21.

Интерфейс Bluetooth: справочник пользователя

Сергей Асмаков

Что такое Bluetooth?

Для чего нужен Bluetooth?

Сколько устройств можно подключить при помощи Bluetooth?

Как осуществляется передача данных?

Что такое классы Bluetooth?

Чем различаются версии Bluetooth?

Что такое профили Bluetooth?

 

В настоящее время интерфейс Bluetooth широко применяется в ПК, мобильных телефонах и множестве других цифровых устройств. Естественно, что время от времени пользователи сталкиваются с различными проб­лемами. В большинстве случаев разобраться в причинах неполадок не так уж сложно — для этого достаточно знать основные принципы работы данного интерфейса. В настоящей статье, построенной в форме ответов на часто задаваемые вопросы, мы приведем наиболее важную информацию, касающуюся интерфейса Bluetooth.

Что такое Bluetooth?

Bluetooth — это беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, созданный в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. В 1998-м компании Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba основали организацию Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая и по сей день занимается разработкой и продвижением данной технологии. Впоследствии членами Bluetooth SIG стали многие компании: в минувшем году их количество превысило 13 тыс.

Основными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет применять его даже в малогабаритных устройствах с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования не должны выплачивать лицензионные отчисления за использование интерфейса Bluetooth в своих изделиях. Разумеется, этот фактор также способствовал широкому распространению данного интерфейса.

Для чего нужен Bluetooth?

Основным назначением Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

 

Варианты топологии пикосетей

Сколько устройств можно подключить при помощи Bluetooth?

Посредством Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка­точка», во втором — по схеме «точка­многоточка». Независимо от применяемой схемы одно из устройств является ведущим (master), остальные — ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств. Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (см. вторую схему). При этом пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

 

Топология распределенной сети, объединяющей несколько пикосетей

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Как осуществляется передача данных?

Передача данных ведется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц с использованием метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS). Этот диапазон разбит на 79 каналов, каждый из которых занимает полосу шириной в 1 МГц. В верхней и нижней частях диапазона предусмотрены неиспользуемые (защитные) полосы. Для передачи данных применяется гауссова фазовая модуляция, которая предусматривает изменение несущей частоты во времени в соответствии с гауссовой кривой, что позволяет ограничить спектр излучаемого сигнала.

Обмен данными осуществляется внутри временных интервалов (тайм-слотов) длиной 625 мкс. После передачи каждого слота производится переход на другой частотный канал. На канальном уровне обмен данными осуществляется пакетами, каждый из которых может иметь длину от одного до пяти слотов. Часть слотов может быть зарезервирована для синхронных каналов (которые задействуются для передачи потоковых данных). Таким образом, параллельно с синхронными данными могут передаваться и асинхронные.

Спецификация Bluetooth предусматривает два вида связи: синхронную с установлением соединения (Synchronous Connection-Oriented, SCO) и асинхронную без установления соединения (Asynchronous Connection-Less, ACL). Первый вариант используется для организации канала «точка­точка» между ведущим и ведомыми устройствами. Второй служит для связи по схеме «точка­многоточка» между ведущим и всеми ведомыми устройствами данной пикосети.

Что такое классы Bluetooth?

В зависимости от мощности и эффективного радиуса действия приемопередатчики Bluetooth подразделяются на три класса (см. таблицу). Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройствах и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Чем различаются версии Bluetooth?

Если кратко, то набором поддерживаемых технологий передачи данных, протоколов и профилей, а также максимальной скоростью соединения. По мере развития технологий и расширения функциональности мобильных устройств возникает необходимость во внесении соответствующих изменений и дополнений в спецификацию Bluetooth. Это позволяет реализовать новые функциональные возможности, а также повысить пропускную способность интерфейса.

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. В ходе эксплуатации первых устройств было выявлено немало недостатков, в том числе проблемы перекрестной совместимости продуктов разных производителей.

Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 — в ней были исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая специ­фикация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с — в другую.

Кроме того, был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет использования механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. В ней была добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства для дополнительной фильтрации списка при сопряжении. Еще одно новшество — энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволила значительно (от 3 до 10 раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами и реализована поддержка NFC-соединений.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed — высокая скорость. Ее главное новшество — реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY (AMP), обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного с невысоким энергопотреблением и высокоскоростного, совмес-тимого со стандартом 802.11. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в тех случаях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

В июне 2010 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 4.0. Ключевая особенность этой версии — использование технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Применение данной технологии обеспечивает до нескольких лет автономной работы устройств, получающих питание от малогабаритной литиевой батарейки.

