Il mondo delle Interconnessioni e delle interfacce del P.C.
Sommario
Il mondo delle Interconnessioni e delle interfacce del P.C. .............................................................. 1
USB 2 ............................................................................................................................................... 1
FireWire........................................................................................................................................... 2
Caratteristiche: ............................................................................................................................ 2
Cablaggi ....................................................................................................................................... 2
Modalità di funzionamento ......................................................................................................... 3
DVI: Lo standard per i display digitali ........................................................................................... 3
La tecnologia DVI ....................................................................................................................... 4
La compatibilità col passato ed i connettori ............................................................................... 4
Bluetooth ......................................................................................................................................... 4
Tecnica di trasmissione ............................................................................................................... 5
Nota esplicativa sulle tecniche di trasmissione digitali ............................................................. 5
Wireless LAN ................................................................................................................................... 6
USB 2
L’introduzione delle specifiche 2.0 del protocollo USB
(Universal seria Bus) il cui nuovo logo appare in figura 1, 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 prima generazione.
Figura 1 - Il nuovo logo
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. Per ottenere queste caratteristiche
sono indispensabili meccanismi di condivisione delle risorse di banda e tecniche per il rilevamento della stato
delle periferiche.
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.
Si tratta di una scelta opposta a quella implementata nel sistema Ethernet nel quale è il terminale a
comunicare non appena ne abbia necessità. La tecnica Token ha come pregio principale quello di eliminare
la fase di arbitrariato che si presenta nel sistema Ethernet nel caso in cui due terminali decidano di
comunicare simultaneamente. Altro beneficio è rappresentato dalla già citata possibilità di collegare
periferiche a caldo, senza interferire con il funzionamento o la trasmissione dei dati di altri terminali: ciò è
possibile perché l’host funge da decisore centralizzato del sistema.
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 (per potenze comprese fra un minimo di 0,5 W ed un massimo di 2,5 W).
Sono possibili meccanismi di sospensione, risveglio e Power Management gestibili dai dispositivi che lo
richiedano.
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. Il
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sistema supporta un massimo di 7 livelli di concatenazione (compresi quelli di host e di periferiche). Oltre a
replicare le porte, un hub ha anche il compito di inoltrare la potenza di alimentazione in downstream.
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.
FireWire
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. Lentamente ha invaso
poi il settore PC e notebook ed oggi si pone quale unico antagonista di
USB 2.0
FireWire consente il trasferimento di dati ad alta velocità; lo standard fu
approvato nel 1995 a seguito della collaborazione fra Apple e IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers) e denominato IEEE
1394 High Performance Serial Bus.
Figura 2 - Port USB e FireWire
Lo standard FireWire può collegare fra loro dispositivi digitali quali
computer, prodotti audio e video, stampanti e scanner, videocamere, display ed in generale qualsiasi unità
che richieda scambio di dati a larga banda.
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)
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.
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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).
E’ possibile collegare fino a 63 dispositivi ad un unico gruppo locale, mentre con l’utilizzo di un Bridge è
possibile l’interfacciamento di 1023 gruppi. Si deduce quindi che FireWire può essere utilizzato per collegare
due dispositivi o, indifferentemente, per cablare un intero ambiente.
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.
DVI: Lo standard per i display digitali
Collegare un P.C. ad un monitor è un’operazione semplice: lo
standard adottato dal mercato è quello costituito dall’interfaccia VGA
(Video Graphic Array) e dal suo ampiamente utilizzato connettore a 15
Pin. 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.
Ogni scheda VGA infatti incorpora al suo interno un convertitore
Digitale/Analogico (RAM DAC) che opera la conversione del segnale numerico in
analogico prima di inviarlo al monitor. In questo modo la trasmissione delle informazioni
sul canale di trasmissione si fa delicata in quanto il RUMORE presente sul canale si
somma al segnale utile deteriorandolo. Inoltre, in ambiente informatico ed home video, si
sta assistendo alla progressiva sostituzione dei display analogici con apparecchi digitali;
tutto ciò rende inutile la conversione D/A in quanto all’interno del display dovrà avvenire
una nuova conversione D/A.
