Peripherie Gerät: das „BLE Herz“ (CH 14)

Bei der Konfiguration des Peripherie-Gerätes zeigen sich die Spezialfunktionen des BLE-Standards.

Die Funktionalität wird um die Batterie-Versorgung herum aufgebaut. Es gibt drei Arten, mit dem zentralen Gerät zu Kommunizieren:

  • broadcast senden (14.2)
  • vom zentral Gerät selbst detektiert werden (14.3): Being Discoverable
  • abgeschalten und bei Bedarf Vergbindung aufbauen (14.4): Being Connectable

    Nur bei der letzten Kommunikationsart besteht eine Geräte-Paarung. Im Voraus wird beim letzten Fall eine White List erstellt, damit nur zu den registrierten zentralen Geräten Daten gesendet werden.

    Optimizing for Low Power (14.8)
    Beste Advertizing Channel Intervall definieren
    – Beste Verbindungszeit definieren
    – Schnellste Attribut (=Daten)-Aufnahme einrichten

    Zur Analyse der Übergänge kann ein State Diagramm genommen werden. Gestartet wird im ausgeschaltenen Modus. (In diesem Zustand sollte sehr wenig Leistung verbraucht werden.)
    Wird das Peripherie-Geräte für BLE angestellt, geht es in den discoverable (14.3)-Zustand über. Das zentrale Gerät verbindet sich.

BLE Geräte Verbindung Introduction (Ch 13, 14)

Wie baut der RF Chip 18xx eine Verbindung zu einem BLE-Gerät auf ?
Informationen aus der iOS Developper Library

Glossar
– Der RF Chip (angebunden an einen Processor und an einen Sensor) gilt als Peripheral Device.  Die Daten werden von hier gesendet. Das Peripheral Device hat Serverfunktion.
– Das Tablet, das die Daten empfängt wird Central Device genannt. Es befindet sich im Client Modus.

BLE_Peripheral_CentralDevice

Kommunikation Peripheral Device (CH 14)
Hat das Periphier-Gerät Daten, sendet es broadcast advertizing packets. Meldet, dass es Daten gibt. Diese Kommunikation geschieht auf den 3 advertizing channels.
AdvertisingAndDiscovery_2x

Kommunikation des Central Device (Ch 13)
Das Tablet scanned auf allen advertizing channels und schaut, ob irgendwo interessante Daten liegen. Wenn ja, wird eine Verbindung aufgebaut. Es gibt 2 Scan-Zustände: passives oder aktives Scannen.  Im passiven hört das zentrale Gerät, ob irgend ein Peripherie-Gerät Daten zur Verfügung stellt. Im aktiven Modus ist das zentrale Gerät, nachdem es ein Gerät detektiert hat. Im aktiven Modus werden mehr Informationen angefordert.

Das periphere Gerät teilt der Zentrale den Namen des Geräts und eine Geräte-ID mit.

Datenstruktur Peripheral
Ein Peripheriegerät stellt eine Anzahl an Services zur Verfügung. Sobald eine Verbindung zum zentralen Gerät besteht, können Daten aus diesen Services übernommen werden.
Service: Daten (inkl. Verhaltensinformationen) zum Ausführen eines Befehls, eines Dienstes. Ein Service beinhaltet mehrere Characteristics (und teilweise auch andere Services).

Characteristics: Detailangaben vom Peripheriegerät.

ble_hierarchy_Service_Characteristics

Zentrales Gerät erhält Daten
Besteht eine Verbindung, kann das zentrale Gerät sowohl Daten lesen wie auch selbst Werte schreiben. Die Daten (Services) werden im Core Blootooth framework abgelegt und verarbeitet. Fast alle BLE Aktionen geschiehen in diesem Gerät.