Необходимо отметить, что спецификация Bluetooth 4.0 ориентирована главным образом на миниатюрные цифровые устройства и различные электронные датчики (температуры, давления, влажности и т.д.), применяемые в медицинских и промышленных системах удаленного мониторинга.

Что такое профили Bluetooth?

Любое устройство, оборудованное интерфейсом Bluetooth, поддерживает заданный его производителем набор профилей. Каждый профиль обеспечивает поддержку определенных функций (например, передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д.), которые могут быть задействованы при подключении двух или более устройств посредством Bluetooth. Таким образом, набор профилей определяет функциональные возможности устройства, доступные через Bluetooth-соединение.

Чтобы задействовать Bluetooth-соединение для выполнения определенной задачи, требуется наличие поддержки соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению список контактов с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и применяемый компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile). Если же Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, но выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается, то вероятной причиной возникновения этой проблемы может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

 

Иерархия профилей Bluetooth

Существует большое количество разно­образных профилей Bluetooth, которые описывают разные варианты и способы использования подключенных устройств.

Каждый профиль Bluetooth обязательно содержит следующую информацию:

• зависимость от других профилей;

• предлагаемый формат пользовательского интерфейса;

• части стека протоколов Bluetooth, применяемые данным профилем.

Всё многообразие профилей можно разделить на две группы: базовые и прикладные. Далее приведена краткая информация о трех базовых профилях:

• GAP (Generic Access Profile) — общий профиль доступа Bluetooth. Поддерживается всеми без исключения Bluetooth-устройствами и служит базисом для функционирования всех остальных профилей;

• SPP (Serial Port Profile) — профиль эмуляции последовательного порта. Базируется на профиле GAP и описывает механизм обмена данными между двумя устройствами, аналогичный тому, который задействуется при подключении через последовательный проводной интерфейс (RS-232, USB и пр.);

• GOEP (Generic Object Exchange Profile) — общий профиль обмена объектами, базирующийся на GAP и SPP. Описывает механизм обмена данными между двумя устройствами с использованием протокола передачи OBEX (OBject EXchange) и требования к передаваемым объектам.

В настоящее время существует большое количество прикладных профилей, обеспечивающих работу самых разных функций. Далее мы рассмотрим лишь те из них, которые получили наибольшее распространение в ПК, периферийных устройствах и современных гаджетах:

• A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) — обеспечивает передачу двухканального (стереофонического) аудиопотока от источника сигнала (ПК, плеера, мобильного телефона) к беспроводной стереогарнитуре или иному воспроизводящему устройству. Для сжатия передаваемого потока может использоваться стандартный кодек SBC (Sub Band Codec) либо другой, определенный производителем устройства;

• AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) — позволяет управлять стандартными функциями телевизоров, систем домашнего киноте-атра и т.д. Устройство с поддержкой профиля AVRCP способно выполнять функции беспроводного пульта ДУ. Может применяться в связке с профилями A2DP или VDPT;

• BIP (Basic Imaging Profile) — обеспечивает возможность передачи, приема и просмотра изображений. Например, позволяет передавать цифровые фотографии с цифровой камеры в память мобильного телефона. Преду-смотрена возможность изменения размеров и форматов передаваемых изображений с учетом специфики подключенных устройств;

• BPP (Basic Printing Profile) — базовый профиль печати, обеспечивающий передачу различных объектов (текстовых сообщений, визитных карточек, изображений и т.п.) для вывода на печатающем устройстве. Например, можно распечатать на принтере текстовое сообщение с мобильного телефона или фотографию с цифрового фотоаппарата. Важной особенностью профиля BPP является то, что на устройстве, с которого производится отправка объекта на печать, не требуется устанавливать специфический драйвер для применяемой модели принтера;

• DUN (Dial-up Networking Profile) — этот базирующийся на SPP профиль обеспечивает подключение ПК или иного устройства к Интернету посредством мобильного телефона, выполняющего в данном случае функцию внешнего модема;

• FAX (Fax Profile) — позволяет использовать внешнее устройство (мобильный телефон или МФУ с факсимильным модулем) для приема и отправки факсимильных сообщений с ПК;

