Interconnessioni e interfacce

1. I.T.I.S. Santhià – Dipartimento di Informatica Interconnessioni e interfacce Modulo didattico “Hardware del P.C.” Ultima revisione 17 febbraio 2005 Autore M. Lanino

2. USB 2 L’introduzione delle specifiche 2.0 del protocollo USB (Universal serial Bus) il cui nuovo logo appare nella figura a destra, ha comportato alcune evoluzioni tecniche per garantire pieno supporto al nuovo standard, capace di trasferire ben 480 Mbps (mega bit al secondo). Nel contempo resta garantita la compatibilità verso il basso con lo standard USB di primagenerazione. Il protocollo di comunicazione seriale denominato USB può gestire collegamenti multipli ed in cascata per un massimo di 127 dispositivi per host (il controller sulla scheda madre del PC), con la possibilità di inserzione e disinserzione a caldo.

3. Come funziona … Per quanto riguarda la condivisione del canale, USB utilizza un protocollo di tipo TOKEN: in ogni situazione è l’host ad iniziare una comunicazione, inviando un pacchetto che, come un gettone, autorizza i terminali a comunicare. A questo punto, se la periferica è pronta, risponde all’invito e da ciò deriva la vera e propria instaurazione della transizione di dati tramite la procedura di handshaking. I dispositivi USB possono essere di 2 Tipi: TERMINALI e HUB. Gli HUB sono sostanzialmente dei multiplatori di segnali dotati di una porta di Upstream verso l’host e di una o più porte di Downstream che possono essere indirizzate verso altri hub o verso dispositivi periferici. I Terminali sono i periferici che supportano lo standard connessi attraverso il cablaggio. Dal punto di vista elettrico il segnale USB è trasportato da cavi a 4 fili: la terra (GND), due linee per il segnale ed un filo per il trasporto dell’alimentazione ai dispositivi periferici, generalmente di valore 5 V rispetto a GND. Ricordiamo che lo standard USB prevede la possibilità di alimentare piccole periferiche direttamente dall’host.

4. Le prestazioni Le nuove specifiche Hi-Speed USB 2.0 prevedono tre ampiezze di banda: ·modalità Low-Speed (1,5 Mbps) ·modalità Full-Speed (12 Mbps) ·modalità High-Speed (480 Mbps) Le prime due derivano direttamente dalle specifiche 1.1, mentre la terza è nuova. Per garantire la compatibilità piena con il vecchio standard deve essere possibile far coesistere sul canale comunicazioni a velocità diverse. USB prevede un sistema di rilevazione degli errori a libello di bit con tecnica CRC (Cyclic Redundancy Check) che garantisce protezione da errori su singolo o doppio bit: in caso di errore viene richiesta la ritrasmissione del pacchetto fino a tre volte prima di passare il controllo a livello software. Dal punto di vista meccanico nulla è cambiato nei connettori rispetto allo standard 1.1. Resta quindi la limitazione della lunghezza dei cavi che, fra due dispositivi, non può essere maggiore di 5 metri.

5. FireWire - IEEE1394 Lo standard FireWire 1394 è stato inventato da APPLE e si è affermato in questi anni come la connessione di riferimento per i dispositivi digitali (specie video camere) dell’elettronica di consumo. In figura due tipi di connessioni 1394: Firewire e i-link • Caratteristiche: • Cablaggi di dimensioni ridotte • Non necessita di identificazione dei dispositivi connessi • Supporta gli inserimenti a caldo (plug & play) • E’ scalabile, supportando dispositivi con velocità di trasferimento differenti :S100 (100 Mbps), S200 (200 Mbps) e S400 (400 Mbps) • L’evoluzione dello standard prevede velocità da 800 a 3200 Mbps • Supporta collegamenti sia in catena che in parallelo • Consente operazioni in modalità Peer to Peer, cioè non necessita della presenza di un computer supervisore per il controllo dei flussi informativi. • Fornisce banda garantita e assicura la consegna dei dati in tempo utile (trasferimenti in Real Time)