 

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Bluetooth Low Energy: Introduction (Ch. 1, 2, 3)

Robin Heydon, Bluetooth Low Energy, The Developer’s HandBook (2013)

Kapitel 1: Was ist BLE?
Das Ziel von BLE ist, die energiearmste wireless Verbindung zu ermöglichen. BLE hat nur wenig mit Bluetooth classic zu tun. Anstelle immer höherer Datenraten, ist hier die kleinst notwendige Datenrate gefragt (R = 0.3 Mbps). f = 2.4 GHz
Bluetooth ab Version 4  kennt den Dual-Mode, in dem sowohl BLE wie auch Bluetooth benutz werden können.
Glossar: FrequenzHopping

Kapitel 2: Basic Concepts
– Gespiesen wird mit der kleinstmöglichen Battterie (Knopfbatterie), die 3 V /230 mAh. Spitzenstrom von 15 mA. Die Batterie hält länger, wenn keine Leistungen an ihrem Limit bezogen werden.

– Zeit = Energieverlust: Jede Abfrage ist auf das Minimum beschränkt. Sich wiederholende Abfragen (ID senden) sind zu minimieren. Jede Abfrage muss dafür so sicher wie möglich sein, denn für Wiederholung wäre eine Energieverschwendung. Aus diesem Grund sind nur 3 der 16 Frequenzen bei der Datenübermittlung parallel aktiv (1 oder 2 sind zu wenig sicher).

– Speichern der Daten = Energieverlust: Speicher sind Stromfresser.

Asynchrones Kommunikationskonzept: Es wird klar unterschieden zwischen der Energiefähigkeit unter den Geräten. Das energiearme Gerät behandelt auf allen OSI-Layern nur das Minimum. Die Arbeit übernimmt das Energiestärkere Gerät.
Physical Layer: Theoretisch kann ein Gerät Senden und Empfangen. Doch um zu Sparen, tätigen im asynchronen Konzept die energiearmen Geräte nur 1 Sache und nur 1 Gerät erledigt alle energiefordernden Prozesse.
Link Layer: Die Aufgaben advertize (Packete senden), scannen (Packete erhalten) in den Rollen master, slave (nur Instruktionen erhalten) werden strikt zugewiesen. Der master übernimmt das timing, wählt die Frequenzen, entschlüsselt die Daten und weitere komplexe Aufgaben.
Protocol Layer: Aufgeteilt in Server – Client. Der Client generiert die Daten und teilt dies per Request dem Server mit. Der Server macht,  ähnlich wie der Slave auf dem Link Layer, macht nur, was man ihm sagt. Der Client macht die Arbeit.

Zustandsgesteuert:  Jede Inhalt setzt einen Zustand im Attribut Protocol. Die aktuelle Temperatur, der Ladungszustand der Batterie,  der Name des Geräts oder die Beschreibung, wo die Temperatur erfasst wurde: alles wird einem Zustand zugewiesen. Der Vorteil davon ist, dass Slave sich zu jedem gewünschten Zeitpunkt ausklicken können.

Kapitel 3: Aufbau
Der Kontroller, der Host, der Applikations Layer und der Stack werden im Überblick vorgestellt und jedes dieser Komponten erhält nachher ein eigenes Kapitel.

BLE_architecture
– Der Kontroller:
Physical Layer: f = 2.4 GHz, Modulation: GFSK (Gaussian Frequenz Shift Keying = die Frequenzen werden gewechselt. Gauss wird als Filter gebraucht, da der Frequenzwechsel Störpulse generiert). Direct Test Mode: Direkter Paketversand zum Testen des Physical Layers. Link Layer: Tätigt fast alle Aufgaben: advertizing (Packete anbieten), scanning (Packete abholen), Auf- und Abbau sowie die Unterhaltung einer Verbingung. Packete richtig aufbauen.
Kommuniziert wird auf 3 advertizig channels: Wer ist da? Wer hat Daten? Eine Verbindung wird aufgebaut. Neben den 3 advertizing channels gibt es 37 data channels.  Auf einem davon werden die Daten gesendet (mit einem ACK).
Ein Standard-Packet ist minimum10 Bytes lang, das längste 47 Bytes.BLE_packet_structure

The Host/ControllerInterface (HCI): Stellt sicher, dass das BLE Gerät mit einem Host kommunizieren kann. Der Host sendet Befehlte, das BLE sendet vorwiegend Daten. Der HCI hat zwei getrennte Bereiche: einer beinhaltet die Anbindung zum Physical Layer und der andere die Anbindung zum Logica Link.
In der Andbingung zum Physical Layer ist die Kommunikationsart definiert. Erlaubt ist USB, SDIO und UART.

