INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACAN
Diseño y construcción de una interfaz USB de propósito general
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN
José Luis Bautista Arias Alejandro Trejo Baños
ASESORES:
Ing. Fermín Valencia Figueroa M. en C. Eusebio Ricárdez Vázquez
MEXICO D.F. 2010
Agradecimientos
José Luis Bautista Arias:
A mi madre, que siempre me impulso a conquistar nuevas metas, A mi padre, por su apoyo incondicional.
A Teresa por estar conmigo cuando más le necesite.
A mis asesores por la paciencia para que este proyecto llegara a su fin.
Al Politécnico por darme la oportunidad de mostrar lo que puedo lograr.
A todos aquellos que alguna vez han contribuido a lograr que sea la persona que soy.
A todos aquellos que han formado parte de mi vida y me es imposible listar.
Alejandro Trejo Baños:
A mi madre, que sacrificó tanto por darme la educación que tengo ahora y su motivación para seguir adelante.
A mi padre que siempre ha sido un ejemplo a seguir y al que le agradezco sus consejos y sabiduría.
A mi Hermano por apoyarme en momentos difíciles y darme consejos cuando más los necesitaba.
A mis amigos que siempre confiaron en mi y tuvierón paciencia para aguantar mis modos.
A todas aquellas personas que han influenciado mi desarrollo en algún momento de mi vida.
A la fundación Telmex por haberme apoyado económicamente en mis estudios.
Generales:
Al Instituto Politécnico Nacional por la oportunidad de ser parte de sus distinguidos alumnos
A nuestros asesores cuya guía fue invaluable para la culminación de este proyecto
A la secretaria de investigación y postgrado por haber apoyado este proyecto y por su apoyo mediante las becas de programa de formación de investigadores
A la oficina de titulación por su eficiencia y amable trato para llevar a buen termino los trámites
I
Índice
Índice ... I
Introducción ... 1
Planteamiento del Problema ... 3
Justificación ... 5
Propuesta de solución ... 7
Objetivo General ... 9
Objetivos Específicos ... 9
Capítulo 1 ... 11
1.1. Interfaces de comunicación con la computadora personal ... 12
1.1.1. Bus ISA ... 14
1.1.2. Bus MCA ... 14
1.1.3. Bus EISA ... 14
1.1.4. Bus PCI ... 15
1.1.5. Puerto serial (Protocolo RS‐232, Serial y puertos COM) ... 15
1.1.6. Puerto paralelo ... 15
1.1.7. FIREWIRE ... 16
1.2. USB. La evolución de una interfaz ... 17
1.2.1. El USB original ... 17
1.2.2. USB 2.0 ... 18
1.2.3. USB On The Go® ... 19
1.2.4. Wireless USB ... 19
1.2.5. USB 3.0 ó Superspeed USB ... 19
1.3. USB contra sus competidores ... 20
1.3.1. USB contra FIREWIRE ... 20
1.3.2. Comparativa entre distintas interfaces ... 21
Capítulo 2 ... 23
2.1. Información ... 24
2.2. Orígenes de la Teoría de la Información ... 25
2.2.1. Estudios de Hartley ... 25
2.2.2. Aportes de Nyquist ... 25
II
2.2.3. Teoría matemática de las comunicaciones de Claude E. Shannon ... 25
2.3. Transmisión de datos ... 25
2.3.1. Señales ... 25
2.3.2. Medida de la información ... 27
2.3.3. Transmisión de la información ... 28
2.3.4. Entropía e información ... 28
2.3.5. Tipos de transmisión ... 29
2.4. Modos de transmisión ... 29
2.4.1. Transmisión asíncrona... 29
2.4.2. Transmisión síncrona ... 29
2.4.3. Sincronización de bit ó de reloj ... 30
2.4.4. Sincronización de caracter ... 30
2.4.5. Sincronización de trama ... 31
2.4.6. Sincronización de bit ... 31
2.4.7. Sincronización de caracter ... 32
2.4.8. Orientado al bit ... 32
2.5. Codificación ... 33
2.5.1. Tipos de codificación ... 33
2.5.2. Codificación Bifase ... 36
2.6. Comunicación de dispositivos con la PC ... 37
2.6.1. Canales de Requerimiento de Interrupción. (Interrupt Request) ... 38
2.6.2. Canales de Acceso directo a memoria. (Direct Memory Access) ... 41
2.6.3. Direcciones de puerto de entrada y/ó salida. ... 41
Capítulo 3 ... 43
3.1. Términos relevantes ... 44
3.1.2. Host ... 44
3.1.3. Concentrador ... 44
3.1.4. Puerto ... 45
3.1.5. Función ... 45
3.1.6. Dispositivo compuesto ... 45
3.2. Aspecto lógico: Descripción de un sistema USB ... 45
III
3.2.1. Host USB ... 46
3.2.2. Funciones del host... 46
3.2.3. La interfaz del host ... 48
3.2.4. El software ... 48
3.2.5. El driver USB ... 49
3.2.6. El software del host ... 50
3.2.7. Introducción a las Clases de dispositivos ... 51
3.2.8. El driver ... 52
3.2.9. Interconexión USB ... 52
3.2.10. Endpoints... 56
3.2.11. PIPE ... 58
3.2.12. Tipos de transferencia ... 59
3.2.13. El proceso de enumeración ... 69
3.2.14. Dispositivos USB ... 70
3.3. Arquitectura física del Bus... 75
3.3.1. Aspecto eléctrico ... 75
3.3.2. Estados lógicos para las señales diferenciales ... 79
3.3.3. Voltajes de la señal ... 80
3.3.4. Tipos de paquetes ... 84
3.3.5. Voltaje y corriente proporcionada por el bus ... 85
3.4. Aspecto mecánico ... 86
3.4.1. Tipos de cables ... 86
Capítulo 4 ... 89
4.1. Hardware ... 90
4.1.1. Microcontroladores ... 90
4.1.2. Componentes de un dispositivo USB ... 91
4.1.3. Marcas y Fabricantes de Microcontroladores con Comunicación USB... 93
4.1.4. Microchip Technologies ... 95
4.2. PIC18FXX5X ... 95
4.2.1. PIC18F4550 ... 96
4.2.2. Diagrama de terminales del PIC18F4550 ... 96
IV
4.2.3. Módulo USB ... 97
4.2.4. Control y Estado del Módulo USB ... 98
4.2.5. Oscilador ... 128
4.3. SOFTWARE ... 139
4.3.1 El compilador MPLAB C18 ... 139
4.3.2 Firmware de Microchip MCHPUSB ... 152
4.4. El programa cliente ... 185
4.4.1. La DLL (Dynamic Link Library) ... 185
4.4.2. MPUSBAPI.DLL ... 186
4.5. Introducción a Visual Basic ... 189
4.5.1. Componentes de un programa en Visual Basic ... 190
4.5.2. Desarrollo de proyectos en Visual Basic ... 191
4.6. El Basic de Visual Basic ... 198
4.6.1. Variables ... 198
4.6.2. Declaraciones en Visual Basic... 199
4.6.3. Declaración de las API en visual Basic ... 200
Capítulo 5 ... 203
5.1. Condiciones generales de diseño ... 204
5.2. Consideraciones particulares de diseño ... 205
5.3. Diagrama de bloques... 206
5.4. Diseño de la interfaz. Hardware. ... 208
5.4.1. Oscilador. ... 210
5.4.2. Alimentación interna USB ... 210
5.4.3. Reinicio Maestro (Master Clear) ... 211
5.4.4. Diagrama eléctrico del microcontrolador y sus componentes básicos ... 212
5.4.5. Sistema eléctrico ... 212
5.4.6. Entrada y salida de datos binarios (Digitales) ... 212
