Что такое IEEE 1394?
Интерфейс IEEE 1394
Немного истории. 10 лет назад, на выставке IFA’95 в Берлине фирма Sony продемонстрировала первые промышленные модели цифровых видеокамер формата mini-DV. Это были камеры DCR-XV700 и DCR-XV1000 с выходным цифровым интерфейсом IEEE 1394 (FireWire) и новым для видеотехники 4-контактным разъемом DV Out. Уже в следующем году цифровые видеокамеры стали выпускаться и другими фирмами, в частности, появилась модель Panasonic NV-DS1, оснащенная двунаправленным интерфейсом DV In/Out и способная к цифровой записи как собственных съемок, так и аналоговых видеосигналов, поступающих на собственные разъемы Video и S-Video для композитного и раздельных видеосигналов.
С тех пор популярность интерфейса IEEE 1394, известного также как FireWire и i-Link, стала стремительно возрастать. Он стал обязательным для любой цифровой видеокамеры и поддерживается в большинстве современных ноутбуков.
А начиналось все гораздо раньше, когда Комитет по стандартам для микрокомпьютеров Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) решил объединить имеющиеся наработки по последовательной шине и создать быстродействующий универсальный интерфейс, обеспечивающий работу с мультимедийной информацией, накопителями, формирователями, визуализаторами и синтезаторами данных. Ведущим разработчиком такого интерфейса была фирма Apple, которая решила применять его в своих компьютерах под названием FireWire. В процессе выполнения этих работ организовался консорциум с участием компаний Compaq, Matsushita, Philips, Sony, Toshiba и др., в результате чего в конце 1995 года IEEE принял соответствующий стандарт под порядковым номером 1394. Любопытно, что в цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился под названием i-Link раньше этого события.
Что такое IEEE 1394? Это стандартная технология шины последовательной передачи данных для соединения компьютера с периферией. При этом обеспечиваются следующие преимущества:
· высокая скорость (100, 200, или 400 Мб/с для IEEE 1394a; 800 Мб/с для IEEE 1394b, в перспективе 1,6 и 3,2 Гб/с);
· поддержка “горячего” (Fire) подключения и отключения. Автоматическое распознавание присоединения и отсоединения аппаратуры и возможности делать это при работающем компьютере, т.е. даже тогда, когда шина работает в полном режиме;
· возможности общения аппаратуры с IEEE 1394 In/Out между собой без компьютера. Широко применяется, например, для редактирования при прямой перезаписи информации с одной видеокамеры на другую;
· простота конфигурирования и широта возможностей. Шина позволяет подключать до 63 устройств без применения концентраторов. На одном устройстве может быть до 27 разъемов для подключения к компьютеру и другим устройствам. Шина поддерживает конфигурирование Plug&Play;
· использование кабелей малого диаметра и миниатюрных разъемов (4 или 6 контактов). Интересно, что разъем был заимствован у компьютерной игры Nintendo Gameboy, так как показал высокую износостойкость в условиях беспощадной эксплуатации;
· пакетная передача данных. Мультимедийные данные, например видеофильм, разбиваются на пакеты с интервалами между ними. Число пакетов определяется тем, какой длины фильм посылается, а в интервалах посылается служебная информация, например, «Стоп» или «Пуск».
· поддержка асинхронной и изохронной передачи данных. При асинхронной передаче получение каждого пакета данных проверяется, и, если он не получен или принят с повреждением, передача повторяется и ошибки исправляются;
· питание внешних устройств через кабель IEEE 1394.
Составляющие IEEE 1394. Функциональная схема интерфейса IEEE 1394 показана на рисунке 1. Здесь внизу находится физический уровень, на котором происходит перевод стыкуемых мультимедийных сигналов в компьютерные форматы или наоборот, с формированием, кодированием/декодированием и арбитражем, определяющим, в каком порядке устройства IEEE 1394, составляющие сеть, могут работать.