• FTP (File Transfer Profile) — базируется на GOEP и обеспечивает передачу файлов, а также доступ к файловой системе подключенного устройства. Стандартный набор команд позволяет осуществлять навигацию по иерархической структуре диска подключенного устройства, а также копировать и удалять файлы;

• GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile) — обеспечивает передачу звукового и видеопотока от источника сигнала к воспроизводящему устройству. Является базовым для профилей A2DP и VDP;

• HCRP (Hard Copy Cable Replacement Profile) — задействуется в качестве альтернативы кабельному соединению между ПК (или иным устройством) и принтером. В отличие от профиля BPP, требуется установка специфического драйвера для используемой модели принтера;

• HFP (Hands-Free Profile) — обеспечивает подключение автомобильных устройств hands-free к мобильному телефону для голосовой связи;

• HID (Human Interface Device Profile) — описывает протоколы и способы подключения беспроводных устройств ввода (мышей, клавиатур, джойстиков, пультов ДУ и пр.) к ПК. Профиль HID поддерживается в ряде моделей мобильных телефонов и КПК, что позволяет применять их в качестве беспроводных пультов для управления графическим интерфейсом ОС или отдельными приложениями на ПК;

• HSP (Headset Profile) — позволяет подключить беспроводную гарнитуру к мобильному телефону или иному устройству. Помимо передачи звукового потока обеспечивается работа таких функций, как набор номера, ответ на входящий звонок, завершение вызова и регулировка громкости;

• OPP (Object Push Profile) — базовый профиль для пересылки объектов (изображений, визитных карточек и т.д.). Например, можно передать список контактов с одного мобильного телефона на другой или фотографию со смартфона на ПК. В отличие от FTP, профиль OPP не обеспечивает доступ к файловой системе подключенного устройства;

• PAN (Personal Area Networking Profile) — позволяет объединить два или насколько устройств в локальную сеть. Таким способом можно подключить несколько ПК к одному, имеющему доступ в Интернет. Кроме того, данный профиль обеспечивает удаленный доступ к ПК, выполняющему функции ведущего устройства;

• SYNC (Synchronization Profile) — используется в связке с базовым профилем GOEP и осуществляет синхронизацию персональных данных (ежедневника, списка контактов и пр.) между двумя устройствами (например, настольным ПК и мобильным телефоном);

• VDP (Video Distribution Profile) — передает видеопоток с одного устройства на другое.

Технология Bluetooth предоставляет возможность  удобного и недорогого беспроводного соединения малого радиуса действия.  Использование штатного интерфейса, уже имеющегося в компьютере или мобильном телефоне, во многих случаях оказывается очень удобным.

Сегодня предлагаются недорогие встраиваемые радиомодули, которые реализуют стандартные профили Bluetooth-соединения. Например,  в беспроводных гарнитурах используется профиль HeadSet, для обмена файлами между устройствами разработан  профиль FTP, в мобильных телефонах применяется профиль Dial-up Networking Profile.  В системах сбора данных и управления чаще всего используется профиль последовательного порта SPP.

Оcновные характеристики технологии

Протокол Bluetooth® поддерживает  топологии точка-точка  и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). При этом одно из устройств работает как основное (Master), а остальные - как подчиненные (Slave).

Приемопередатчики Bluetooth работают на частоте 2.45 ГГц  и используют  метод расширением спектра FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - скачкообразная перестройка частоты).

В зависимости от мощности передатчика, устройства Bluetooth® делятся на три класса:

• класс 1 - до 100 мВт (дальность на открытом пространстве до 100 м)

• класс 2 - до 2,5 мВт (дальность на открытом пространстве до 15 м)

• класс 3 - до 1 мВт (дальность на открытом пространстве до 5 м)

Скорость передаваемых данных зависит от используемой версии  спецификации и профиля Bluetooth. При использовании профиля последовательного порта, скорость передачи данных имеет теоретический предел 704 кбит/c.

Профиль последовательного порта (SPP)

Профиль SPP (Serial Port Profile) позволяет очень просто организовать "прозрачный" беспроводной канал между двумя устройствами, которые ранее были связаны проводным последовательным интерфейсом. Встраиваемый Bluetooth-модуль осуществляет преобразование потока данных, поступающих по проводному асинхронному последовательному каналу, в беспроводной поток в соответствии с профилем SPP (Serial Port Profile). На удаленной стороне в качестве приемопередатчика Bluetooth можно использовать  штатный Bluetooth-адаптер персонального компьютера или второй встраиваемый модуль.