5.4.7. Entradas digitales ... 213
5.4.8. Salidas digitales ... 214
5.4.9. Puertos de entrada y salida ... 215
5.4.10. Bases para circuitos integrados (CI’s) ... 216
V
5.4.11. Diagrama eléctrico del circuito de entrada/salida digital ... 217
5.4.12. Conectores de inserción ... 218
5.5. Circuitos de Aplicación ... 219
5.5.1. Altavoz ... 219
5.5.2. Servo FUTABA S3003 ... 220
5.5.3. Display de cristal líquido (LCD) ... 222
5.5.4. Alimentación externa ... 224
5.6. Analizador de tramas ... 224
5.6.1. MAXIM MAX485 ... 225
5.7. Construcción de la interfaz ... 226
5.7.1. Diseño del circuito impreso ... 226
5.7.2. Fabricación del circuito impreso ... 229
5.8. Diseño del software... 231
5.8.1. Diseño del software Visual Basic ... 238
5.8.2. Programas cliente ... 241
5.8.3. Diseño del programa cliente control de movimiento de un servomotor ... 245
5.8.4. Diseño de la aplicación cliente de la generación de una tonada musical ... 247
5.8.5. Programa cliente manejo de un LCD mediante USB ... 252
5.8.6. Aplicación cliente convertidor analógico digital para medir un voltaje ... 254
5.9 Creación del firmware ... 256
5.9.1 Cambios en el archivo principal ó main.c ... 262
5.9.2 Cambios realizados en los archivos user.c y user.h ... 263
Capítulo 6 ... 265
6.1. Pruebas de comunicación ... 266
6.2. Pruebas de oscilador ... 269
6.3. Pruebas de Hardware ... 269
6.3.1. Multímetro digital CRAFTSMAN ... 270
6.3.2. Voltaje de alimentación ... 270
6.3.3. Consumo del microcontrolador ... 271
6.3.4. Consumo del circuito de las salidas digitales ... 271
6.3.5. Consumo del circuito de entradas digitales ... 272
VI
6.3.6. Consumo combinado de los circuitos de entrada y salida ... 273
6.3.7. Consumo combinado del sistema básico de la interfaz USB ... 274
6.4. Pruebas efectuadas con el programa de entrada y salida de datos ... 274
6.5. Mediciones realizadas a los elementos de los circuitos de aplicación ... 275
6.5.1. Mediciones realizadas al servomotor FUTABA S3003 ... 275
6.5.2. Mediciones realizadas al altavoz Koyo Electronics k‐21j32a‐0 ... 278
6.5.3. Mediciones y pruebas del convertidor analógico digital ... 279
6.6. Resultados ... 282
6.6.1. Resultados obtenidos para el primer circuito de aplicación ... 282
6.6.2. Resultados obtenidos para el segundo circuito de aplicación ... 283
6.6.3. Resultados obtenidos al efectuar las pruebas al tercer circuito de aplicación ... 284
6.4. Resultados del circuito cambiador de nivel ... 284
Capítulo 7 ... 287
Visión a futuro ... 289
Índice de Tablas y Figuras ... 291
Índice de Tablas ... 292
Índice de Figuras ... 293
Bibliografía ... 297
1
Introducción
Desde la aparición de la computadora en los años 60 hasta la actualidad la tecnología ha cambiado considerablemente, en un principio los únicos periféricos que existían para interactuar con el usuario eran el teclado y el monitor. En la actualidad existe una gran variedad de dispositivos para interactuar con el usuario de la computadora, tales como escáneres, impresoras, cámaras web, joysticks de juegos, enfriadores externos para computadoras portátiles etc. Cada uno de ellos requiere de una forma para comunicarse con la PC siendo el método más utilizado el Bus Serie Universal ó USB, debido a sus características tales como su velocidad y sobre todo la capacidad de conectarse y desconectarse sin tener que apagar el equipo.
Adicionalmente a los dispositivos de interfaz humana como lo son el ratón ó el teclado, en la actualidad varios aparatos emplean el USB para mejorar y agilizar la interacción del usuario con la computadora, entre los aparatos que tienen comunicación USB se encuentran teléfonos, calculadoras, cámaras fotográficas, videocámaras, impresoras, reproductores de música, módems, dispositivos de juegos, etc. Dichos dispositivos han adquirido funcionalidades nuevas gracias a la comunicación que tienen con la computadora, acentuando la importancia del protocolo USB.
Las aplicaciones de este puerto no se limitan a los dispositivos comerciales antes mencionados, también tiene aplicación en instrumentación (tarjetas de adquisición de datos, osciloscopios digitales por medio de PC, multímetros con conexión a PC), en la medicina se emplea en instrumentos de monitoreo de pacientes, en la electrónica en programadores de memorias EEPROM y microcontroladores. En procesos de control industrial donde la adquisición y el procesamiento de datos son fundamentales para optimizar recursos y la inclusión del USB ha permitido utilizar sistemas cada vez más portátiles y de fácil manejo.
Otra de las funcionalidades que le dan al USB una ventaja sobre sus predecesores es la capacidad de conectar a través del puerto memorias portátiles, que permiten al usuario tener su información en un medio más confiable, de menor tamaño y en la actualidad, de mayor capacidad que un CD ó un DVD, además con la ayuda de aplicaciones diseñadas para Windows XP ó la aplicación que tienen Windows Vista y Windows 7, expandir la memoria RAM (Memoria de acceso aleatorio ó de trabajo) de la computadora, mejorando su desempeño.
3
Planteamiento del Problema
En la actualidad el estándar USB se ha convertido en el referente de comunicación entre la computadora y sus periféricos, sin embargo, la complejidad inherente al protocolo y la falta de información fiable en el idioma español, ocasiona que la mayoría de los proyectos a nivel licenciatura que utilizan una comunicación con la PC (computadora personal) continúen empleando el estándar serial para realizar dicha comunicación.
Las interfaces desarrolladas por empresas como Microchip son una buena ayuda para las personas que comienzan con el desarrollo de aplicaciones con este estándar, sin embargo, la falta de accesibilidad al código que utiliza para la comunicación con el microcontrolador, limitan al desarrollador y normalmente para poder realizar una aplicación diferente, tiene que valerse de sus conocimientos de programación de alto y bajo nivel y de los manuales de las librerías dinámicas proporcionados por Microchip.
La mayoría de la documentación existente se encuentra en el idioma inglés, el cual aunque se está convirtiendo en algo necesario para la vida actual, es una limitante para muchos desarrolladores.