Рис. 1 Функциональная схема интерфейса IEEE 1394
 На уровне обрабатываются и формируются пакеты данных, организуется их прием и передача. Этих уровней достаточно для изохронной передачи данных, когда контроль за передаваемой и получаемой информацией не ведется. При асинхронной передаче данных такой контроль производится на программном уровне обработке, где данные проверяются и отправляются потребителю, если ошибок не обнаружено. В противном случае процедуры на нижнем уровне повторяются до устранения ошибок. Физический уровень может содержать несколько разъемов FireWire, причем два любых устройства IEEE 1394 могут соединяться между собой “точка в точку”(point-to-point).
Как работает IEEE 1394? Процесс инициализации интерфейса начинается со сброса шины. При этом выясняется, один или несколько портов в системе имеется, и к каким из них подключены родительские и дочерние устройства. По этим данным строится дерево и определяется корневой узел сети.
Рис. 2. Дерево узлов IEEE 1394
 Каждое из IEEE 1394-устройств получает идентификационный номер и данные, на каких скоростях могут работать его прямые соседи. Используется 64-битная прямая адресация (48 бит на узел и 16 для идентификации шины), позволяющая реализовать иерархическую адресацию для 63 узлов на 1023 шинах. По завершении инициализации начинает работать арбитраж, следящий за тем, чтобы работающие устройства друг другу не мешали. Поэтому устройство, готовое начать передачу, сначала посылает сигнал запроса своему родительскому устройству в дереве. Это устройство, получив запрос, формирует сигал запрета своим дочерним устройствам и передает запрос дальше, своему родительскому устройству и так далее, пока запрос не дойдет до корневого устройства. В свою очередь корневое устройство формирует сигнал, разрешающий передачу устройству, выигравшему арбитраж по времени, т.е. тому, запрос от которого получен первым. При этом устройство, проигравшее арбитраж, ждет, пока шина не освободится.
По сигналу разрешения начинается работа на уровне компоновки, где формируются пакеты данных по 512 байт с интервалами между ними и определяется их адресация. 160 бит в каждом пакете занимает заголовок, куда входит информация об отправителе и получателе пакетов, а также о циклическом коде CRC исправления ошибок. Передача данных начинается по получению ответа о готовности запрашиваемого устройства к приему информации.
В течении времени до 0,75 мс после отправки каждого пакета данных ожидается получение подтверждения об их получении в виде байтовой посылки. Далее следует интервал > 1 мс, разделяющий пакеты, и т. д.
Каждому устройству сети IEEE 1394 предоставляется возможность передавать данные один раз в течение каждого промежутка времени, распределяемого по всем узлам. Если этого времени оказывается недостаточно, передача завершается на следующих циклах. Так сделано для того, чтобы передача длинной информации одного из источников не могла блокировать работу остальных.
Изохронная передача данных применяется, например, в мультимедийных приложениях, когда приоритетом является минимум задержки на получение информации по сравнению с возможной потерей или ошибками какой-то ее части. В изохронном режиме данные передаются пакетами длительностью по 125 мс, т.е. чем выше скорость, тем больше данных может быть передано за это время. Пакеты следуют друг за другом, не ожидая байтов подтверждения получения. Для идентификации пакетов изохронной и асинхронной передачи промежуток между ними в первом случае короче, чем во втором. Это позволяет комбинировать и различать изохронные и асинхронные данные в каждом сеансе. На изохронные данные выделено до 85 % канала передачи, из которых устройство может занимать не более 65 %.
Интерфейсом IEEE1394 допускается одновременная передача информации на разных скоростях от разных устройств, причем способности их общения на какой-либо из скоростей определяются автоматически. Это делает интерфейс весьма дружественным, так как пользователю не нужно заботиться о правильности подключения устройств.
Кабели и разъемы. Для работы интерфейса на высоких скоростях потребовались кабели с временем распространения сигнала, не превосходящим допустимых пределов. Для IEEE 1394 это 144 нс, после чего принимается решение о недоступности адресуемого устройства. Устройство кабеля для IEEE 1394 поясняется рисунке 3.
