Физический уровень сети

Кабельная сеть 1394 собирается по простым правилам — все устройства соединя­ются друг с другом кабелями по любой топологии (древовидной, цепочечной, звез­дообразной). Каждое «полноразмерное» устройство (узел сети) обычно имеет три равноправных соединительных разъема. Некоторые малогабаритные устройства могут иметь только один разъем, что ограничивает возможные варианты их мес­тоположения. Стандарт допускает и до 27 разъемов на одном устройстве, которое будет играть роль кабельного концентратора. Допускается множество вариантов подключения устройств, но со следующими ограничениями:

♦ между любой парой узлов может быть не более 16 кабельных сегментов;

♦ длина сегмента стандартного кабеля не должна превышать 4, 5 м;

♦ суммарная длина кабеля не должна превышать 72 м (применение более каче­ственного кабеля позволяет ослабить влияние этого ограничения);

♦ топология не должна иметь петель, хотя в последующих ревизиях предполага­
ется автоматическое исключение петель в «патологических» конфигурациях.

Стандартный кабель 1394 содержит 6-проводов, заключенных в общий экран, и имеет однотипные 6-контактные разъемы на концах (рис. 4.6, а). Две витые пары используются для передачи сигналов (ТРА и ТРВ) раздельно для приемника и передатчика, два провода задействованы для питания устройств (8-40 В, до 1, 5 А). В стандарте предусмотрена гальваническая развязка устройств, для чего исполь­зуются трансформаторы (напряжение изоляции развязки до 500 В) или конден­саторы (в дешевых устройствах с напряжением развязки до 60 В относительно общего провода). Некоторые бытовые устройства имеют только один 4-контакт­ный разъем меньшего размера (рис. 4.6, б), у которого реализованы только сигналь­ные цепи. Эти устройства подключаются к шине через специальный переходной кабель только как оконечные (хотя возможно применение специальных адапте-ров-разветвителей). В кабелях FireWire сигнальные пары соединяются перекрест­но (табл. 4.2), поскольку все порты равноправны.

108 Глава 4. Последовательные шины USB и FireWire

А б

Рис. 4.6. Разъемы FireWire: а — 6-контактное гнездо, б — 4-контактное гнездо

Таблица 4.2. Соединительные кабели FireWire

В грядущей версии, которая пока называется Р 1394Ь, предусматриваются и но­вые варианты среды передачи:

♦ кабель UTP категории 5 со стандартными коннекторами RJ-45 (используются две пары проводов), длина сегмента до 100 м — дешевый вариант для S100;

♦ пластиковое оптоволокно (два волокна POF для небольших расстояний и HPCF для больших дистанций) — дешевый вариант для S200;

♦ многомодовое оптоволокно (два волокна 50 мкм) — более дорогой вариант для будущих скоростей вплоть до S3200.

Каждое устройство, имеющее более одного разъема 1394, является повторителем. Сигнал, обнаруженный на входе приемника с любого разъема, ресинхронизиру-ется по внутреннему тактовому генератору и выводится на передатчики всех ос­тальных разъемов. Таким образом осуществляется доставка сигналов от каждого устройства ко всем остальным и предотвращается накопление «дрожания» (jitter) сигнала, ведущее к потере синхронизации.

Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (Backplane). Под кросс-шинами подразумеваются обычно параллельные интерфей­сы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабе­лю 1394. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами — спе­циальными устройствами, осуществляющими передачу пакетов между шинами, фильтрацию трафика, а для соединения разнородных шин еще и необходимые преобразования интерфейсов. Интерфейсная карта шины FireWire для PC представ­ляет собой мост PCI — 1394. Мостами являются также соединения кабельной шины 1394 с кросс-шинами периферийных устройств. Мосты могут соединять и кабель­ные шины, что расширяет топологические возможности соединения устройств.