Existe también escasez de circuitos que presenten de manera amplia las funcionalidades del USB y los existentes con fines didácticos son, en ocasiones, muy simples y no muestran aplicaciones reales de la interfaz USB. Lo que ocasiona que la comunicación USB sea evitada debido a que faltan las bases necesarias para realizar proyectos que requieran de esta interfaz y por lo tanto, la mayoría de los desarrollos se enfocan a protocolos de tipo serial.
Para establecer la comunicación USB se utiliza normalmente un microcontrolador. Existe una gran variedad de microcontroladores que establecen la comunicación USB pero pocos son los disponibles aquí en México y sus características son poco conocidas.
El problema que presenta la comunicación USB para el desarrollador es la complejidad de la especificación y que la documentación necesaria para establecer las bases de dicha comunicación es escasa y compleja, además de la dificultad de utilizar microcontroladores poco conocidos para establecer la comunicación.
5
Justificación
Uno de los motivos que originó el desarrollo del USB fue la poca cantidad de puertos con los que se disponía en ese momento; para añadir un puerto serial ó paralelo a la computadora era necesario agregar una tarjeta. Con el USB se pueden conectar hasta 127 dispositivos simultáneamente, los cuales pueden ser conectados y desconectados sin necesidad de reiniciar el sistema, es decir son “Hot Swappable”, (se pueden conectar con el equipo encendido) y en el momento en que es conectado se reserva una dirección para él y cuando es desconectado el puerto queda disponible para cualquier otro dispositivo.
Además en algunos casos (Reproductores de música, Discos Duros, Memorias Flash) no es necesaria una fuente de alimentación externa para el dispositivo ya que está prevista su alimentación por el mismo puerto, la cual está limitada por la corriente que éste soporta.
Debido a las ventajas del USB y a la cantidad de dispositivos que lo utilizan, las computadoras en la actualidad cuentan con por lo menos uno de estos puertos en su hardware.
El USB es un protocolo que se mantiene en constante evolución debido a que se debe mantener al mismo nivel que sus competidores, los desarrolladores han añadido capacidades como la comunicación inalámbrica (Wireless USB), mayor velocidad (USB 3.0) y una característica que se encuentra en pleno desarrollo, y se puede encontrar en varios dispositivos, el
“USB On The Go”. Esta última característica permite que dos dispositivos puedan interactuar sin necesidad de que exista una computadora como intermediario, por ejemplo a una impresora se le puede conectar directamente la memoria USB que contenga las fotografías que se quieren imprimir y al presionar el botón imprimir, comienza inmediatamente la impresión de las fotografías que se encuentran en la memoria. Otro ejemplo son los reproductores de DVD actuales que ya cuentan con un puerto USB para reproducir archivos de video a través del dispositivo, aumentando las posibilidades para el usuario. Dichos cambios en la especificación nos muestran la importancia que tendrá el conocer el protocolo ya que con capacidades como
“USB On The Go” es posible que casi cualquier dispositivo cuente con un puerto USB en un futuro.
El protocolo USB se ha mantenido a la cabeza de los estándares de comunicación en los últimos años y hasta el momento no se ve un reemplazo visible que pueda dejar esta tecnología obsoleta en poco tiempo. Como se ha visto los dispositivos son muy variados tanto en su forma como en su funcionalidad y el desarrollo se puede ampliar a muchas más áreas del conocimiento si se tienen las bases necesarias de cómo funciona este protocolo y sus características principales.
7
Propuesta de solución
Se propone una interfaz basada en un microcontrolador que posea un módulo de comunicación USB para comunicarse con la PC, con una interfaz gráfica amigable y con código accesible para que pueda ser adaptada y/ó modificada por el desarrollador de acuerdo a las características de la aplicación.
Se propone utilizar un microcontrolador que se consiga con relativa facilidad en México y que además existan herramientas de desarrollo de fácil adquisición y manejo.
La interconexión propuesta será por medio del estándar USB 2.0, el cual se encuentra en la mayoría de los equipos actuales, permitiendo la conexión a cualquier PC ó computadora portátil que cuente con al menos un puerto de este tipo, además de permitir la movilidad; lo cual es útil en todo lugar.
De igual manera será posible realizar otro tipo de aplicaciones utilizando la misma interfaz, ya que las conexiones de las entradas y salidas del microcontrolador se dejaran abiertas para que se puedan conectar los dispositivos ó introducir señales que se utilicen para el sistema a realizar.
Se desarrollarán algunos circuitos con la interfaz, en los cuales se ilustre el manejo de las entradas que recibirá el microcontrolador a través del USB y las salidas que enviará el microcontrolador a la computadora, de igual forma se realizará un circuito para monitorear la trama de bits que está transmitiendo y recibiendo el puerto USB, ilustrando de mejor manera el funcionamiento del protocolo.
9
Objetivo General
Diseñar y construir una interfaz de propósito general vía USB, compuesta de circuitos con microcontrolador (hardware) y los programas para controlarla (software), estableciendo los elementos necesarios para diseñar y comunicar diferentes dispositivos con una computadora por medio del USB.
Objetivos Específicos
- Diseñar la interfaz vía USB, en hardware y software.
- Diseñar y construir el hardware de la interfaz.
- Diseñar y construir circuitos de prueba de la interfaz para el modo de recepción.
- Diseñar y Construir circuitos de prueba de la interfaz para el modo de Transmisión.
- Diseñar y construir un circuito para monitorear la transmisión de la información.
- Desarrollar el software necesario para controlar cada circuito en la computadora.
Capítulo 1
Estado del Arte
“Uno de los obstáculos a los que se enfrentan muchas personas que comienzan a usar las computadoras es la necesidad de escribir en un teclado. Si se pudiera hablar
directamente con la computadora, las cosas serian ciertamente más sencillas”
(Sanders Donald, Informática presente y futuro, 1990)
12 Dentro de un proceso de cómputo las personas necesitan información del sistema para apoyar sus decisiones y sus acciones. El primer paso del procesamiento que se sigue para producir esta información es capturar los datos de entrada requeridos. Para lograr obtener estos datos la computadora necesita una manera para interactuar con su medio, para ello se utilizan los periféricos de entrada. De igual forma el usuario necesita visualizar los resultados del procesamiento de la información de manera física para lo cual se utilizan los periféricos de salida. Los periféricos necesitan una forma para comunicarse con el procesador de la computadora, es ahí donde entran en juego los puertos ó interfaces que transfieran los datos.
Existen diversas formas para realizar la comunicación entre los periféricos y la computadora, estándares como el bus ISA, EISA, PCI, RS-232, IEEE-1284, FIREWIRE y USB.
Los principales medios de comunicación son el puerto paralelo y el serial, el primero es más eficaz pero tiene la desventaja de un mayor costo de implementación ya que se requiere una línea por cada dato que se quiera enviar, y el segundo es muy lento ya que se envía dato por dato hasta completar la comunicación.
Estos estándares de comunicación, RS-232 e IEEE-1284, eran los dominantes, estos protocolos son lentos en comparación con el estándar USB que se ha vuelto el referente en cuanto a la comunicación de la computadora personal con los dispositivos que utiliza. La tendencia actual es la desaparición paulatina de los protocolos de comunicación serial y paralelo, predominando el USB, el cual es utilizado por la mayoría de los equipos de computo (Macintosh1, IBM PC2).
