Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 1 IrDA (Infrared Data Association) 1. Opis ogólny standardu IrDA IrDA jest protokołem transmisji cyfrowych w podczerwieni, zawdzięczającym swoje powstanie procesom normalizacyjnym dotyczącym pilotów sterujących odbiornikami TV i magnetowidami. Dzisiaj Forum IrDA specyfikuje trzy standardy komunikacji za pośrednictwem wspomnianych fal podczerwonych: IrDA-Data, IrDA-Control oraz nowy - AIr (Advanced Infrared). Na razie IrDA zapewnia transmisję typu punkt-punkt na odległość do 1 m w zakresie falowym 850-900 nm. Osiągane przepływności dochodzą do 16 Mb/s, a kąt transmisji nie przekracza 30. Po obniżeniu szybkości transmisji do 75 kb/s można komunikować się na odległość ponad 5 m. W przyszłości protokół AIr zapewni przesyłanie danych w konfiguracji wielopunkt-wielopunkt. Teraz oferuje przepływność 4 Mb/s na odległości 4 m lub 250 kb/s po podwojeniu tego dystansu. Do stowarzyszenia IrDA należą: Acer, Ascom, Agilent Technologies, Apple Computer, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard, Intel, Linux-IrDA, Matsushita, Microsoft, Motorola, National Semiconductor, Nokia, Philips, Seiko Instruments, Sony, Toshiba, ZiLOG i wiele innych. Rys. 1. Podzespoły wykorzystywane przez interfejs IrDA 2. Stos protokołów Protokoły komunikacyjne są w IrDA podzielone na warstwy i spełniają wiele funkcji. Stos protokołów wynika z architektury pokazanej na rys. 2. Warstwy w stosie są zwyczajowo podzielone na dwie podgrupy: - protokoły implementowane obowiązkowo, - protokoły opcjonalne.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 2 Rys.2. Stos protokołów IrDA W skład pierwszej wchodzą: Warstwa fizyczna (Physical Layer), która specyfikuje charakterystyki optyczne, kodowanie danych oraz synchronizowanie ramek. IrLAP (Link Access Protocol), odpowiadająca za niezawodność połączenia. IrLMP (Link Management Protocol) - protokół multipleksowania usług i aplikacji. IAS (Intention Access Service), czyli dostęp do informacji. Zastosowanie protokołów opcjonalnych zależy od konkretnej aplikacji. Do grupy tej należą: TinyTP (Tiny Transport Protocol), zapewniający sterowanie strumieniem w kanale. Jest to bardzo ważna funkcja i z tej racji często rekomendowana dla wielu aplikacji. IrOBEX (Object Exchange Protocol), ułatwiający transfer plików oraz innych obiektów danych. IrCOMM, którego głównym zadaniem jest emulowanie portów szeregowego i równoległego, opartych na 4 typach usług: 3-Wire Raw, 3-Wire, 9-Wire i Centronics. IrLAN (Local Area Network), zapewniający dostęp urządzeniom, np. notebookom, do sieci lokalnej za pośrednictwem podczerwieni.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 3 3. Warstwa fizyczna - IrPHy Rys. 3. System z interfejsem IrDA Warstwa fizyczna zawiera optyczny układ nadawczo-odbiorczy. Dokonuje on konwersji (kodowania, ramkowania, itd.) sygnału elektrycznego na sygnał optyczny w obu kierunkach (rys. 4) Rys. 4. Blok konwertera
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 4 Do pierwszego bloku Encoder/Decoder jest podawany sygnał będący szeregowym strumieniem danych [1]. W bloku tym jest on kodowany i ramkowany (patrz tabela 2), po czym podawany jest on [2] na blok IR Transducer Module, który zamienia sygnały elektryczne na optyczne. Uwaga. Interfejs IrDA jest interfejsem szeregowym pracującym w trybie half-duplex. W zależności od częstotliwości pracy blok Encoder/Decoder koduje dane za pomocą różnych algorytmów. W tabeli 2 przyporządkowano algorytmy kodowania (modulowania) do odpowiednich prędkości transmisji oraz podano inne istotne parametry sygnałów optycznych. Tabela 2. Zestawienie prędkości transmisji i algorytmów kodowania. W modulacji RZI (Return-to-Zero-Inverted) 0 jest reprezentowane przez impuls świetlny, którego czas trwania dla częstotliwości do 115,2 kbit/s wynosi 3/16 czasu trwania danego bita. Dla prędkości 0,576 Mbit/s i 1,152 Mbit/s czas trwania impulsu świetlnego jest równy 1/4 czasu trwania nadawanego bita. Rys. 5. Przykład modulacji RZI Dla 4Mbit/s używane jest kodowanie 4PPM (Four Pulse Position Modulation), gdzie 0 jest reprezentowane przez impuls świetlny. Dla 16Mbit/s stosuje się kodowanie HHH(1,13).
