 1993 году была 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.

Интерфейсы стандарта обеспечивают следующие скорости передачи:

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

– 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.

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 и 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 (Bit Error Ratio, BER) более 10 ^-9 при дальности до 1 м и дневном свете. Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится задействовать полудуплексную связь 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 варианты, возможные на физическом уровне IrDA.

1. 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, единичное — отсутствием импульсов. Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита.

2. 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.

3. IrDA HDLC — для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхронный режим передачи и кодирование, аналогичное протоколу SIR, но с длительно­стью импульса 1/4-битового интервала. Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.

4. IrDA FIR — 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 «1» означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодиро­вания позволил 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. Этот протокол инкапсулирует 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 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 устройства в зоне охвата.

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, позволяя 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, ко­торое определяет 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 тот же диапазон 880 нм, 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, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы асинхронных приемопередатчиков UART, совместимые с 16450/ 16550, через сравнительно несложные схемы ИК- 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 контроллеры IrDA, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычный приемопередатчик UART непригоден, поскольку он не поддерживает синхронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения или интегрируется в системную плату; как правило, такой кон­троллер поддерживает и режимы SIR.

Существуют внешние ИК-адаптеры с интерфейсом RS-232C (для подключения к СОМ-порту) и с интерфейсом USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR.

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

5.12.2 Последовательный инфракрасный порт SIR

Интерфейс SIR (Serial InfraRed port — последовательный инфракрасный порт) был разработан ассоциацией IrDA (Infrared Data Association). Первые версии этого стандарта были опубликованы в 1994 году.

Для передачи данных в этом интерфейсе используются ин­фракрасный излучатель (светодиод) и фотоприемник. Элек­тронная схема, обеспечивающая работу интерфейса, обыч­но устанавливается на материнской плате компьютера вместе с разъемом для подключения выносного порта (излучателя и приемника). Конечно, устройство, работающее с таким интерфейсом, также должно иметь инфракрасный прием­ник и передатчик.

По своим свойствам интерфейс SIR близок к интерфейсу стандарта RS-232C. Скорость передачи по инфракрасному каналу составляет до 115 Кбит/с (в последних специфи­кациях — до 4 Мбит/с). Обмен данными — асинхронный (без синхронизации), то есть последовательный. Для обна­ружения и устранения ошибок передачи используются ал­горитмы проверки контрольной суммы пакетов данных.

Существенным недостатком инфракрасного порта является ограниченный радиус действия (скорость передачи 4 Мбит/с достигается на расстоянии около 1 м). К тому же между приемником и передатчиком не должно быть посторонних предметов.

Несмотря на эти существенные недостатки, инфракрасные порты широко используются для связи различных устройств, особенно мобильных и портативных. Это вызвано тем, что для соединения двух устройств не требуется специальных разъемов и кабелей. Достаточно расположить рядом два устройства (например, переносной компьютер и принтер).

5.12.3 Радиоинтерфейс Bluetooth

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

Каждое устройство Bluetooth 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 Bluetooth используются ра­диоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота ка­налов F = 2402 + k (МГц), где k = 0,...,78. 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.

В рамках спецификации Bluetooth определены несколько протоколов.

Протокол обнаружения сервисов SDP (Service Dis­covery Protocol), позволяющий устройству использовать функциональность окружающего его оборудования. В дальнейшем, установив соединение, устройство сможет воспользоваться требуемыми сервисами (например, выводить документы на печать, подключиться к Сети и т. п.).

Протокол RFCOMM обеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-проводного RS-232). С его помощью традиционные кабельные соединения устройств могут быть легко заменены на радио­связь, без каких-либо модификаций ПО верхних уровней. Протокол позволяет устанавливать и множественные связи (одного устройства с несколькими), и радиосвязь заменит громоздкие и дорогие мультиплексоры и кабели. Через RFCOMM может работать и протокол РРР, над которым стоят протоколы стека TCP/IP, — это открывает дорогу во все приложения для Интернета. Через RFCOMM работают АТ-команды, управляющие телефонными соединениями и сервисами передачи факсов (эти же команды используются в модемах для коммутируемых линий).

Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообразный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней Bluetooth. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информа­ции о состоянии и собственно передачи данных. Физически аппаратура Bluetooth может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечивающая независимость HCI от способа подключения.