Аппаратные интерфейсы операционных систем

 

 

      Для США и Европы количество каналов  равно 79; исключение составляют Испания  и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов проводится по псевдослучайному закону (шаблону) с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлен, то система перейдет на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.  
 
 

      Модули Bluetooth работают тактами (слотами) длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приема. Таким образом, базовая частота может изменяться, принимая одно из 79 значений с интервалом 1 МГц, начиная от 2,402 ГГц и заканчивая 2,480 ГГц. Скорость перехода с одной частоты на другую может достигать 1600 Гц. 

        Номинальный диапазон дальности   связи - от 10 см до 10 м, однако  при дополнительном усилении  сигналов максимальное расстояние  увеличивается до 100 м. По имеющимся  данным, дальность связи от 0 до 30 м обеспечивается при выходной мощности передатчика 0 дБм (1 мВт). При увеличении мощности до 20 дБм дистанция увеличивается до 100 м.  

      Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). 

 
 
 

Сети Piconet и Scatternet  

      Различные Bluetooth-устройства соединяются друг c другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости. По способу соединения можно выделить сети Piconet и Scatternet (рис. 4) - это базовые понятия технологии Bluetooth.  

 
 

      Bluetooth-устройства  могут устанавливать как соединения  типа "точка-точка", если имеется  только два устройства, так и  "точка-много точек", когда одно  устройство одновременно работает  с несколькими другими.

        В последнем случае устройство, которое обслуживает несколько соединений, называется master (главное), а подключенные устройства - slave (управляемые).

        Кроме устройств,  которые активно  обмениваются данными  (но являются управляемыми), есть еще множество  неактивных управляемых  устройств, которые не могут обмениваться данными с управляющим, пока заняты все каналы, но тем не менее остаются синхронизированы с ним. Такая структура называется Piconet.  

      Иными словами, Piconet - это сеть, содержащая от двух до восьми устройств, которые  общаются между собой с соблюдением протоколов Bluetooth.

        По определению, все устройства Bluetooth равноправны, но тем не  менее при образовании Piconet одно  из них становится главным,  управляющим, а другие - подчиненными. Главное устройство синхронизирует  частоту и ее изменения для всех остальных устройств в Piconet. Для распознавания любого устройства в сети выделяется трехразрядный MAC-адрес. В случае необходимости любое управляемое устройство в Piconet может стать управляющим, поменявшись ролью со старым "лидером".  

      Несколько независимых и несинхронизируемых сетей Piconet, между которыми возможен обмен информацией, образуют распределенную сеть Scatternet.  

      В Scatternet может объединяться столько Bluetooth-устройств, сколько требуется, логические связи  могут образовываться так, как требуется, и изменяться как угодно. Единственное условие: различные сети Piconet, входящие в одну Scatternet, должны использовать разные каналы связи, т. е. работать на разных частотах и иметь разные каналы смены частот. 

  
 
 

Энергосбережение  

В сети Piconet предусмотрены режимы энергосбережения, которые задействуются в отсутствие передачи данных. Управляющее устройство может перевести любое управляемое  в режим Hold, когда будет функционировать  только внутренний таймер. Заметим, что и само управляемое устройство может запросить перевод в этот режим. Обмен данными начинается мгновенно, как только устройство выходит из этого режима.  

Защита  данных  

      Естественно, технология Bluetooth не могла обойтись без такой важной вещи, как защита передаваемых данных. В спецификации Bluetooth предусмотрена защита конфиденциальной информации, передаваемой между устройствами на физическом уровне. Аутентификация базируется на алгоритме запрос-ответ, а для кодирования информации могут использоваться секретные ключи длиной до 64 разрядов.  
 
 

      В основе системы безопасности Bluetooth, используемой в последнем случае, лежит понятие сеансового ключа, который образуется в процессе соединения двух устройств и используется для  идентификации и шифрования передаваемых данных. Для генерации ключа могут использоваться самые различные составляющие, от заранее известных обоим устройствам значений до физических адресов устройств. Комбинируя защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений, можно создавать достаточно надежно защищенные соединения. Тем не менее считается, что очевидной слабостью Bluetooth с точки зрения построения защищенных соединений остается возможность перехвата трафика.  

      Наибольший  интерес вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. 

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. Объединение существующих интерфейсов  при помощи Bluetooth

      

Рис.   RS-232- Bluetooth адаптер. Характеристики:

• дальность действия - до 10 м,
• скорость передачи - 300-115200 Кбит,
• напряжение питания - 9-30 Вольт.