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 5 Dla częstotliwości transmisji powyżej 0,576Mbit/s stosuje się ramkowanie danych oraz do przesyłanych danych wprowadza się sumę kontrolną CRC. Rys. 6. format ramki dla prędkości transmisji 0,576 Mbit/s i 1,152 Mbit/s gdzie: STA: Flaga początkowa, 01111110 binarnie, ADDR: 8-bitowy adres, DATA: 8-bitowe pole kontrolne plus do 2045 = (2048-3) bajtów pola danych, FCS: CCITT 16- bitowa CRC STO: Flaga końcowa, 01111110 binarnie. Warstwa fizyczna musi być przynajmniej częściowo zaimplementowana sprzętowo, a w niektórych przypadkach jest implementowana sprzętowo całkowicie. Rys. 7. Implementacja interfejsu UART w standardzie IrDA Rys. 8. Interfejs optyczny Na rys. 8 pokazano interfejs optyczny połączenie dwóch urządzeń (węzłów). Każdy z węzłów można zdefiniować następującymi parametrami optycznymi, wyróżnionymi na rys. 8.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 6 Rys. 8. Opis pojedynczego węzła w standardzie IrDA Węzły (nadajnik/odbiornik) mogą być dwojakiego rodzaju: standardowe połączenie optyczne od 0 do 1m, niskiej mocy połączenie optyczne krótsze od poprzedniego. Zatem można wyróżnić trzy typy połączeń optycznych, które przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Typy i parametry połączeń optycznych w standardzie IrDA Żeby odseparować resztę stosu od warstwy sprzętowej, stworzono pewnego rodzaju warstwę programową, nazywaną framer. Jej najważniejszym zadaniem jest przyjmowanie przybywających z warstwy sprzętowej ramek i prezentowanie ich w IrLAP. 4. Dostęp do łącza IrLAP Bezpośrednio nad warstwą framer znajduje się warstwa IrLAP, znana jako protokół dostępu do łącza. Jak już wspomniano, należy ona do obowiązkowych implementacji, a w modelu OSI odpowiada warstwie drugiej. Opiera się na SDLC (Synchronous Data Link Control) i HDLC (High Level Data Link Control) z rozszerzeniami dla niektórych charakterystyk komunikacji w podczerwieni. W swoich założeniach IrLAP ma zapewnić niezawodny transfer danych przy użyciu mechanizmów, takich jak: retransmisja, sterowanie strumieniem i detekcja błędów. Sterowanie strumieniem w IrLAP jest niskopoziomowe (low-level), w TinyTP natomiast wysokopoziomowe (high-level); praktycznie we wszystkich sytuacjach te dwie metody powinny być stosowane zamiennie (alternatywnie). Jak już wspomniano, o niezawodność transferu danych dba warstwa niska. Kiedy strumień światła podczerwonego zostanie przerwany w chwili ustawienia jakiejś przeszkody, np. książki, IrLAP może powiadomić o zaistniałym problemie wyższe warstwy, które zajmą się jego rozwiązaniem. W konsekwencji użytkownik zostanie powiadomiony o kłopotach w taki sposób, aby mógł przedsięwziąć odpowiednie środki - w tym przypadku przesunąć lub zabrać książkę. Wszystko to odbywa się bez przerwania połączenia i utraty transmitowanych danych. Właściwości związane z z warstwą IrLAP: Łącze punkt-punkt. Wszystkie połączenia należą do typu "jeden do jednego", np. komputer osobisty z drukarką. Typowa odległość wynosi 1 m, chociaż dostępne są już wersje zapewniające 10 m i więcej. Nie jest to protokół typowo stosowany w sieciach lokalnych, gdzie wielu nadawców transmituje do kilku odbiorców.