Рис. 3. Разрез кабеля FireWire
Диаметр этого кабеля равен 6 мм, и он содержит три витые пары проводников диаметром 0,87 мм:, одна из которых типа 22 AWG предназначена для питания от 8 до 30 В внешней нагрузки до 1,5 А, а две другие – раздельно экранированные пары сигнальных проводов типа 28 AWG. Все проводники с изолирующим заполнением заключены в экранирующую фольгу и оболочку из поливинилхлорида. Таким образом, кабель имеет сложную конструкцию, и изготовить его самостоятельно вряд ли возможно.
Рис. 4. Разъемы IEEE 1394 (6 контактов)
А) блочный б) кабельный
 
На фотографиях разъемов IEEE 1394 (рис. 4), заимствованных у компьютерной игры Nintendo Gameboy, видно, что контакты здесь находятся в середине разъемов и по бокам защищены от доступа металлическим ободком и изолирующей прокладкой у кабельного разъема. Пара проводов, предназначенная для питания внешних устройств, например сканера, не требуется при работе с цифровыми видеокамерами, имеющими собственное питание.
Рис. 5. Кабель IEEE 1394 i-Link
Для такого применения IEEE 1394 разработаны однорядные 4-контактные разъемы и кабели, вид одного из которых, i-Link Sony, показан на фотографии (рис. 5). Длина этого кабеля 96 см.
IEEE 1394a. Хотя шина FireWire оказалась очень удобной, работы по ее совершенствованию продолжаются. Так, 2000 году был утвержден стандарт IEEE 1394а с дополнениями, целесообразность которых выяснилась в процессе эксплуатации. В частности, введено время ожидания 1/3 секунды на сброс шины, пока не закончится переходной процесс установки надежного подсоединения или отсоединения устройства. Без этого иногда возникал не один, а целая серия сбросов шины по подключению нового устройства. Практика показала, что устройства IEEE 1394 могут быть несовместимыми, если пакеты в серии передаются с разной скоростью. По IEEE 1394а эта проблема решена добавлением сигнала скорости в каждый пакет, если скорость его передачи отличается от предыдущей. Предусмотрены также возможности программного отключения порта FireWire, включения аппаратуры и перевода ее в дежурный режим. Большое внимание разработчики уделили повышению эффективности шины за счет уменьшения общей длительности технологических промежутков, разделяющих пакеты записи. С этой целью по IEEE 1394а:
· Повторные байты подтверждения получения не ожидаются, после первого обнаружения такого байта передача продолжается без прерываний.
· Введена возможность неоднократного запроса на передачу одного устройства в одном цикле, если другим устройствам шина не нужна.
· Уменьшено время на сброс шины. По IEEE 1394 передающее устройство не обнаруживает сигнал сброса, пока не закончится передача текущего пакета данных. Поэтому сигнал сброса поддерживался в течение времени, большего, чем максимальное время передачи одного пакета. Если же сигнал сброса формируется по признаку выигрыша устройством арбитража, в этом нет необходимости, и по IEEE 1394a сброс шины выполняется по завершению передачи этого устройства.
· Предусмотрены возможности прикрепления пакетов информации к уже передающимся. За счет этого достигается экономия на времени арбитража.
IEEE 1394b. Этот стандарт, первая версия которого принята в 2002 году, относится к последовательной шине с увеличенной до 800 Мб/с и 1,6 Гб/с пропускной способностью. В перспективе пропускная способность может возрасти и до 3,2 Гб/с. Основой интерфейса IEEE 1394b является кодирование 8В10В в соответствии с алгоритмами, применяемыми в оборудовании для гигабайтных сетей, и оптоволоконные линии связи. Введено также измерение времени отклика. Введение такого измерения позволило узнавать время поступления ответа и увеличить длину кабелей. По IEEE1394b она может достигать 100 метров, правда для этого должен применяться стеклянный оптоволоконный кабель. При использовании пластикового оптоволокна максимальная длина кабеля уменьшается до 50 метров, а пропускная способность до 200 Мб/с. Изменились и разъемы: теперь это 9-контактные двухрядные разъемы. Вид разъемов на кабельном переходнике 9↔4 контактов показан на рисунке 6.