4.2. Шина IEEE 1394— FireWire

4.2.2. Протокол IEEE 1394

Протокол 1394 реализуется на трех уровнях (рис. 4.7).

♦ Уровень транзакций (Transaction Layer) преобразует пакеты в данные, пре­
доставляемые приложениям, и наоборот. Он реализует протокол запросов-
ответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213: 1994 (ANSI/IEEE 1212,
редакции 1994 г.) архитектуры регистров управления и состояния CSR
(Control and Status Register) для микрокомпьютерных шин (чтение, запись,
блокировка). Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллель­
ными шинами.

♦ Уровень связи (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты
и выполняет обратные преобразования. Он обеспечивает обмен узлов датаграм-
мами с подтверждениями. Уровень отвечает за передачу пакетов и управление
изохронными передачами.

Рис. 4.7. Трехуровневая структура FireWire

110__________________________ Глава 4. Последовательные шины USB и FireWire

♦ Физический уровень (Physical Layer) вырабатывает и принимает сигналы шины. Он обеспечивает инициализацию и арбитраж, предполагая, что в любой момент времени работает только один передатчик. Уровень передает потоки данных и уровни сигналов последовательной шины вышестоящему уровню. Между этими уровнями возможна гальваническая развязка, при которой микросхемы физического уровня питаются от шины. Гальваническая развязка необходима для предотвращения паразитных контуров общего провода, которые могут появиться через провода защитного заземления блоков питания.

Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микро­схем — трансиверов физического уровня PHY Transceiver и моста связи с шиной LINK Chip. Связь между ними возможна, например, по интерфейсу IBM-Apple LINK-PHY. Микросхемы уровня связи выполняют все функции своего уровня и часть функций уровня транзакций; остальная часть уровня транзакций выполня­ется программно.

Для передачи асинхронных сообщений используется 64-битная адресация регист­ров устройств 1394. В адресе выделяется 16 бит для адресации узлов сети: 6-бит­ное поле идентификатора узла допускает до 63 устройств в каждой шине; 10-бит­ное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 шин разного типа (включая внутренние), соединенных мостами. Протокол шины поз­воляет обращаться к памяти (регистрам) устройств в режиме DMA. В адресном пространстве каждого устройства имеются конфигурационные регистры, в кото­рых содержится вся информация, необходимая для взаимодействия с ним других устройств. Данные передаются пакетами, в начале каждого пакета передаются биты состояния арбитража. Устройство может передавать данные только после успешного прохождения арбитража. Имеются два основных типа передач дан­ных — изохронный, ради которого и строилась шина, и асинхронный. Изохрон­ные передачи обеспечивают гарантированную полосу пропускания и время задерж­ки, асинхронные передачи обеспечивают гарантированную доставку.

Асинхронные сообщения передаются между двумя устройствами. Инициатор посы­лает запрос требуемому устройству, на который оно сразу (через короткий интер­вал зазора, в котором шина находится в покое) отвечает подтверждением приема, положительным (АСК) или отрицательным (NACK), если обнаружена ошибка данных. Содержательный ответ на запрос (если требуется) будет передан обратно аналогичным способом (получатель должен послать подтверждение). Если под­тверждение АСК не получено, передачи будут повторяться несколько раз до до­стижения успеха или фиксации ошибки.

Изохронные передачи ведутся широковещательно. В сети может быть организова­но до 64 изохронных каналов, и каждый пакет изохронной передачи, кроме соб­ственно данных, несет номер канала. Целостность данных контролируется CRC-кодом. Изохронные передачи всех каналов «слышат» все устройства шины, но из всех пакетов принимают только данные интересующих их каналов. Устройство-источник изохронных данных (камера, приемник, проигрщватель) на этапе кон­фигурирования получает номер и параметры выделенного ему канала.