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 7 Półdupleks. W określonym czasie światło podczerwone, a więc i dane, transmituje się w jednym kierunku. Jednak w sytuacjach, w których czas transmisji nie jest czynnikiem kluczowym, może się zdarzyć "symulowanie" transmisji dupleksowej. Kąt transmisji jest dosyć wąski - 15 w stosunku do osi symetrii. W ten sposób minimalizuje się interferencje z innymi urządzeniami. Interferencje. IrLAP musi uporać się z zakłóceniami, których źródłem mogą być jarzeniówki, promienie słoneczne, a także inne urządzenia transmitujące na falach podczerwonych. Brak detekcji kolizji. Twórcy technologii nie uwzględnili wykrywania kolizji. W takiej sytuacji oprogramowanie musi radzić sobie z przypadkami, w których błędy, spowodowane kolizją, powodują utratę danych. Rys. 9. Zadania warstwy IrLAP Połączenie LAP łączy trochę przestarzała relacja master-slave z różnym poziomem odpowiedzialności. Urządzeniami nadrzędnymi (master) mogą być komputery osobiste lub PDA, podrzędnymi (slave) urządzenia peryferyjne. Jednak w połączeniu, gdy jedno urządzenie jest nadrzędne, a drugie podrzędne, to drugie może mieć stos protokołów dla urządzenia zarówno podrzędnego, jak i nadrzędnego - wiele urządzeń nadrzędnych może pełnić funkcje urządzenia podrzędnego. Każde urządzenie IrDA dysponuje tablicą usług i protokołów dostępnych w danej chwili. Norma przewiduje dwa podstawowe stany funkcjonowania IrLAP: NDM (Normal Disconnect Mode) i NRM (Normal Response Mode). NDM NDM jest domyślnym stanem rozłączonego urządzenia. Urządzenia w tym stanie badają zajętość medium przed transmisją. Jeśli nie została wykryta żadna aktywność innego urządzenia przez okres dłuższy niż 500 ms, to wtedy medium jest postrzegane jako zdolne do ustanowienia połączenia. Ważnym aspektem NDM są jego reguły komunikacji. Klasyczny problem do rozwiązania polega na takim skonfigurowaniu połączenia, żeby obydwie strony miały takie same parametry komunikacyjne. Może on się okazać szczególnie trudny, kiedy urządzeniu brakuje interfejsu użytkownika, niezbędnego przy ustawianiu lub przeglądaniu parametrów komunikacyjnych. Wspomniane kłopoty nie występują w systemach IrDA, gdzie cała NDM używa konkretnych parametrów łącza. Podczas procesów łączenia dwie strony wymieniają informacje i szukają parametrów najlepszych dla każdej z nich.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 8 NRM NRM jest trybem funkcjonowania połączonych urządzeń. Kiedy obydwie strony prowadzą dialog, opierając się na wynegocjowanych w trakcie stanu NDM parametrów komunikacyjnych, wyższe warstwy stosu używają normalnych ramek poleceń i odpowiedzi do wymieniania informacji. Urządzenia nie potrzebują wszystkich usług zdefiniowanych w specyfikacji IrLAP. Dlatego określono pewne minimalne wymagania. Do najważniejszych należą: detekcja urządzenia, negocjowanie najlepszych parametrów