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Metastabilität bei Flip-Flop

Wechselt das Inputsignal eines Flip-Flops zur falschen Zeit, ist das Ausgangssignal unsicher. Im besten Fall nimmt der Ausgang dann einen selbst gewählten Wert an (Q ode Q), im schlechten Fall „hängt“ sich das Flip-Flop „auf“ und toggelt permanent zwischen Q und Q.

Kritische Zeit beim Eingang
t_setup:   so lange müssen Daten vor dem Clock da sein
.                  (3 bis 12 ns. Cyclone IV: 8 – 10 ns)
t_hold:     so lange müssen Daten nach dem Clock anliegen  (0 bis 1 ns)
.                  Diese Zeit muss grösser sein, als die Durchlaufverzögerung des FF.
t_pd:         Durchlaufverzögerung: Zeit der Daten, bis sie am Ausgang anliegen.
kritscheZeit_FF

 

Treffen neue Daten vor der minimalen Haltezeit ein, so ist unklar, was am Ausgang anliegt.

Ursache für das Nichteinhalten der t_su
Die Clk-Frequenz hängt vom längsten Verzögerungspfad ab. Ist der eingestellte CLK schneller, so  kommt bei mindestens einem FF die Daten zu spät an. Die t_su kann dort nicht eingehalten werden.

Warum ist (nur ein) FF  bereits ein Problem?
Weil das FF im schlimmsten Fall zu Toggeln beginnt. Dadurch erhalten alle nachfolgenden FF toggelnde Signale und die ganze Linie ist unbrauchbar.
Ein metastabiles FF zieht die anderen FF mit sich.

Artikel 1

Aubau einer Speicherzelle

Logik

Logik_FF

Ein FF besteht aus logischer Sicht aus zwei Invertern. Durch die zwei Inverter, erscheint der Eingangswert wieder am Ausgang. Der Wert wurde gespeichert. Tiefer betrachtet, ist die Basis eines FF ein Latch. Das Latch ist der Baustein, der durch Set-Reset am Ausgang ein Wert behält. Das Latch ist aber asynchron und deshal kein FF im engen Sinn. Das FF hat zusätzlich einen Clock. Dadurch werden erst (bei steigender Flanke) die Ausgänge gesetzt.

Hardware (mit Transistoren)

Hardware_FF

Pro Speicherzelle (FF) hat es zwei Bit-Lines. Eine ist die Inversion der anderen.
Auf der Bit-Line wird das aktuelle Bit gesetzt (siehe erstes Bild für Logik).
Die Word-Linien, ist die Verbindung einer Reihe von Speicherzellen.
Unterschied Transistoren <-> Kondensatoren als Speicherelement
FF können mit Transistoren (z.B. in SRAM, s = static = stabil) oder mit Kondensatoren (z.B. DRAM, d = dynamisch = instabil) aufgebaut sein. Die Transistoren behalten ihren Wert (Zustand ‚1‘ oder ‚0‘), sind sie einmal geschalten, was bei den Kondensatoren nicht gilt. Die Kondensatoren entladen sich (‚1‘ – > ‚0.7‘ -> ‚0.5‘), weshalb ihr Wert immer wieder neu gesetzt (refresh) werden muss.
Das Refrehen wird zeilenweise gemacht.
Bsp. Bei einem 16-Bit-Memory, wird in einem Refresh-Zyklus 16 FF neu gesetzt.

Gute Website zu detaillierteren Informatioenen zum digitalen Speichern („How RAM works“).

Git: wichtigste Befehle

Herunterladen

git fetch upstream

Herunterladen und zusammenführen mit local

git pull [origin master]  // fetch und merge


Dateien auf Github hochladen

git push [origin master]   // origin  bedeutet remote auf github
git push [ <ziel> <von wo>]

Unterscheidung remote/local
Github ist ein entferntes Verzeichnis auf dem Internet. Deshalb bezieht sich der Begriff remote auf Github. Steht nichts vor dem Branch-Name, so ist es local.