В таком Bluetooth соединении одно из устройств является ведущим (master), а другое - ведомым (slave). На стороне компьютера располагается мастер. Поэтому для встраиваемых систем чаще всего используют Bluetooth-модули, сконфигурированные как ведомые.

Профиль последовательного порта предполагает выполнение следующих операций с  устройствами Bluetooth:

• Обнаружение Bluetooth-устройств

• Установление соединения двух Bluetooth-устройств 

• Передача данных в режиме "прозрачного" канала

Ведомый модуль Bluetooth при включении питания находится в состоянии “доступный для обнаружения”.  Ведущий модуль при включении питания начинает поиск ведомых устройств и при нахождении свободного ведомого устройства пытается присоединиться к нему. Ведомый запрашивает PIN-код, ведущий отвечает. Если PIN-коды совпадают, то устройства обмениваются своими адресами, образуют пару и могут выполнять обмен данными. Таким образом, установление соединения происходит автоматически. 

Ведущее и ведомое устройство по-разному обрабатывают ситуацию, когда удаленный модуль перестает отвечать на запросы. Ведомый в таком случае считает, что соединение утеряно, и вновь становится доступным для обнаружения.  Ведущий модуль оказывается более верным установленным ранее “брачным узам”. Для того, чтобы он забыл своего прежнего партнера ему нужно подать импульс сброса на внешний вывод.

Немного истории

Технология Bluetooth поддерживается и развивается некоммерческой ассоциацией Bluetooth Special Interest Group (SIG), которая была основана в сентябре 1998 г. и насчитывает сегодня около 12 000 членов. Эта организация публикует спецификации Bluetooth, организует сертификацию устройств, защищает торговую марку Bluetooth и пропагандирует технологию.

Спецификация версии 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) является в настоящее время наиболее распространенной и часто используемой. Эта спецификация по сравнению с предшествующими версиями позволила увеличить скорость передаваемых данных и сократить энергопотребление, упростила процедуру установления связи между двумя устройствами.

В спецификации Bluetooth 2.1 добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), а также энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Спецификации Bluetooth версии 3.0 High Speed (HS ) была утверждена группа компаний Bluetooth SIG  в апреле 2009 года.  Новая спецификация предписывает использовать в качестве физического уровня беспроводной передачи данных стандарт IEEE 802.15.11, который уже используется известной технологией Wi-Fi. Это позволит реализовать знакомый и простой в использовании классический интерфейс Bluetooth на более высоких скоростях передачи данных. Второй особенностью новой спецификации 3.0 (HS) является введение строгого контроля энергопотребления, что является особенно важным для носимой аппаратуры. Появление первых устройств, использующих технологию нового высокоскоростного интерфейса Bluetooth, ожидается весной 2010 года.

Технология Bluetooth продолжает развиваться. Ожидается утверждение спецификации "Bluetooth Low Energy", которая позволит разрабатывать устройства Bluetooth с ультранизким энергопотреблением, способные работать от батарей несколько лет. Стандартизация интерфейса  Bluetooth Embedded Control Interface (BECI)взаимодействия приложения пользователя и верхних уровней стека упростит разработку конечных приложений.

Другие профили Bluetooth

Рабочая группа Bluetooth® SIG определяет множество стандартных профилей, среди них:

• Generic Access Profile (Профиль общего доступа) - основной профиль Bluetooth®, отвечающий за поддержание связи между устройствами, выявление других доступных профилей, а также за безопасность

• Service Discover Application Profile (Профиль приложения обнаружения услуг) - дает возможность определять, какие услуги Bluetooth® доступны при работе с данным устройством.

• Serial Port Profile (Профиль последовательного порта) - позволяет устройствам Bluetooth® эмулировать последовательный порт ПК и используется многими профилями более высокого уровня.

• Dial-up Networking Profile (Профиль беспроводной телефонии) - предназначен для сотовых телефонов с Bluetooth® и позволяет использовать телефон в качестве беспроводной <трубки>; через точку доступа Bluetooth® обеспечивает соединение с телефонной сетью в доме, офисе общественных местах и т.д.

• Fax Profile (Профиль факса) - во многом похож на предыдущий, позволяет эмулировать факс-модем при соединении через Bluetooth® с устройством, имеющим программное обеспечение поддержки факса.