La comprensión total de la especificación requiere documentos que son muy extensos y en la mayoría de las ocasiones en un idioma distinto al español (inglés). Libros como el “USB Complete” y el “USB Design by example” son una excelente referencia, para quien quiere entender este protocolo.
1.1. Interfaces de comunicación con la computadora personal
Cuando IBM creó la computadora personal, estableció las características de la mayoría de los componentes que tendrían por muchos años las computadoras personales (PC) y que aun en la actualidad siguen siendo utilizadas sobre todo los puertos de expansión y comunicación ISA (Industry Standard Architecture). Desde los inicios de la PC el fabricante que ha dominado y establecido las características que deben de tener los dispositivos
1 Marca registrada de Apple Computer. Competidor directo de la IBM PC.
2 IBM International Business Machine. Empresa desarrolladora de los equipos de cómputo personales. (Personal Computer, PC en adelante.)
13 de hardware es Intel, ya que fueron ellos los creadores del sistema PCI (Peripheral Component Interconnect), el cual fue el predominante en la industria.
En sus comienzos la computadora personal de IBM utilizó una arquitectura de 8 bits con un puerto de expansión ISA de ocho bits, al evolucionar la tecnología se cambio a un procesador de dieciséis bits. “Los sistemas de dieciséis bits se dice que son de clase AT lo que indica que siguen ciertos estándares. AT es el nombre que le dio IBM a los sistemas que incluyeron procesadores y puertos de expansión más avanzados (de dieciséis bits, 32 bits y posteriormente 64 bits). Dichos sistemas necesitan ser compatibles con controladores Intel 286 ó superiores y un bus de sistema de dieciséis bits ó superior. El bus de sistema es un aspecto central del diseño de los sistemas AT junto con la arquitectura básica de memoria, las líneas de interrupción (IRQ’s) y canales de acceso directo a memoria DMA (Memoria de Acceso Directo)3. Esta arquitectura permitió el desarrollo de distintas interfaces distintas al puerto ISA que pertenecía a IBM, tales como el PCI, AGP (puerto de gráficos avanzado) ó PS/2 (Arquitectura de micro canal).
La instalación de periféricos representaba un problema para los dueños de una PC ya que era necesario asignar los escasos recursos disponibles para una gran cantidad de dispositivos que surgían para conectarse.
Desde que inició la PC hasta la actualidad existe un microcontrolador localizado en la Motherboard4, que se conoce como “Super I/O Chip”5, en el cual se integran los dispositivos que se encuentren en las tarjetas de expansión.
Estos chips tienen básicamente tres controladores; el controlador de disco (floppy controller), el controlador de puerto serial y el controlador de puerto paralelo. El uso de estos buses de comunicación se encuentra en decadencia ya que el uso del bus de datos PCI y del puerto USB (Universal Serial Bus) permite mayores velocidades de transmisión y una mayor cantidad de componentes instalados.
3 Mueller Scott. “Upgrading and Repairing PC’s”, Edición e-book, QUE Corporation. USA 1999.
p.28
4Tarjeta madre en adelante. Parte fundamental de una computadora personal que contiene a los diferentes elementos que la conforman.
5 Mueller Scott. “Upgrading and Repairing PC’s”, Edición e-book, QUE Corporation. USA 1999.
p.28
14 1.1.1. Bus ISA
El bus ISA (Industry Standard Architecture) es empleado desde la aparición de las primeras computadoras personales, aunque en un inicio eran de ocho bits y 5 MHz, sus capacidades fueron posteriormente ampliadas a 16 bits en las IBM PC AT, cuentan con una velocidad de 8 MHz, por lo que son lentos y adecuados solamente para dispositivos que no requieren de grandes velocidades de transferencia. “Aunque parezca anticuado este bus es la base de las computadoras personales modernas”6.
1.1.2. Bus MCA
Cuando los procesadores mejoraron a una arquitectura de 32 bits el puerto ISA de 16 bits se volvió inutilizable, lo cual supuso un problema para IBM, el cual tuvo que decidirse entre expandir el puerto una vez más ó crear un nuevo puerto.
El resultado fue el bus MCA (Micro Channel Arquitecture ó Arquitectura de Micro Canal) el cual es completamente distinto al bus ISA. El bus MCA opera asíncronamente con el procesador, lo cual evita problemas de sincronismo entre los dispositivos y el procesador. Aunque era un avance respecto a los buses anteriores, la falta de compatibilidad con los dispositivos con bus ISA y al naciente EISA limitó el avance del bus MCA y obligó a IBM a detener su desarrollo.
1.1.3. Bus EISA
Este bus, llamado así por Enhanced Industry Standard Architecture, es la repuesta de los fabricantes de tarjetas de expansión al MCA de IBM y una estrategia para alejarse de la arquitectura empleada por IBM y evitar pagar regalías por el uso del bus ISA7.
En un principio este bus fue desarrollado por COMPAQ, pero posteriormente se formó un comité de estandarización para controlar su desarrollo. Era un sistema de 32 bits y fue desarrollado especialmente para los sistemas 386 ó superiores pero mantenía su compatibilidad con el ISA, aunque incrementaba bastante su capacidad ya que contaba con 90 conexiones nuevas, por lo que podía manejar 55 señales extra sin incrementar el tamaño del bus ISA y además una velocidad de transmisión de 33 MB/s.
Otra ventaja del EISA es la asignación automática de interrupciones y direcciones con lo cual se podían identificar conflictos entre los diferentes dispositivos configurando el sistema para evitarlos. Otra característica
6 Idem p 283
7 Idem p286
15 importante es el hecho de compartir IRQ’s permitiendo que varias tarjetas EISA compartan una sola interrupción.
1.1.4. Bus PCI
El bus PCI (Peripheral Component Interconnect) es el bus de datos que se encuentra actualmente en la gran mayoría de las computadoras, apareció para las computadoras 486 y Pentium, en el año de 1992 permitiendo una transmisión de datos de 33 MHz además de ser un bus de 32 bits logrando, con esta combinación, una velocidad de transmisión de 132 MBits/s8. En este bus se conectan tarjetas de alta velocidad de transmisión de datos, como pueden ser tarjetas de Video, de red, así como dispositivos IDE (Discos Duros y controladoras de CD-DVD) y las tarjetas con concentradores USB.
Actualmente existen buses PCI de 64 bits y más de 66 MHz de velocidad. Este tipo de bus soporta la autoconfiguración por software conocida como “Plug and Play”9, es decir el sistema operativo detecta y configura automáticamente la tarjeta instalada.
1.1.5. Puerto serial (Protocolo RS-232, Serial y puertos COM)
La interfaz de comunicación asíncrona serial fue en un principio concebida como una interfaz de comunicación entre equipos, posteriormente su uso se diversificó hacia varios periféricos tales como módems plotters impresoras entre otros. Este tipo de interfaz permite la transferencia de datos entre dispositivos que de otra forma serian incompatibles. Por ende su uso extendido.