$git branch -a
*master     // local branch
develop     // local branch
remotes/origin/HEAD  -> origin/master
remotes/origin/master
remotes/origin/develop


Ordner umbenennen

git mv <old name> <new name>

 

Lokale Datei aus aktuellem Verzeichnis nehmen

Das Git-Verzeichnis befindet sich immer in einem Zustand. Dies ist eine spezifische Commit-Nummer. Will man eine Datei nicht mehr nachverfolgen, bedeutet dies, dass man die Datei aus diesem Arbeitsverzeichnis nimmt.

git remove <file>   Dieser Befehl ist das Gegenteil von

git add <file>

Git remove  bezieht sich nur auf das aktuelle Verzeichnis. Ist die Datei bereits eingechecked, so ist sie in alten Versionen noch da.

git_remove


Push auf Repository rückgängig machen

git log
git revert <beginn der aktuellen commit-nummer>

Der aktuelle Commit findet man mit git log. Danach kann man diesen commit mit revert rückgängig machen. Es besteht wieder der Zustand vor diesem commit.
git_log

Add  rückgängig machen

git reset HEAD <Verzeichnis>

Hat man lokal zuviel zum Committen getan, geht mit diesem Befehl die Datei zurück in untracked (und wird wieder rot).

Ordner aus Repository entfernen   (remote)

git rm -r --cached <directory>       
git commit -m "Ordner aus Github genommen" 
git push origin master

Hier wird der Ordner aus dem Repository genommen (dort gelöscht), aber lokal gelassen. Grund dafür ist die Zeile –cached.


Ordner aus Git entfernen (lokal und remote)

git rm -r <directory>
git status: deleted  <directory>
git add <directory>
git commit -m "löschen eines Ordners lokal und auf Github" 

Der Ordner existiert lokal nicht mehr. Soll er auch auf Github nicht mehr existieren, muss die Lösch-Meldung gepushed werden.


Alte Datei von Repository holen

git checkout <commit-nr> <pfad>/<file>

Achtung: Die Datei wird lokal genau nach Pfad abgelegt. Liegt dort eine aktuelle Datei, wird diese überschrieben. Man muss zuerst die akutelle Datei umbenennen.


Website mit wichtigsten Befehlen

Gleichzeitige Signalzuweisung

Artikel   Warum es Signale braucht

wert <=  next_wert

Die Signale existieren im Doppelback. Sie haben immer zwei Facetten.
Den alten Wert (wert) und den neuen (next).

Regel
– linke Seite wird am Ende des Prozesses zugewiesen
– rechte Seite wird sofort zugewiesen

Signale links erhalten den Wert am Ende des Prozesses.
Signale rechts sofort.

Signalzuweisung <= nennt man non-blocking

PC Bewertung

Prozessor
LenovoThinkPad Ines:               Core-i7, CPU, 620@2.0 GHz x 4
Core i7-620M,    2 x 2.6 GHz
Latop M30 Ines:                            Core-i5-4210U, 4 x 1.7 GHz

OS-Typ
LenovoThinkPad Ines:               64 Bit
Latop Ines:                                    64 Bit

Memory
LenovoThinkPad Ines:               4 GB DDR3-SRAM, @ 1 GHz
Latop Ines:                                    4 GB

Disk                                                aktuell:  keine SSD-Harddisk
Lenovo ThinkPad Ines:               320 GB ,    5400RPM
Latop M-30 Ines:                           500 GB,    5400 rpm, HDD

Graphics
LenovoThinkPad Ines:               Intel: Ironlake Mobile
Latop Ines:                                    HD Graphics 4400,   @1GHz

Anschlüsse
LenovoThinkPad Ines:               3 x USB 2.0, RJ45, VGA, Audio 2 x 3.5mm Klinke
Latop Ines:                                    3 x USB 3.0, RJ45, HDMI, Audio 1 x 3.5 Kllinke

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