6. Come funziona … Cablaggi Un cavetto FireWire è formato da 2 coppie schermate per il passaggio dei dati, più due fili per le alimentazioni. Tali alimentazioni possono variare da 8 a 40 volts con corrente fino a 1,5 A. In questo modo il cavo FireWire può essere l’unico cavo che collega due dispositivi. La versione del cavo priva di alimentazioni è detta i-Link (marchio Sony) ed è utilizzata per alcuni componenti audio-video. La lunghezza di un cavo FireWire può arrivare fino a 4,5 metri (tratte più lunghe richiedono ripetitori), a tale distanza è dato il nome di hop e ve ne possono essere fino a 16 fra due periferiche (tratta pari a 72 metri). Modalità di funzionamento FireWire può funzionare in modalità sia Asincrona che Isocrona. La modalità asincrona è usata per piccoli e semplici trasferimenti di dati; essa non è adatta per il trasferimento in real time. La modalità Isocrona è a banda garantita e l’80% della banda di canale è riservata al trasferimento con questa modalità. I nodi che desiderano comunicare richiedono una prenotazione di banda proporzionale ai dati da inviare. Questa modalità è utilizzata per l’audio/video.

7. DVI – Interfaccia video digitale Perché un nuovo standard per il video? La tecnologia VGA nasce nel 1987 e, nella sua prima versione, gestisce una risoluzione massima di 640x480 pixel con profondità di colore di 8 bit (256 colori). Nonostante la rapida evoluzione dello standard abbia permesso di raggiungere risoluzioni di 2048x1536 pixel e colori a 32 bit (circa 4 miliardi di combinazioni di colori), il limite della tecnologia sta nella natura stessa del segnale che essa pilota, che è di tipo ANALOGICO. Nasce così l’esigenza di implementare un’interfaccia di collegamento numerica a larga banda per collegare dispositivi di riproduzione video digitale alla sorgente del segnale.

8. Cos’è DVI ? Lo standard DVI (DigitalVisual Interface) è un’interfaccia seriale ad alta velocità specificatamente progettata per il video che punta alla sostituzione dell’interfaccia VGA. DVIveicola dati in formato numerico rimovendo il dispendioso ed inutile passaggio all’analogico; supporta risoluzioni fino a 2048x1536 punti con una banda passante massima di 3,3 Gbit/sec, utilizzando un metodo di trasmissione denominato TMDS (Transiting Minimized Differential Signaling) che garantisce una trasmissione più efficiente sia su rame che su fibra ottica. Prevede inoltre funzionalità di protezione contro le copie non autorizzate dei contenuti e gestisce anche il segnale analogico per favorire una transizione omogenea dal vecchio al nuovo standard.

9. La tecnologia DVI In figura è riportato un collegamento DVI. Per raggiungere una banda passante di 3,3 Gbit/s, indispensabile per supportare standard ad alta definizione come ad es. HDTV (High Definition Tele Vision), DVI, che normalmente lavora con un solo link Tmds, può attivare un secondo link che consente di raggiungere risoluzioni più elevate (2048x1536 o maggiori) con profondità di colore di 32 bit. Ogni link è in grado di trasmettere 1,65 Gbpse comprende tre canali di codifica (RGB) Esso condivide il segnale di clock del trasmettitore, in questo modo la banda può essere divisa fra i link. Il trasmettitore riceve in ingresso sia i dati relativi all’immagine sia, durante il Blanking Time, alcuni segnali di controllo. Per sapere se i dati da inviare sono relativi ai dati immagine o alle informazioni di controllo si usa una variabile booleana detta DE (data enable).

10. Compatibilità e connettori Per mantenere la compatibilità col passato i dispositivi DVI possono supportare sia un’interfaccia puramente numerica, sia un’interfaccia ibrida analogico/digitale. Queste due versioni sono denominate rispettivamente Dvi-D (prima detto Dvi-V) e Dvi-I. Le caratteristiche meccaniche dei connettori sono simili, ma mentre il sistema Dvi-D prevede 24 piedini (di cui solo 12 attivi se viene utilizzato un solo link Tmds), la versione Dvi-I presenta 4 pin aggiuntivi per veicolare il segnale RGB analogico. E’ poi presente sul connettore anche la massa analogica.

11. Bluetooth Cos’è Bluetooth? Si tratta di uno standard per TLC a corto raggio fra dispositivi elettronici che si è posto ormai da qualche anno l’obiettivo ambizioso di mandare in soffitta i cavi di connessione. Gli attuali trend di sviluppo del mercato lasciano presagire che Wi-Fi diventerà lo standard per le Wireless LAN, mentre Bluetooth diventerà il riferimento per la creazione delle PAN (Personal Area Network). Un esempio di PAN è costituito ad esempio dal gruppo Telefono cellulare Sony Ericsson T68i + auricolare dedicato. Bluetooth è uno standard che, grazie al basso consumo, si adatta bene all’ambiente cellulare, all’elettronica portatile (PDA e lap top) e alla gestione degli elettrodomestici. Ciò che resta da fare è ridurre i costi di produzione: solo così lo standard potrà diffondersi in modo capillare.