 
 
 
 
 
 
 
 

        

      Рис. USB - Bluetooth адаптер 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Шина  I²C 

      Все операции на шине  I2C осуществляется при помощи двух проводов:

      - линия последовательных данных (SDA)

      - линия синхронизации (SCL)

      Две линии, данных (SDA) и синхронизации (SCL), служат для переноса

информации. Каждое устройство распознается по уникальному  адресу и может работать как передатчик или приёмник, в зависимости от назначения устройства. Кроме того, устройства могут быть классифицированы как ведущие и ведомые при передаче данных 

Основные  термины шины I2C

Transmitter (Передатчик) Устройство, посылающее  данные в шину.

Receiver (Приемник) Устройство, принимающее данные  с шины.

Master (Ведущий)  Начинает пересылку данных, вырабатывает  синхроимпульсы, заканчивает пересылку данных.

Slave (Ведомый)  Устройство, адресуемое ведущим  (может быть как приемником  так и передатчиком). 
 

 

Общие параметры.

      Как SDA, так и SCL являются двунаправленными линиями, подсоединенными к положительному источнику питания через подтягивающий резистор. Когда шина свободна, обе линии находятся в ВЫСОКОМ состоянии. Выходные каскады устройств, подключенных к шине, должны иметь открытый сток или открытый коллектор для обеспечения функции монтажного И. Данные по шине I2C могут передаваться со скоростю до 100 кбит/с в стандартном режиме, и до 400 кбит/с в "быстром" режиме.

      Количество  устройств, подключенных к шине, определяется единственным параметром - емкостью линии (до 400 пф). 

 

Валидность  данных.

      Данные  на линии SDA должны быть стабильными  в течение ВЫСОКОГО периода синхроимпульса. Состояние линии данных должно меняться, только если линия синхронизации  находится в низком состоянии.

Один  синхроимпульс генерируется на каждый пересылаемый бит. 
 

 

Сигналы START и STOP 

      Начало  и конец передачи данных определяется специальными условиями на шине I2C.

      Переход линии SDA из ВЫСОКОГО состояния в  НИЗКОЕ, в то время как SCL находится  в ВЫСОКОМ состоянии означает START условие.

      Переход линии SDA из НИЗКОГО состояния в  ВЫСОКОЕ при SCL в ВЫСОКОМ состоянии  означает STOP условие.

      Сигналы СТАРТ и СТОП всегда вырабатываются ведущим устройством. Считается, что  шина занята после сигнала СТАРТ. Шина считается освободившейся через  определенное время после сигнала  СТОП. 

 

Формат  передачи байта 

      Каждый байт, передаваемый по линии SDA, должен состоять из 8 бит. Количество байт, передаваемых за один сеанс связи, неограниченo. Каждый байт должен оканчиваться битом подтверждения. Данные передаются, начиная со старшего значащего бита.

      Если  приёмник не может принять еще один целый байт, пока он не выполнит какую-либо другую функцию (например, обслужит внутреннее прерывание), он может удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии, переводя передатчик в состояние ожидания. Пересылка данных продолжается, когда приёмник будет готов к следующему байту и отпустит линию SCL. 
 
 
 

 

Подтверждение.

      Подтверждение при передаче данных обязательно. Обычно, приёмник, который был адресован, обязан генерировать подтверждение  после каждого принятого байта.

      Если  ведомый-приёмник не может подтвердить  свой адрес (например, когда он выполняет  в данный момент какие-либо функции  реального времени), линия данных должна быть оставлена в ВЫСОКОМ  состоянии. (После этого ведущий  может выдать сигнал СТОП для прерывания пересылки данных.)

        Если ведомый-приёмник подтвердил  свой адрес, но через некоторое  время больше не может принимать  данные, ведущий также должен  прервать пересылку. Для этого  ведомый не подтверждает следующий  байт, оставляет линию данных в ВЫСОКОМ состоянии и ведущий генерирует сигнал СТОП.

      Если  в пересылке участвует ведущий-приёмник, то он должен сообщить об окончании  передачи ведомому-передатчику путем  не подтверждения последнего байта. Ведомый- передатчик должен освободить линию данных для того, чтобы позволить ведущему,  выдать сигнал СТОП или повторить сигнал СТАРТ. 

 

Форматы передачи  с 7-битным адресом.

Посылки данных происходят в формате, показанном на следующем рисунке.