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.
Figura 3 - Scheda video
con presa DVI , TV out e
FireWire
Il consorzio DDGW (Digital Display Working Group), un gruppo di società
guidato da Intel, Compaq, Jujitsu, HP, IBM, NEC e Silicon Image, ha a tal proposito
emanato le specifiche per lo standard DVI (Digital Visual Interface), un’interfaccia
seriale ad alta velocità che punta alla sostituzione dell’interfaccia VGA.
DVI veicola 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 (Transitino 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.
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La tecnologia DVI
La banda disponibile per un collegamento su rame
è limitata da principi fisici come l’effetto pelle dei
conduttori, ad un valore di circa 165 MHz, che nel caso
dell’architettura in esame corrisponde ad una velocità di
trasmissione di 165 Gbit/s e a risoluzioni massime di
1600x1200 punti a 60Hz con colori a 24 bit. 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 Gbps
e comprende tre canali di codifica. Esso condivide il segnale di clock del
Figura 4
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). In ogni caso il segnale in uscita da ciascun Encoder (vedi
figura) è costituito da una sequenza continua di stringhe da 10 bit ciascuna.
Se si utilizza il doppio link i canali coinvolti sono dunque sette: tre per ogni link più quello
relativo al clock.
La compatibilità col passato ed i connettori
L’introduzione di una nuova interfaccia di
comunicazione pone il problema della continuità col passato;
per rendere meno traumatico il passaggio dalla modalità
analogica a quella digitale, 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.
I piedini non hanno la solita forma cilindrica, ma
sono piatti e ritorti in modo da creare un contatto di tipo LHF ( Low Force Elix, elicoidale a bassa pressione)
per aumentere la stabilità e la durata delle interconnessioni.
Tramite un adattatore Dvi-D / Vga 15 pin è possibile mantenere la compatibilità tra una scheda grafica con
uscita digitale ed un monitor analogico.
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. In continuo andirivieni tra il
boom ed il flop, questa tecnologia, almeno sulla carta, apre le porte al futuro. Tuttavia Microsoft, padre
padrone del mondo PC, ha rinviato a lungo il suo supporto all’interno dei propri sistemi operativi e solo con
Windows XP è giunto l’avallo alla tecnologia (unitamente a USB2).
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Altra causa di rallentamento al boom è stata la concorrenza che Bluetooth si è trovato a
subire a causa dell’ 802.11b (detto Wi-Fi), lo standard per le reti LAN Wireless
derivato da Ethernet, che ha di fatto ridotto il campo di impiego di Bluetooth
grazie al successo ottenuto quest’anno.
Alla fine probabilmente accadrà 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.
Figura 5 - Sony Ericsson
T68i
D’altra parte Bluetooth lavora con potenze dell’ordine del mW, contro i 30-40 W del
Wi-Fi ed appare quindi più adatto 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.
Tecnica di 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. La sicurezza nella
trasmissione è garantita dal fatto che la sequenza corretta dei salti è diversa per ogni sessione ed è nota
solo ai dispositivi coinvolti.
Nota esplicativa sulle tecniche di trasmissione digitali
L’immagine mostra diversi tipi di trasmissioni digitali:
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
sequenze) 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.
Figura 6 - Trasmissioni digitali
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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:
Le schede PC card da inserire negli appositi slot di
espansione dei portatili
I punti di accesso (AP, Access Point)
Figura 7 - PC card e AP per Wireless Lan
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. 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. Anche i prezzi sono andati scendendo nel corso dei mesi ed ora un AP costa meno
di 500€, mentre una scheda non supera i 100€.
Inoltre i più recenti computer portatili integrano al loro interno (ai lati del display) l’antenna di
trasmissione/ricezione e la scheda 802.11b, 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.
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