Entre los dispositivos que se pueden conectar a este puerto se encuentran módems, plotters, otras computadoras y lectores de código de barras entre otros. La longitud máxima del cable recomendada es de 15.24 m con una capacitancia de 2500 pF.
1.1.6. Puerto paralelo
El puerto paralelo es utilizado normalmente para conectar impresoras a la PC. Aunque desde un principio fue esa su intención, el puerto paralelo ha tenido una mayor cantidad de usos debido a que posee una mayor velocidad de transmisión de datos. Originalmente eran de una sola dirección y actualmente se pueden enviar y recibir datos por ellos.
Reciben el nombre de paralelo debido a que utilizan ocho líneas de transmisión simultáneamente, lo cual lo hace más rápido que un puerto serie ya
8 Idem p 276
9 Característica que permite la autoconfiguración de los dispositivos conectados al PC cuando es encendido.
16 que los programas pueden transmitir varios bits simultáneamente, en contra de uno solo por vez como en el puerto serie.
Uno de los inconvenientes de este tipo de interfaz es que se requiere de una línea de transmisión por cada bit que se va a transmitir, lo cual lo hace más costosa que la transmisión serie, además de necesitar amplificación de la señal cuando se desea cubrir una mayor distancia para que no ocurran errores y pérdida de información.
1.1.7. FIREWIRE
Es una tecnología de bus relativamente nueva. Es el resultado de la demanda de transmisión de datos de audio y video a alta velocidad, es extremadamente rápido con velocidades de hasta 400 Mbits/s, con dispositivos más rápidos desarrollándose en este momento. Este bus salió a la luz con el nombre oficial IEEE-1394 en 1995. Dicho estándar tiene en la actualidad cuatro velocidades de operación: 100, 200 y 400 Mbits/s y existen versiones de gigabytes por segundo en desarrollo10.
En la actualidad la mayoría de las tarjetas soportan una velocidad de 200 Mbits/s, aunque la mayoría de los dispositivos trabajan a 100 Mbits/s. Se le ve como el principal competidor de USB, ya que ofrece mejores características pero su precio elevado es una limitante.
Existen una gran variedad de puertos con los cuales los dispositivos se comunican con el Chip maestro ó CPU de la computadora, pero la mayoría de estas interfaces están quedando en desuso y siendo reemplazadas por la interfaz USB.
10 Mueller Scott. “Upgrading and Repairing PC’s”, edición e-book, QUE Corporation. USA 1999.
p.896
17
1.2. USB. La evolución de una interfaz
La razón principal por la cual no se crean nuevas interfaces muy seguido es porque los usuarios se niegan a abandonar los periféricos desarrollados para esta interfaz. Además, el uso de un diseño existente evita el tiempo y el costo de diseñar una nueva interfaz11.
Es por esta razón que los diseñadores de la IBM PC original, eligieron la compatibilidad con los puertos Centronics y el RS-232 para acelerar el proceso de diseño y permitir a los usuarios conectar impresoras y módems existentes en el mercado.
Un cambio en los esquemas se justifica cuando el deseo de mejorar es aun mayor a la inconveniencia y el costo del cambio. Las deficiencias del puerto paralelo y del serial se hicieron cada vez más notorias lo cual aceleró el desarrollo del USB.
1.2.1. El USB original
Como resultado de un intento de dotar al PC de un bus de alta velocidad que ofreciera las características ideales Plug and Play de universalidad;
facilidad de conexión y desconexión, incluso en caliente ("Hot Swappable") y sobre todo, que consumiera pocos recursos, Intel y otros líderes de la industria diseñaron el Bus Universal Serie más comúnmente conocido por su acrónimo inglés USB ("Universal Serial Bus"). Que es un bus serie diseñado como una extensión en la arquitectura estándar del PC y orientado principalmente en la integración de periféricos, que aparecen como un solo puerto en lo que se refiere a utilización de recursos.
La versión 1.0 del USB fue publicada en enero de 1996. La versión 1.1 sucesora de la original fue publicada en septiembre de 1998.
El USB 1.1 Manejaba dos velocidades; velocidad baja (Low Speed) 100 kilobytes por segundo, y la velocidad total (Full Speed) 12 Mbits/s, ambas velocidades son muy superiores a los 9600 bytes por segundo que manejaban sus predecesores.
Las primeras computadoras que tenían capacidad para manejar USB fueron las que tenían el sistema operativo Windows 95 OEM Service Release 2, disponible solamente para desarrolladores que tuvieran Windows 95 instalado de fábrica. El soporte de USB en esas versiones era limitado y con errores, y no
11 Axelson Jan. “USB Complete”, edición e-book pdf, Estados Unidos de Norteamérica, 1999, ISBN13 978-1- 931448-03, 594 p.13
18 había muchos periféricos disponibles por lo tanto el uso de USB era limitado en ese momento.12
Todos los errores disminuyeron con la aparición de Windows 98 el cual contó con una mayor compatibilidad para dispositivos USB y al hecho de que los productores comenzaron a introducir cada vez más productos con una interfaz USB, lo cual dio pauta a un mayor desarrollo de la interfaz evolucionando al USB 2.0.
1.2.2. USB 2.0
El USB 1.1 era un bus rápido en comparación con las interfaces serial y paralelo, pero aun así tenia limitantes para el manejo de volúmenes de información altos, provenientes de cámaras y otros dispositivos. Mientras el USB fue ganando popularidad se hizo evidente que una velocidad más alta de transferencia sería útil. Las investigaciones demostraron que una velocidad catorce veces mayor podría mantener una compatibilidad con los buses anteriores13, permitiéndole al usuario utilizar sus antiguos periféricos y poder conectar los nuevos que se desarrollaran para esta interfaz.
La versión USB 2.0 soporta una velocidad de 480 Mbits/s, en comparación con los 12 Mbits/s que soportaba a toda su velocidad el USB 1.1.
La especificación14 de la interfaz USB 2.0 nos indica las siguientes ventajas que tiene este puerto:
¾ Fácil de usar para el usuario final.
¾ Amplio rango de desarrollos y aplicaciones.
¾ Para dispositivos con velocidades de unos cuantos Kilobytes por segundo hasta dispositivos que funcionan a cientos de Mbits/s.
¾ Soporta hasta 127 dispositivos conectados al mismo puerto.
¾ Flexibilidad.
¾ Soporta gran variedad de tamaño de paquetes de información.
¾ Es robusto.
¾ El manejo de errores y la recuperación en caso de fallas están contenidas dentro del protocolo.
¾ La inserción y sustracción dinámica de los dispositivos es identificada en tiempo real.
12 Idem p.14
13 Idem p.15
14 Especificación 2.0 del USB
19
¾ Comunión con la industria de las PC.
¾ Para la industria de las computadoras personales el protocolo es simple de implementar e integrar.
¾ Consistente con la arquitectura Plug and Play.
¾ Utiliza interfaces existentes dentro de los sistemas operativos.
¾ Implementación de bajo costo.
Como se puede observar el USB tiene varias ventajas respecto a sus predecesores como la posibilidad del cambio de dispositivo sin reiniciar el sistema y la detección de dispositivos defectuosos dentro del protocolo.
Este protocolo aún sigue en expansión por lo cual han surgido nuevas variantes a este estándar.