Рис. 6. Кабельный переходник IEEE 1394
Этот переходник и ему аналогичный 9↔6 контактов обеспечивает кабельную совместимость шины IEEE 1394b с предшествующими версиями IEEE 1394. В новом стандарте предусмотрено два режима передачи данных: β-режим, когда общаются устройства, поддерживающие IEEE 1394b, и режим обратной совместимости, при котором возможно подключение к шине устройств IEEE 1394a и максимальная скорость автоматически уменьшается до 400 Мб/с.
Из других особенностей IEEE 1394b следует отметить новый способ арбитража. Если в предшествующих стандартах функцию арбитража выполняло корневое устройство, то теперь такую функцию выполняет любое устройство, постоянно посылающее сигналы запроса на передачу. Новый метод арбитража называется Bus Owner/Supervisor/Selector (BOSS). Его логическая схема показана на схеме, а принцип работы заключается в следующем.
Рис. 7. Арбитраж BOSS IEEE 1394b
Устройство, готовое к передаче данных, постоянно посылает сигналы запроса, но передача данных блокируется, пока на соответствующей шине присутствуют сигналы, передаваемые другим устройством. Как только последние прекращаются, по этой шине начинают передаваться сигналы ждущего устройства, в свою очередь блокирующего режимы передачи других устройств. Очевидно, что для работы системы арбитража BOSS шина данных должна быть двунаправленной. Поэтому такой арбитраж работает только в среде IEEE 1394b. Если в нее входит хотя бы одно другое устройство, для арбитража применяется ранее рассмотренный метод.
USB 2.0 и IEEE 1394а. Все современные компьютеры оснащены портами USB 2.0, которые являются быстродействующей версией получивших массовое распространение портов USB 1.1. Основная сфера применения USB 2.0 осталась прежней. Это подключение периферийных устройств типа мышек, цифровых фотокамер, картридеров и других устройств, не требующих гарантированно постоянной пропускной способности. USB 2.0 как и USB 1.1 использует 4-контактные разъемы, полностью совместимые между собой. Единственное отличие в подключении USB 2.0 и USB 1.1 заключается в том, что новый стандарт требует экранированных кабелей. Теоретическая скорость по USB 2.0 составляет 480 Мб/с, максимальная передаваемая мощность на питание внешних устройств – 2,5 Вт. Общение устройств стандарта USB 2.0 происходит по схеме Master/Slave, т. е. все потоки данных управляются компьютером, что замедляет работу интерфейса. Длина кабеля для соединения двух устройств по шине USB 2.0 не должна превышать 5 метров. Преимуществами USB 2.0 является большая распространенность, совместимость с USB 1.1 и дешевизна.
С продвижением USB 2.0 на рынке стали появляться устройства, например, внешние жесткие диски со сдвоенным интерфейсом или одни и те же модели с разными интерфейсами. Казалось бы, по USB 2.0 они должны работать быстрее, чем по IEEE 1394a, но на практике, при прочих равных условиях производительность по FireWire 400 получается лучше, причем почти без проблем с “горячим” подключением. Вероятно, новая версия USB будет работать стабильней, но IEEE 1394a к тому времени несколько устареет и будет заменяться на IEEE 1394b. Кроме того, архитектура USB 2.0 по гибкости несопоставима с IEEE 1394, особенно при работе с мультимедийной аппаратурой.
Таким образом, шина USB 2.0 эффективна для компьютерной периферии, низкоскоростной и со средними требованиями к пропускной способности. Она дешева и достаточно производительна для большинства задач. Шина FireWire гораздо гибче и отлично подходит для работы с мультимедиа. Цифровые видеокамеры и телевизоры, DVD-проигрыватели и игровые приставки – все это при наличии портов FireWire легко соединить между собой, причем не обязательно вокруг компьютера.
Дата: 23.09.2007
|
About us 
25, Декабрь 2024
09, Апрель 2024