• Generic Object Exchange Profile (Профиль общего обмена объектами) - позволяет приложениям обмениваться данными непосредственно, без использования IP.

• File Transfer Profile (Профиль передачи файла) - позволяет устройству получать доступ к данным, хранящимся на другом устройстве, аналогично тому, как это делается в ftp.

• Headset Profile (Профиль гарнитуры) - обеспечивает беспроводное соединение устройства с гарнитурой, оснащенной динамиком и микрофоном.

• LAN Access Profile (Профиль доступа к локальной сети) - предназначен для создания IP-сетей и позволяет создавать небольшие беспроводные сети Intranet, также используется точками доступа для связи с кабельными сетями, будь то локальные сети или Internet.

• Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) - описывает как аудио стерео поток может быть передан по радиоканалу

• Audio / Video Control Transport Protocol (AVRCP)- определяет стандартный интерфейс беспроводного взаимодействия телевизионной и звуковой аппаратуры класса hi-fi, а также беспроводного управления этой аппаратурой.

22.

Шина pci (Peripheral Component Interconnect bus)

Итак, переходим к самому интересному. Что же находится на сегодняшний день внутри большинства наших компьютеров? Естественно, шина PCI. Другой вопрос, почему именно эта шина. Попробуем разобраться.

Итак, разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", а не была попыткой установки новых "заплат" на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0). Разработчики Intel отказались от использования шины процессора и ввели еще одну "антресольную" (mezzanine) шину.

Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация. Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка шины процессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу по совершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1), и в этом, пожалуй, вторая половина ответа на вопрос "почему PCI?"

Основные возможности шины следующие.

• Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.

• Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей

Существуют и универсальные платы, поддерживающие оба напряжения. Заметим, что частота 66MHz поддерживается только 3.3V логикой.

• Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

  • 132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;

  • 264 MB/сек при 32-bit/66MHz;

  • 264 MB/сек при 64-bit/33MHz;

  • 528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.

• Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).

• Поддержка write-back и write-through кэша.

• Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

• Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).

• Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.

• PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.

При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие "Землю" - архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space - "конфигурационное пространство".

Конфигурационное пространство состоит из трех регионов:

• заголовка, независимого от устройства (device-independent header region);

• региона, определяемого типом устройства (header-type region);

• региона, определяемого пользователем (user-defined region).

В заголовке содержится информация о производителе и типе устройства - поле Class Code (сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т.д.) и прочая служебная информация.

Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода/вывода, которые позволяют динамически выделять устройству область системной памяти и адресного пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств производится либо BIOS (при выполнении POST - power-on self test), либо программно. Базовый регистр expansion ROM аналогично позволяет отображать ROM устройства в системную память. Поле CIS (Card Information Structure) pointer используется картами cardbus (PCMCIA R3.0). С Subsystem vendor/Subsystem ID все понятно, а последние 4 байта региона используются для определения прерывания и времени запроса/владения. 

23

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X и PXI) — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный напоследовательной передаче данных.

Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;

• гарантированная полоса пропускания (QoS);

• управление энергопотреблением;

• контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X. Де-факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах.