1.2.3. USB On The Go®
USB 2.0 se ha convertido en la interfaz preferida para todo tipo de periféricos, una variante de esta especificación es el USB On The Go® el cual permite conectar dos dispositivos USB directamente, sin la necesidad de utilizar la computadora como intermediario, por ejemplo conectar dos memorias USB directamente para transferir la información. La especificación On The Go es un suplemento de la especificación 2.0 y define ciertas capacidades de servidor que los periféricos pueden tener para poder comunicarse con otros dispositivos15.
Además de On The Go existe la posibilidad de desarrollar la comunicación vía USB de manera inalámbrica.
1.2.4. Wireless16 USB
Una mejora en desarrollo para el estándar USB es el USB Wireless para permitir la comunicación inalámbrica con dispositivos con una velocidad de hasta 480 Mbits/s. La especificación está disponible desde 2005 pero hasta el momento no existe un mayor desarrollo al respecto.
1.2.5. USB 3.017 ó Superspeed USB
Durante la elaboración de esta tesis se publicó la especificación 3.0 del protocolo de comunicación USB que introduce entre otros cambios una mayor velocidad de transferencia (5 Gbits/s). Esta actualización se encuentra en muy
15 Idem p. 16
16 Wireless: del Ingles “sin cables”
17 Especificación USB 3.0
20 pocos equipos actualmente y por lo tanto su desarrollo no es muy extenso a comparación con el estándar 2.0. Sin embargo, una de las características importantes con las cuales se diseñó el USB se conserva que es la compatibilidad con el estándar anterior en este caso el 2.0.
1.3. USB contra sus competidores
En la actualidad solo existe un competidor firme para el protocolo USB, pero parece complicado que este estándar pueda quitarle terreno al protocolo USB que es muy conocido entre los que manejan una computadora, una cámara etc.
El competidor es el puerto FIREWIRE ó IEEE-1394 implementado por Apple, mencionado en el apartado 1.1 y que lleva un proceso de desarrollo análogo al USB. Aunque existe en casi todas las computadoras modernas no es muy común encontrar dispositivos que empleen este protocolo.
1.3.1. USB contra FIREWIRE18
Otra interfaz popular para algunos dispositivos es la IEEE-1394 ó también llamada FIREWIRE que es la aplicación de Apple a dicho estándar.
Normalmente FIREWIRE puede ser más rápido y flexible que USB pero es más costoso de implementar. Con USB un solo servidor controla la comunicación con varios dispositivos, el servidor maneja las operaciones más complejas, para que la electrónica de los dispositivos sea la más simple y menos costosa posible. Los dispositivos IEEE-1394 pueden comunicarse con otros directamente y una sola transmisión puede ser redirigida a varios receptores. El resultado es una interfaz más flexible, pero la electrónica de estos dispositivos es más compleja19.
IEEE-1394 es mejor para aplicaciones que requieran comunicaciones extremadamente rápidas ó transmisión a receptores múltiples. USB es mejor para periféricos comunes como teclados, impresoras y scanner, así como aplicaciones de velocidad baja a moderada con bajo costo.
18 Comparación realizada sin tomar en cuenta el desarrollo actual USB 3.0
19 Idem p. 16
21 1.3.2. Comparativa entre distintas interfaces
A continuación la tabla 1.1 muestra una comparativa entre las distintas interfaces que aun se encuentran en la actualidad en algunos equipos.
Interfaz. Número Máximo de dispositivos.
Distancia Máxima.
(Pies).
Máxima Velocidad
(bits/s). Aplicaciones Típicas.
USB. 127 16 (96 con 5
HUB´s). 1.5 M,12 M,480 M
Mouse, teclado, reproductores de audio,
impresoras…
FIREWIRE. 64 300 3.2 G Video, almacenamiento
masivo.
Paralelo. 2 10-30 8 M Impresoras, escáneres.
Serie. 2 50-100 20 K Modem, mouse,
instrumentación.
Tabla 1.1. Comparativa entre los diferentes tipos de buses de datos existentes.20
Como se observa el USB tiene como principales ventajas la velocidad de transmisión, el máximo número de dispositivos y los distintos usos que se le pueden dar. Se observa que el USB más lento es mucho más rápido que el puerto serie y el USB 1.1 es más rápido que el puerto paralelo. El puerto FIREWIRE es más rápido pero su desarrollo hasta el momento es limitado.
En resumen desde su creación la PC ha necesitado los distintos puertos y buses para comunicar la información generada en el procesador de un punto a otro. En la PC original de IBM la forma de comunicación era el bus ISA que actualmente puede parecer lento y obsoleto, pero sigue siendo la base de algunos equipos de cómputo actuales a pesar del impulso de Microsoft e Intel para abandonar esta forma de comunicación. El avance más significativo se dio con la introducción del bus PCI el cual es el bus de datos que predomina en la actualidad. Al bus PCI se pueden conectar distintas tarjetas de expansión y otros tipos de interfaces entre las que se encuentran el serial, paralelo y USB.
Serial y Paralelo fueron los primeros puertos de entrada y salida que permitieron conectar una gran variedad de dispositivos a la computadora, sin embargo la cantidad de dispositivos conectados simultáneamente era limitada, además de que se hacía necesario reiniciar el equipo una vez conectado e instalado el dispositivo. Este problema fue resuelto con USB el cual incorporó
20 Idem
22 todas las características de Plug and Play, además de ser de mayor velocidad que los dos puertos antes citados.
Se ha dicho que todas estas interfaces transmiten información a la computadora, pero no se ha definido que es realmente la información, además no se ha ahondado sobre las formas que un periférico tiene para transmitir información, términos como transmisión y codificación serán necesarios posteriormente para entender mejor la forma en cómo funcionan las señales dentro del USB y como es que se transmiten.
Capítulo 2
Teoría de la información
“El problema fundamental de la comunicación es el reproducir en un punto
cualquiera exactamente ó aproximadamente un mensaje originado en otro punto.”
(Claude E. Shannon, 1948)
24 La Teoría de la Información es una teoría matemática creada por Claude E. Shannon en 1948 y es la base sobre la que se ha desarrollado toda la teoría actual de la comunicación y la codificación. Esta teoría establece los límites acerca de cuánto se puede comprimir la información y de cuál es la máxima velocidad a la que se puede transmitir información. La Teoría de la Información es una teoría de límites alcanzables: máxima compresión de datos y máxima tasa de transmisión de información transmitida sin errores21.
2.1. Información
La información es un conjunto de datos que nos permiten aclarar algo sobre aquello que nos es desconocido. No todos los datos proporcionan la misma cantidad de información, datos que confirmen hechos ó situaciones que son conocidas con anterioridad no proporcionan información, para que exista información deben existir datos que indiquen situaciones cuya ocurrencia sea menos probable. Se puede enunciar que un conjunto de datos contendrá mayor cantidad de información cuanto menor sea la probabilidad de su ocurrencia.
Un sistema de comunicación puede ser representado como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1. Sistema básico de comunicación
Los mensajes que se pueden seleccionar para ser enviados por un transmisor se encuentran en la fuente de información. El transmisor convierte (codifica) el mensaje en una señal que será enviada por un canal de comunicación hasta llegar al receptor, que se encargará de convertirla nuevamente en un mensaje que recibirá el destinatario.