4.2. Шина IEEE 1394— FireWire _Ш 111

Шина поддерживает динамическое реконфшурирование — возможность «горяче­го» подключения и отключения устройств. Когда устройство включается в сеть, оно широковещательно передает короткий асинхронный пакет самоидентификации. Все уже подключенные устройства, приняв такой пакет, фиксируют появление но­вичка и выполняют процедуру сброса шины. По сбросу производится определе­ние структуры шины, каждому узлу назначается физический адрес и производит­ся арбитраж мастера циклов, диспетчера изохронных ресурсов и контроллера шины (см. ниже). Через секунду после сброса все ресурсы становятся доступны­ми для последующего использования, и каждое устройство имеет полное пред­ставление обо всех подключенных устройствах и их возможностях. Отключение устройства от шины также обнаруживается всеми устройствами. Благодаря нали­чию линий питания интерфейсная часть устройства может оставаться подключен­ной к шине даже при отключении питания функциональной части устройства.

Мастер циклов — устройство, посылающее каждые 125 мкс короткие широкове­щательные пакеты начала циклов. В каждом таком пакете мастер циклов передает значение 32-битного счетчика времени, инкрементируемого с частотой 24, 576 МГц, для каждого узла, поддерживающего изохронный обмен. В каждом цикле сначала передается по одному пакету каждого активного изохронного канала, затем на некоторое время зазора шина находится в состоянии покоя. После этого зазора начинается часть цикла, отводящаяся для передачи асинхронных пакетов. Каж­дое устройство, нуждающееся в асинхронной передаче, в этой части цикла может передать по одному пакету. Устройство, не имеющее пакета для передачи, шину и не занимает. После того как все нуждающиеся устройства передадут по одному пакету, в оставшееся время до конца цикла устройства могут передать и дополни­тельные пакеты.

Диспетчер изохронных ресурсов — устройство, ведающее распределением номеров каналов и полосы шины для изохронных передач. Диспетчер требуется, когда на шине появляется хоть одно устройство, способное к изохронной передаче. Дис­петчер выбирается посредством арбитража из числа устройств, поддерживающих изохронный обмен. После сброса устройства, нуждающиеся в изохронной пере­даче, запрашивают требуемую полосу. Полоса измеряется в специальных едини­цах распределения, число которых в 125-микросекундном цикле составляет 6144. Единица занимает около 20 не, что соответствует времени передачи одного квад-лета (quadlet, 32-битное слово) на частоте 1600 Мбит/с. Такой способ измерения полосы учитывает возможность совместной работы устройств с разными скорос­тями — в одном цикле соседние пакеты могут передаваться на разных скоростях. Как минимум 25 мкс цикла резервируется под асинхронный трафик, поэтому сум­марная распределяемая полоса изохронного трафика составляет 4915 единиц. Для цифрового видео, например, требуется полоса 30 Мбит/с (25 Мбит/с на видеодан­ные и 3-4 Мбит/с на аудиоданные, синхронизацию и заголовки пакетов). В S100 устройства цифрового видео запрашивают около 1800 единиц, в S200 — около 900. Если требуемая полоса недоступна, диспетчер откажет устройству и не выделит ему номер канала. Устройство, не получившее канал, будет периодически повторять запрос. Когда изохронный обмен становится ненужным узлу, он должен освободить

112_______________________ Глава 4. Последовательные шины USB и FireWire

свою полосу и номер канала, чтобы этими ресурсами смогли воспользоваться дру­гие устройства. Обмен управляющей информацией устройств с диспетчером про­изводится асинхронными сообщениями.

Контроллер шины (Bus Master) — необязательный элемент сети 1394, который осуществляет управление устройствами. Им может являться компьютер, редак­тирующее устройство цифровой записи или специальный интеллектуальный пульт управления. Контроллер шины, реализующий карты топологии и скоро­стей (TopologyJMap и Speed_Map), допускает использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары устройств, уча­ствующих в обмене. Иначе при подключении устройств, рассчитанных на разные скорости, все передачи будут происходить на скорости, доступной для всех актив­ных устройств.