Шина PCI хорошо служила нам последние 10 лет и будет играть важную роль в течение еще нескольких. Но, нынешние и «завтрашние» процессоры и устройства ввода-вывода требуют гораздо большей пропускной способности, чем может обеспечить PCI 2.2 или PCI-X, так что пришло время для разработки следующего поколения PCI, которое будет служить в качестве стандартной шины ввода-вывода для новых систем. Уже было предпринято несколько попыток увеличения пропускной способности шины, которые привели к появлению в PC платформах специализированных шин, которые сосуществуют вместе с шиной расширения ввода-вывода PCI, как показано на рисунке. Шина процессоров постоянно масштабируется и по частоте и по напряжению. Пропускная способность оперативной памяти увеличивается, что бы соответствовать процессорам. Соответственно, как показано на рисунке 1, системный набор микросхем (чипсет) обычно разделен на концентратор памяти и концентратор ввода-вывода, поскольку шина памяти часто меняется (вслед за процессорами). Одной из основных функций такого разделения является изоляция изменений в шине памяти, от стабильной шины ввода-вывода. Рис. 1 Появившаяся в 90-х годах прошлого века параллельная реализация PCI, в настоящее время приблизилась к своему теоретическому пределу производительности: уже нельзя без существенного удорожания ни повысить ее частоту, ни понизить напряжение; как всякая параллельная шина она подвержена влиянию эффекта, называемого skew (временное отклонение), см. статью"SAS или SCSI?" . Все попытки преодолеть эти ограничения приводят к существенному увеличению стоимости, при незначительном приросте производительности. Но это только половина проблемы, вторая заключается в том, что существует множество разновидностей PCI несовместимых между собой (например, PCI устройства для использования в мобильных компьютерах). Современные приложения более зависимы от аппаратных средств, и в частности, от подсистемы ввода-вывода. Обработка потоков данных от различных аудио и видео источников являются теперь обычным делом для мобильных или настольных систем, но в стандарте PCI 2.2 или PCI-X нет встроенных механизмов для поддержки время-связанных данных. Многие приложения связи и системы контроля, так же должны передавать и обрабатывать данные в режиме «реального времени». Современные системы, как показано на рисунке 2, должны одновременно обрабатывать несколько конкурирующих потоков данных от разных источников. Более неприемлемо трактовать все данные, как одинаковые – более важно, например, обработать потоковые данные, поскольку устаревшие данные «реального времени» абсолютно бесполезны. Данные должны быть «помечены» таким образом, чтобы система ввода-вывода могла назначить им правильные приоритеты обработки. Рис. 2 Следующий список суммирует основные требования к третьему поколению системы ввода-вывода. Универсальность: Унификация архитектуры ввода-вывода для настольных, мобильных, серверных, встроенных и коммуникационных систем. Низкая стоимость: Цена не должна быть выше, чем у существующей сейчас PCI шины. Программная модель, совместимая с существующим PCI: Загрузка существующих ОС без изменений. Совместимая с PCI конфигурация и интерфейсы системных драйверов. Производительность: Масштабируемая производительность посредством увеличения частоты и кол-ва каналов передачи данных.

Обзор архитектуры PCI Express

Последние достижения в высоко-скоростных, мало-контактных (low-pin-count), «точка-точка» технологиях предлагают возможности для увеличения пропускной способности шины ввода-вывода. Множественные соединения «точка-точка» влекут за собой появление в топологии ввода-вывода нового элемента – коммутатора (switch), см. рисунок 3. Коммутатор может обеспечивать обмен данными между конечными потребителями-источниками, и если их трафик не затрагивает оперативную память, то и нет необходимости передавать его через Host Bridge. Рисунки с 4-го по 6-ой, показывают типичное использование архитектуры PCI Express. Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6

Архитектура PCI Express.

Архитектура PCI Express определяется слоями (layers), как показано на рис. 7. Для обеспечения совместимости с существующими приложениями и драйверами сохранена модель адресации PCI. Конфигурация PCI Express использует стандартный механизм PCI Plug-and-Play. Программный уровень генерирует запросы на чтение и запись, которые передаются уровнем транзакций устройствам ввода-вывода с использованием пакетно-ориентированного, с разделяемыми транзакциями (split-transaction) протокола. Уровень «Link” добавляет последовательный номер и CRC код (код контроля ошибок – см. статью"CRC"), что обеспечивает высоконадежный механизм передачи. Физический уровень состоит из двух каналов, которые реализованы, как передающая пара и принимающая пара. Начальная скорость в 2.5 Giga transfers/second/direction обеспечивает канал связи с пропускной способностью в 200MB/s, что почти в 2 раза больше, чем у PCI. Рис. 7

«Физический» слой

Основной канал PCI Express сотсоит из двух низковольтных, дифференциальных пар сигналов: передающая пара и принимающая пара (см. рис. 8). Начальная частота в 2.5 Giga transfers/second/direction может быть увеличена до 10 Giga transfers/second/direction (это теоретический предел частоты для медного проводника). Рис. 8 Пропускная способность PCI Express канала может быть линейно увеличена за счет добавления сигнальных пар. «Физический» слой поддерживает x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32 сигнальных пар в одном канале и распределяет байты данных внутри канала, как показано на рис. 9. Рис. 9 В процессе инициализации, каждый из PCI Express каналов автоматически устанавливает частоту и ширину канала в соответствии с возможностями агентов, находящихся на концах канала, при этом не требуется никакого программного обеспечения.