21The Bell System Technical Journal, Vol. 27, Pp. 379–423, 623–656, Julio, Octubre, 1948.
25
2.2. Orígenes de la Teoría de la Información
2.2.1. Estudios de Hartley
En 1928 Hartley especula con la idea de que el contenido de información debería depender directamente del logaritmo de la probabilidad del mensaje correspondiente. Sin embargo esos intentos para definir la información en términos probabilísticos eran extraños, ya que en la vida ordinaria, no es la incertidumbre sino la certeza en el conocimiento de determinada materia lo que se asocia con la información (ó al menos así parece ser)22.
2.2.2. Aportes de Nyquist
En 1924 Nyquist publica un artículo en el que se demuestra que una señal continua en el tiempo y confinada en una banda puede describirse unívocamente de forma discreta temporalmente si la frecuencia de muestreo es el doble de su ancho de banda23.
2.2.3. Teoría matemática de las comunicaciones de Claude E. Shannon Dado un conjunto de posibles mensajes que una fuente puede producir, no de nuestra elección, ¿cómo representar de la mejor forma el mensaje para llevar la información a través de un sistema dado con sus limitaciones físicas inherentes? La búsqueda de respuestas a esta pregunta le llevo a consolidar su teoría matemática de las comunicaciones con plena validez hoy.
2.3. Transmisión de datos
La transmisión de datos es el movimiento de información que ha sido ó va a ser procesada sobre algún medio físico mediante señales eléctricas, ópticas ó electromagnéticas. También se define como "la acción de cursar datos a través de un medio de telecomunicación desde el lugar en que son originados a otro en que son recibidos"24.
2.3.1. Señales
Una señal puede ser la variación de una corriente eléctrica u otra magnitud física que se utiliza para transmitir información. Por ejemplo, en telefonía existen diferentes señales, que consisten en un tono continuo ó
22 TECNOVA, Ingenieros consultores. “Elogio a Claude Shannon” en Magazine de Información Independiente sobre Nueva Economía y Mercados de las Tecnologías de la Información.http://www.tecnova.es/ti/historias05.htm. 2006
23 Idem.
24 Idem.
26 intermitente, en una frecuencia característica, que permite conocer al usuario en qué situación se encuentra la llamada.
Cuando se realiza una transmisión por un cable, por ejemplo un RS-232 hasta el módem, lo que se está realizando es una transmisión de impulsos eléctricos que se denominan señales.
Señal es una función del tiempo que representa una variable física de interés asociada con un sistema.
2.3.1.1. Tipos de señales
Los distintos tipos de señales se identifican en función del modelo que se emplea para estudiarlas.
Señal continua
Es aquella en la que su intensidad varía suavemente con el tiempo, es decir, no presenta discontinuidades25.
Matemáticamente s t es continua si lim s t s a para cualquier valor de a.
Ejemplo de señales continuas pueden ser la voz, las imágenes de TV, etc. Un tipo especial de señal continua son las señales periódicas.
Señal discreta
Es aquella en la que su intensidad se mantiene constante durante un determinado intervalo de tiempo, tras el cual la señal cambia a otro valor constante, es decir, presenta discontinuidades ó saltos en el tiempo. Un ejemplo es el caso de una onda cuadrada.26 La transmisión de datos binarios es un ejemplo de señal discreta.
Señal determinista
Señal que puede ser modelada completamente como una función del tiempo.
Señales aleatorias
Señales que toman un valor aleatorio en cualquier momento y deben ser modeladas estadísticamente.
Señales Cuantizadas
El valor de la señal puede asumir tan solo un número contable de valores ó niveles. No necesariamente una señal cuantizada ha ser discreta y viceversa.
25 Tutorial de redes. Transmisión de Datos. Nivel Físico. p 5.
26 Idem.
27 Señales reales
Una señal real es la que toma valores en conjunto de los números reales. Señales complejas
Una señal compleja es la que toma valores del conjunto de los números complejos. Se emplean los números complejos porque tienen una gran utilidad en la resolución de ecuaciones.
2.3.2. Medida de la información
La medición de la información se basa en la probabilidad, naturalmente esto se debe a que si se tiene una cantidad finita de posibles mensajes y se escoge uno de entre todos ellos, todos tienen la misma posibilidad de ser escogidos, matemáticamente podemos tratarlos con una función logarítmica27.
Algunos de los parámetros empleados tienden a variar de manera lineal con el logaritmo del total de posibilidades; es la medida más cercana al sentimiento intuitivo de las personas de realizar mediciones, esto es una persona intuye que dos cajas de la misma capacidad contienen más objetos que una sola; es matemáticamente más sencillo realizar los cálculos, ya que se simplifica la cantidad de cálculos a efectuar aunque las posibilidades se incrementen.
La elección de una base logarítmica de base N está basada en la elección de las unidades en que será medida la información. Para el caso de utilizar una base dos, tendremos dos posibilidades para cada dato, lo que se llaman dígitos binarios ó bits, un elemento que tiene dos posibles estados, puede almacenar un bit de información y N de estos dispositivos pueden almacenar entonces N bits de información, por lo que podemos decir que el total de posibles estados es 2N y log22N=N, lo cual aplica a mensajes libres que no están sujetos a reglas rigurosas.
Suele definirse la cantidad de información suministrada por un mensaje, en el momento de su recepción, por la expresión: I logPP donde I es la cuantia de la información, P es la probabilidad de que el mensaje estará completo después de recibido y P la probabilidad de que sea recibido antes de ser recibido. Cuando existe la certeza de que el mensaje será recibido, se dice que la transmisión fue sin ruido; P vale cero y entonces I logP .
27 TECNOVA, Ingenieros consultores. “Elogio a Claude Shannon” en Magazine de Información Independiente sobre Nueva Economía y Mercados de las Tecnologías de la Información.http://www.tecnova.es/ti/historias05.htm. 2006
28 2.3.3. Transmisión de la información
La transmisión de la información se verifica a través de los llamados códigos. Un código permite expresar la información de modo cómodo mediante un medio cualquiera de transmisión. Consta de un alfabeto y de un conjunto de normas fijas. Constituye, pues, un conjunto de reglas que permiten establecer una correspondencia entre dos sistemas de un mismo estado. Codificar una información es identificarla con los símbolos de un código particular. El sistema que permite transmitir las secuencias de símbolos de un código a una cierta velocidad es una vía de comunicación ó transmisión.
Se verifica que si la capacidad de información de un código supera la cantidad de información media por unidad de información, existe un método para transmitir la información, si lo supera entonces no existe forma de lograrlo.
Por ello es necesario establecer la velocidad media máxima a la que una información puede transmitirse por una vía.
Volviendo a la probabilidad se verifica que: P pN, donde Ni=npi, siendo pi la probabilidad de que aparezca el símbolo i: P p .
Si se tiene en cuenta que la cantidad de información dada por los Ni símbolos es
.
La información total dada por los n símbolos será: I ∑ p logp y la información media por símbolo será: I ∑ p logp , esta última expresión es muy semejante a la de la entropía de un sistema físico.