komunikacyjnych dla obydwu stron i dokonanie połączenia, wysyłanie danych i wreszcie rozłączanie - zamykanie sesji i powrót do stanu NDM, oznaczającego gotowość do nowego połączenia. Wszystkie dane przesyłane przez IrLAP są zorganizowane w postaci ramek. Format ten pozwala na kontrolę przesyłania danych pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Pozwala odbiornikowi na określenie: gdzie ramka zaczyna się i kończy, gdzie jest jej przeznaczenie, co ma być zrobione z odebraną daną, potwierdzenie odbioru danych nadajnikowi, detekcję zaistniałych błędów transmisji w odebranej ramce. Każda ramka posiada następujący format: adres (A) pole identyfikujące adres dla drugiej stacji (odbiornika/nadajnika w innnej warstwie), kontrola (C) pole, które określa funkcję danej ramki, opcjonalna informacja (I) pole zawierające dane. Każde z tych pół zawiera 8 bitów lub wielokrotność 8-bitów. Wszystkie pola A, C i I są określane mianem payload data. Rys. 10. Ramka dla warstwy IrLAP Rys. 11. Pole adresu C/R identyfikator kierunku danych: 1 ramka komendy (od podstawowej stacji), 0 ramka odpowiedzi (wysyłana przez podrzędną stację).
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 9 5. Zarządzanie łączem IrLMP Warstwa IrLMP, na której spoczywa odpowiedzialność za nadzorowanie łącza, zapewnia następujące funkcje: Multipleksowanie (LM-MUX): LMP umożliwia funkcjonowanie w jednym łączu IrLAP wielu klientów IrLMP. Detekcję, którą cechuje rozwiązywanie konfliktów adresów. Stosuje się ją wtedy, gdy np. dwa urządzenia mają ten sam adres IrLAP. LMP arbitralnie nakazuje zmianę adresów i wygenerowanie nowych. Dostęp do informacji LM-IAS Rys. 12. Architektura warstwy IrLMP Wszystkie usługi lub aplikacje muszą mieć kontakt z IAS (Information Access Service). IAS może być zapytany o dodatkowe informacje na temat usługi. Na pełną implementację IAS składają się komponenty klienta i serwera. Klient jest składnikiem generującym zapytania o usługi w innym urządzeniu. Używa do tego celu IAP (Information Access Protocol), który jest stosowany tylko z IAS. Natomiast serwer jest składnikiem, który potrafi odpowiadać na zapytania klienta IAS. Urządzenia, które nie inicjują połączeń LMP, mogą zawierać jedynie serwer IAS. Baza informacji IAS (IAS Information Base) jest zbiorem obiektów, które są dostępne dla danego połączenia. Jest używana przez serwer IAS do udzielania odpowiedzi na pojawiające się zapytania IAS. Baza obiektów składa się z nazwy kategorii i jednego lub więcej atrybutów. Posługując się analogiami z telekomunikacji, nazwa kategorii odpowiada nazwie firmy w książce telefonicznej. Klienci będą zasięgali informacji o usłudze używając tej nazwy. Atrybuty stanowią informację analogiczną do numeru telefonu, adresu i pozostałych danych biznesowych. Głównym atrybutem jest LSAP-SEL, który jest wymagany do utworzenia połączenia LMP z usługą. Warstwa ta kontroluje zawartością pola DeviceInfo w ramce przesyłanej przez IrLAP (pole information w ramce IrLAP). Postać pola DeviceInfo pokazano na rys. 13.