Cлой связи ("Link Layer")

Основное назначение слоя «Link” заключается в обеспечение правильной передачи пакета данных через канал PCI Express. Этот слой отвечает за целостность данных и добавляет к пакету данных порядковый номер и CRC код (код контроля ошибок – см. статью «CRC»), см. рисунок 10. Рис. 10 Большинство пакетов инициируются слоем транзакций ("Transaction Layer"), описанным в следующем разделе. Протокол передачи передает пакеты только в том случае, когда приемный буфер свободен, это позволяет избежать повторных передач данных и разгружает шину. Повторная передача поврежденных пакетов, так же обеспечивается Link слоем.

Слой транзакций ("Transaction Layer")

Слой транзакций принимает запросы на чтение/запись от программного слоя и создает пакеты для передачи слою связи. Все запросы реализуются в виде раздельных транзакций. Некоторые из этих пакетов, требуют ответных пакетов, которые принимаются от слоя связи и проверяются на соответствие начальному запросу программного слоя. Каждый пакет имеет уникальный идентификатор, который позволяет отправить ответный пакет правильному адресату. Формат пакетов поддерживает 32bit и 64bit адресацию. Пакеты так же имеют такие атрибуты, как «no-snoop”, “relaxed-ordering” и “priority”, которые могут использоваться для оптимизации передачи через подсистему ввода/вывода. Слой транзакций поддерживает четыре адресных пространства: три PCI (память, I/O и конфигурация) и пространство сообщений («Message Space”). В стандарте PCI 2.2 был предложен альтернативный способ распределения системных прерываний, называемый Message Signaled Interrupt (MSI). Спецификация PCI Express использует концепцию MSI в качестве основного метода распределения прерываний.

Программный слой ("Software Layer")

Программная совместимость имеет важнейшее значение для третьего поколения шины ввода/вывода. Имеются два аспекта программной совместимости: инициализация и совместимость времени выполнения. PCI имеет отлаженную модель инициализации, с помощью которой, операционная система может обнаружить все имеющиеся дополнительные устройства и оптимальным образом распределить им системные ресурсы (память, прерывания и т.п.). Эта модель сохранена и в PCI Express, как следствие: изменений в операционной системе, для загрузки на PCI Express системах, не требуется. Кроме того, в PCI Express обеспечена поддержка старой (PCI) модели времени выполнения, таким образом, в прикладном ПО изменения так же не требуются. Новое ПО может использовать новые возможности PCI Express.

Заключение

Архитектура PCI Express отвечает всем требованиям, предъявляемым к третьему поколению систем ввода/вывода. Ее расширенные функции и масштабируемая производительность позволяет ей стать унифицированным решением для множества платформ – настольных, мобильных, серверных, устройств связи и встраиваемых устройств. Канал PCI Express образуется из нескольких точка-точка соединений, называемых “lanes”, а несколько “lanes” могут быть объединены в одном канале, пропускная способность которого имеет линейную масштабируемость. PCI Express программно совместим с существующим ПО и обеспечивает расширенные возможности для нового ПО.

24

VGA (DE15F) — 15-контактный субминиатюрный разъём для подключения аналоговых мониторов по стандарту VGA(англ. Video Graphics Array).

VGA — аналоговый интерфейс, разработанный в 1987 году и предназначенный для мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Также данным интерфейсом оснащаются некоторые проигрыватели DVD и многие плазменные и ЖК-телевизоры. VGA передаёт сигнал построчно, при этом изменение напряжения означает изменение яркости (напряжение сигнала составляет 0,7–1 В), для ЭЛТ оно означает изменение интенсивности луча электронных пушек кинескопа (и, соответственно, яркость светового пятна на экране).

В настоящее время VGA считается устаревшим и активно вытесняется цифровыми интерфейсами DVI, HDMI иDisplayPort. Крупнейшие производители электроники Intel и AMD объявили о полном отказе от поддержки VGA к 2015 году.^[1]

К большинству видеоадаптеров, уже не имеющих разъёма VGA, аналоговый монитор возможно подключить и к выходу DVI, через специальный переходник, поскольку часть его линий на самом деле в целях совместимости является интерфейсом VGA (за исключением формата DVI-D, в котором аналоговые линии отсутствуют).

Разъём DE15M, D-Sub 15 или DB15HD(неофициальное название)на кабеле, использующимся для передачи RGB-видеосигнала намонитор. Отсутствует 9-й контакт (ключ) в соответствии со стандартом VGA.

25