2.3.4. Entropía e información
Si en un acontecimiento cualquiera las cosas suceden de modo normal, en su orden habitual, no ocurre nada nuevo, y, por tanto, la información es nula ó casi nula. No así cuando el fenómeno se mueve en el desorden, cuando los hechos son inesperados, cuando la probabilidad de su verificación es pequeña.
A mayor sorpresa corresponde, pues, mayor información. La noción de información está ligada a la de entropía. A mayor información corresponde menor entropía.
Un sistema aporta tanto más información cuanto su configuración es menos probable.
Según Shannon: “Toda transmisión de información puede considerarse como un experimento aleatorio, donde los N, símbolos empleados, aparecen con probabilidades pi, tales que ∑p 1 y donde la entropía correspondiente a una realización viene dada por E ∑S p logp , medida en bits por símbolo.”
29 2.3.5. Tipos de transmisión
El intercambio de datos a través de una línea de transmisión se puede clasificar como Simplex, Half Dúplex ó Full Dúplex.
La transmisión Simplex consiste en la transmisión de las señales en una única dirección. En la transmisión Half Dúplex solo una de las dos estaciones de un enlace punto a punto puede transmitir simultáneamente. Equivale a un puente con un solo carril y con circulación en ambos sentidos. En la transmisión Full Dúplex, las dos estaciones pueden simultáneamente enviar y recibir datos.
Siguiendo el mismo ejemplo anterior, ahora el puente tendría 2 carriles, uno para cada sentido de circulación.
Para la señalización digital, en la que se requiere un medio guiado, la transmisión Full Dúplex normalmente exige dos caminos separados (por ejemplo, dos pares trenzados) mientras que la transmisión Half Dúplex necesita solamente uno.
2.4. Modos de transmisión
Dado que la transmisión digital consiste en una transmisión serie de bits, es necesario que los dispositivos transmisor y receptor funcionen de una forma ordenada, y así el receptor debe poder distinguir cada una de las partes del mensaje recibido. En general, la sincronización se consigue de 2 formas:
síncrona y asíncrona.
2.4.1. Transmisión asíncrona
Este tipo de transmisión consiste en que el tiempo de inicio de transmisión del grupo de bits es impredecible. Entre la transmisión de un grupo de bits y la siguiente transmisión no se transmite nada. En este caso siempre hay una forma de identificar el inicio y el final de la información útil mediante uno ó más bits adicionales. Es por ejemplo la comunicación entre el teclado y un computador.
La polaridad de los bits de inicio (start) y de fin (stop) debe ser diferente de forma que así siempre haya una transición. También en este tipo de transmisiones la eficiencia es menor porque se envían unos bits adicionales sin llevar información útil. Se emplea en transmisiones de baja velocidad.
2.4.2. Transmisión síncrona
En la transmisión síncrona las señales digitales se transmiten a una velocidad constante, de acuerdo con las señales de un reloj. La información transmitida contiene las señales del reloj, permitiendo así la sincronización del reloj del receptor con el reloj del emisor.
Aunque no haya datos a transmitir, siempre se está enviando como mínimo la señal de sincronización.
30 En una transmisión síncrona:
¾ La información transmitida se codifica para facilitar su sincronismo.
¾ Todas las tramas van precedidas de 1 ó más bytes ó caracteres con el fin de que el receptor interprete correctamente el inicio y fin de las tramas.
¾ El contenido de cada trama se encapsula entre un par de caracteres reservado ó bytes para que haya sincronización.
Por tanto tenemos unos bytes de sincronización entre tramas y unos bytes de inicio y fin de trama añadidos a la información útil de la trama.
2.4.3. Sincronización de bit ó de reloj
En la transmisión asíncrona, el reloj del receptor corre asíncronamente respecto a la señal de entrada. Pero con el fin de sincronizar el emisor y el receptor, el reloj del receptor funciona a una frecuencia varias veces la velocidad de transmisión, siendo habitual 16 veces. Así es más fácil conocer el centro de la señal del bit transmitido.
Así si V es la velocidad de transmisión, el tiempo de transmisión de 1 bit t vale
.
Si f es la frecuencia del reloj, como se ha dicho f N V y el tiempo de reloj t valdrá:
1
Cuanto más alto sea N, habrá mejor sincronización.
2.4.4. Sincronización de caracter
Se trata de enviar los caracteres secuencialmente y a su vez determinar cuál es el primer bit y el último que conforman el caracter, dado las distintas codificaciones existentes (ASCII, EBCDIC, etc.).
Este tipo de sincronización tiene que decidir cuándo empieza la información de un caracter y cuando termina. La situación de reposo es el estado 1, por ejemplo en la codificación NRZ-L28 es la tensión baja. El bit de inicio ó start siempre es 0, porque el estado de reposo es 1. En cuanto a la parada, siempre termina con 1 ó más bits 0 con el fin de provocar al menos un salto y poder re sincronizar el reloj.
28 Este tipo de codificación se verá en la página 33
31 La polaridad de los bits de start y stop deben ser opuestos. Con esta sincronización no todos los bits transmitidos son de datos propiamente dichos, por lo que debemos definir la eficiencia de transmisión Et como la relación entre el número de bits de información y el número de bits totales.
Et = nº bits de información / nº bits totales
En consecuencia, la velocidad efectiva de transmisión Vef vale:
Vef = Et * Vt
Por ejemplo si se transmite 1 caracter ASCII (8 bits), con 1 de start y 2 de parada, la eficiencia de transmisión Et vale:
Et = 8 / (1+8+2) = 8 / 11 = 72,7 %
Este esquema no es muy exigente en cuanto a los requisitos de temporización. Si se transmiten caracteres de 8 bits, incluido el bit de paridad, y el receptor es un 5% más rápido ó lento que el emisor, el octavo muestreo estará desplazado un 45% de velocidad que aún es aceptable.
Pero si la velocidad de transmisión es de 10000 b/s, el tiempo de bit es 0,1 ms. Si el receptor está de sincronizado un 6%, es decir, 6 ms por cada bit, el octavo bit lo leerá erróneamente. En realidad tenemos dos errores, uno que el último bit muestreado será incorrecto y dos que la cuenta de bits puede estar desalineada. A este error se le llama de delimitación de trama.
2.4.5. Sincronización de trama
En este caso se trata de determinar no solo el inicio y final de cada caracter sino también el inicio y final de cada trama, es decir, se necesita la sincronización de trama.
En estos lo habitual es encapsular los caracteres útiles entre 2 caracteres especiales, no imprimibles, llamados STX (Start-of-Text) que indica el inicio de la trama y ETX (End-of-Text) que indica el final de la trama. Estos caracteres también se conocen con el nombre de caracteres de control de la transmisión.
2.4.6. Sincronización de bit
En la transmisión síncrona, el reloj del receptor debe funcionar síncronamente con el reloj del emisor. En este caso, no se emplean bits de inicio ni de fin, que son propios de una transmisión síncrona. La sincronización se consigue de una de estas formas:
¾ El que la información del reloj esté incluida en la señal transmitida y que el receptor extraerá.