12. Tecnica usata in trasmissione La frequenza portante assegnata allo standard appartiene alla banda ISM (Industrial, Scientifical and Medical), non impiegata per comunicazioni a lungo raggio quali la telefonia cellulare o i ponti radio. Più precisamente si tratta della porzione di spettro che va dai 2,4 ai 2,48 GHz e che consente una banda di 79 Mhz per la trasmissione Bluetooth. Il modello di trasmissione scelto è di tipo Spread Spectrum (spettro espanso): i dati sono inviati non su di un’unica frequenza, bensì distribuiti su più portanti al fine di ridurre le interferenze con gli altri dispositivi operanti sullo stesso spettro. La tecnica usata è poi quella dei salti di frequenza che garantisce discreta protezione dagli errori ed ottima sicurezza nelle trasmissioni. I 79 MHz dello spettro disponibile vengono suddivisi in 79 intervalli (canali) di 1 MHz ciascuno, mentre la sequenza binaria dei dati viene suddivisa in pacchetti che vengono trasmessi su diversi canali, saltando da una frequenza ad un’altra secondo uno schema prestabilito da un algoritmo pseudocasuale e con una frequenza che può raggiungere i 1600 salti al secondo. La perdita di un pacchetto di dati con può essere corretta, ma è possibile richiederne la ritrasmissione.

13. Tecniche di trasmissione digitale La trasmissione in banda base (tipica dei modem) in cui il canale di trasmissione risulta tutto occupato da una sola trasmissione. La trasmissione in Banda Larga suddivide la banda in più canali e trasmette su ciascun canale una trasmissione mediante la traslazione in frequenza. La trasmissione a salto di frequenza (frequency hopping) utilizza la canalizzazione della banda per operare salti continui da un canale all’altro al fine di rendere la trasmissione immune da disturbi e non decodificabile da parte di altri ricevitori eventualmente presenti. La trasmissione a sequenza diretta (direct sequence) è simile alla precedente, ma qui i canali vengono utilizzati secondo un ordine fisso e noto, di solito in sequenza. E’ ovviamente meno sicura della trasmissione a salto.

14. Wireless LAN Si tratta di reti locali senza fili, in cui i cablaggi sono sostituiti da apparecchi ricetrasmittenti che inviano e ricevono pacchetti di dati a corto raggio utilizzando tecniche di trasferimento protetto delle informazioni. La Wireless Lan in breve sostituisce gli ultimi metri del cavo Ethernet tra il portatile e la presa a muro. I componenti principali di una Wireless Lan sono due: • I punti di accesso (AP, Access Point) • Le schede PC card da inserire negli appositi slot di espansione dei portatili • Entrambi agiscono sia da trasmettitori che da ricevitori sulla banda radio ISM posta a 2,4 GHz (come Bluetooth), con raggi di azione compresi fra 25 e 100 metri.

15. Altre caratteristiche Come già accennato nel paragrafo precedente è stato lo standard 802.11b (Wi-Fi) a decretare il successo commerciale delle reti WL: esso prevede un transfer rate di 11 Mbit al secondo con installazione e configurazione semplici. Esiste un secondo protocollo (802.11g) commercializzato da qualche mese che prevede un transfer rate a 22 Mbit/s e cifratura WEP fino a 256 bit. Anche i prezzi sono andati scendendo nel corso dei mesi ed ora un AP costa meno di 150€, mentre una scheda non supera gli 70€. Inoltre i più recenti computer portatili (es. molti Intel Centrino) integrano al loro interno (ai lati del display) l’antenna di trasmissione/ricezione e la scheda 802.11b/g, in questo modo si rende più robusto il sistema e soprattutto si libera uno slot di espansione. Il futuro delle Wireless Lan sembra indirizzato verso una migrazione sulla banda dei 5 GHz, come lasciano intravedere recenti accordi commerciali e di collaborazione siglati da Intel, Compaq e Microsoft. Troverai informazioni ulteriori e approfondimenti nel folder “tp-LAN su cavo e Wireless 05” di Tutorial PC