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 10 Rys. 13. Format pola DeviceInfo Dwa pierwsze bajty pola DeviceInfo stanowią informację o typie urządzenia pole Service Hints. W poniższej tabeli pokazano znaczenie poszczególnych bitów pola Service Hints. 0 na danej pozycji oznacza brak danego urządzenia. Pole Device Nickname składa się z dwóch elementów (rys. 14): Rys. 14. Format pola Device Nickname Wszystkie ramki protokołu LMP (LM-PDU) są wysyłane jako dane dla protokołu IrLAP (w polu Information na rys. 10). LMP wysyła ramkę składającą się najpierw z nagłówka składającego się z dwóch bajtów, po którym następują dane (rys. 15). Rys. 15. Nagłówek ramki LM-PDU Bit C jest bitem kontrolnym. Gdy C=1 to ramka jest komendą, gdy C=0 to ramka zawiera dane. Bit r jest zarezerwowany i musi być równy 0. Rys. 16. Ramka LM-PDU z danymi Rys. 17. Ramka comend LM-PDU kontrolujących połączenie
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 11 6. Tiny Transport Protocol - Tiny TP Była już mowa o tym, że warstwa fizyczna określa wymagania sprzętowe i niskopoziomowe ramkowanie danych. Wiadomo też, że IrLAP zapewnia niezawodną, sekwencyjną transmisję danych, a IrLMP daje multipleksowanie LAP oraz wspomniane usługi IAS. TinyTP jest wprawdzie opcjonalną warstwą IrDA, ale jest tak ważny, że właściwie powinien być postrzegany jako obowiązkowy. TinyTP spełnia dwie funkcje. Po pierwsze steruje strumieniem w kanale w połączeniu LMP, po drugie dokonuje segmentowania i powtórnego składania danych - SAR (Segmentation and Reasembly). Do każdego pakietu IrLMP TinyTP dodaje jeden bajt informacji. Najważniejszą funkcją TinyTP jest sterowanie strumieniem w kanale. Właściwie IrLAP steruje strumieniem i równocześnie bada, czy jest potrzebny inny mechanizm sterowania. Główna korzyść ze stosowania TinyTP polega na tym, że w trakcie połączenia LMP jedna strona może przerwać nadawanie informacji bez negatywnego wpływu na drugą. Jest to nieosiągalne przy zastosowaniu "zwykłego" sterowania strumieniem LAP, gdy przerwa w transmisji odbija się niekorzystnie na pracy drugiej strony. Drugą funkcją TinyTP jest SAR, czyli segmentacja i powtórne składanie danych. Zasadniczą ideą przyświecającą jej tworzeniu była chęć umożliwienia TinyTP dzielenia danych o dużej objętości na mniejsze części i składania ich po drugiej stronie (w urządzeniu odbierającym). Taki fragment podzielonej całości został nazwany SDU (Service Data Unit). Jego maksymalny rozmiar jest negocjowany w chwili inicjowania pierwszego połączenia TinyTP/LMP. 7. Protokól IrCOMM IrCOMM zapewnia emulowanie portów szeregowych standardu RS-232 i równoległych typu Centronics. Rys. 18. Umiejscowienie warstwy IrCOMM w typowym systemie
Wykład Mikrosystemy Elektroniczne 12 Rys. 19. Model przedstawiający emulację portów przez IrCOMM Warstwa IrCOMM dostarcza cztery typy usług: 3-żyłowy surowy (3-Wire row), 3-żyłowy z kontrolą przepływu (3-Wire), 9-żyłowy (9-Wire), Centronics. Połączenie 3-Wire row jest najprostsze. Gdy jest aktywne, wszystkie inne połączenia muszą być zamknięte. Kontrolą przepływu zajmuje się protokół IrLAP. Wszystkie pakiety IrCOMM są bezpośrednio przesyłane w ramkach IrLMP. 3-Wire korzysta z protokoły Tiny TP. Dostarcza kontroli przepływu danych. Centronics emuluje port równoległy komputera PC. Korzysta z protokołu Tiny TP. Używa identycznych mechanizmów kontroli co 3-Wire. 8. Pozostałe protokoły opcjonalne IrOBEX został stworzony po to, by umożliwić systemom wszystkich typów i rozmiarów wymianę danych i poleceń. IrLAN, który nie został jeszcze w pełni znormalizowany, służy jako wygodne połączenie między komputerem osobistym a siecią lokalną. IrLAN oferuje m.in. dostęp do sieci lokalnej za pośrednictwem urządzenia Access Point Device, zwanego czasem IR LAN Adapter.