IEEE 1394

Важность взаимодействия между различными компонентами и устройствами в компьютерной технике сложно переоценить. Без такого взаимодействия просто не было бы самой компьютерной техники. Но, с самого начала развития компьютеров каждый производитель решал (а кое-где и продолжает решать) эти проблемы по-своему. Как грибы после дождя росло количество всевозможных шин и разъёмов, по которым перегонялись данные, как внутри компьютера, так и снаружи. Но, если такое разнообразие решений внутри железной коробки шло (и идёт) во благо, стимулируя технический прогресс, то с периферией всё происходит наоборот. Море разных шин и разъёмов, которыми периферия может подключаться к компьютерам не выгодно никому - ни производителям самих компьютеров, ни производителям периферии. Стало ясно, что нужны универсальные шины. И они появились. К сожалению, общий беспорядок(когда каждый тянул одеяло на себя), не миновал и эту область. Поэтому, в середине девяностых годов, взглянув на заднюю стенку компьютера, можно было увидеть кучу разнообразных разъёмов: COM, LPT, VGA, PS/2 и некоторые другие. Каждый из этих разъёмов имел свои недостатки, требовал от разработчиков отдельной реализации и требовал свою долю отнюдь не безграничных компьютерных ресурсов. Необходимость действительно универсального разъёма назрела, и разработчики с энтузиазмом принялись за работу. Так, например, небезызвестная фирма Intel с середины девяностых годов начала агрессивно проталкивать на рынок своё детище - USB (Universal Serial Bus). По сравнению с существовавшими на то время разъёмами, USB стал подлинным прорывом, обеспечивая казалось бы, всё, о чём можно было мечтать. Но это только казалось :-) В тени шумихи вокруг USB тогда мало кто заметил рождение ещё одного формата, использующего последовательную шину (Serial Bus), который умел не меньше (а то и больше), чем его широко разрекламированный конкурент. Это IEEE 1394.

С чего всё начиналось

История IEEE 1394, теперь известного также как FireWire и как i-Link, началась ещё в 1986 году, когда члены Microcomputer Standards Committee (Комитет по Стандартам Микрокомпьютеров) захотели объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus). Новый проект был призван объединить существовавшие на то время наработки: IEEE 1014 VME, IEEE 1296 Multibus II, и IEEE 896 FutureBus+®. Задачей разработчиков стало создание универсального I/O (Input/Output) внешнего интерфейса, пригодного как для работы с мультимедиа, так и для работы с накопителями данных (Mass Storage Device), не говоря уже о более простых вещах - вроде принтеров, сканеров, и тому подобного. Результатом труда разработчиков стал окончательно утверждённый 12 декабря 1995 года 10 мегабайтный документ под названием 1394-1995.pdf, который описывал IEEE 1394. В названии стандарта нет никакого тайного смысла - просто это был 1394 по счёту стандарт, выпущенный комитетом. Интерфейс, который описывался в этом документе был воистину революционным. Он обеспечивал просто невероятные по тем временам скорости и удобство. Ведущую роль в разработке стандата сыграла, была Apple, которая дала ему имя FireWire, поэтому нет ничего удивительного в том, что она сразу же сделал ставку на использование этого стандарта в своих компьютерах (как обычно, Apple пошёл своим путём, и, пока пользователи PC заглядывали в рот Intel с недавно появившемся USB, сделал ставку на FireWire. Хотя и USB не был забыт. Настоящей лебединой песней для IEEE 1394 стало появление любительских DV камер. Ещё при их разработке стало ясно, что, кроме IEEE 1394 в качестве внешнего интерфейса для них ничего не подходит. Поэтому, Digital VCR Conference (DVC) приняла решение использовать IEEE 1394 как стандартный интерфейс для цифровых камер. Первой ласточкой стала Sony c DCR-VX1000 и DCR-VX700 цифровыми камерами, которые впервые имели IEEE 1394 выход. Но, вскоре за Sony подтянулись и другие производители. И сегодня IEEE 1394 практически монополизировал этот быстро развивающийся рынок. Сегодня любая, произведённая сегодня DV камера в обязательном порядке оснащается IEEE 1394 интерфейсом.

Свою лепту в развитие IEEE 1394 внесла и Texas Instruments, организовавшая массовое производство действительно дешёвых микросхем для реализации IEEE 1394 интерфейса, что сыграло огромную роль в бурном росте количества IEEE 1394 контролёров в персональных компьютерах.

Несмотря на такой успех нового стандарта (он оказался востребованным ещё до выхода окончательной спецификации), разработчики не стояли на месте. Уже в 2000 году вышла 1394a-2000 версия протокола, сразу же с энтузиазмом воспринятая производителями. А сегодня разрабатывается P1394b.

Что же такого хорошего в IEEE 1394?

Как уже говорилось, разработчики опирались на выпущенные ранее стандарты, и в IEEE 1394 вошло всё лучшее, что существовало на тот момент. Из главных особенностей IEEE 1394 можно отметить:

• Последовательная шина вместо параллельного интерфейса позволила использовать кабеля малого диаметра и разъёмы малого размера.
• Поддержка горячего подключения и отключения всего чего угодно.
• Питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель.
• Высокая скорость
• Возможность строить сети из различных устройств и самой различной конфигурации.
• Простота конфигурации и широта возможностей. Через IEEE 1394 может работать самое различное оборудование, причём пользователю не придётся мучаться вопросом, как это всё правильно подключить.
• Поддержка асинхронной и синхронной передачи данных.

Асинхронная передача. Asybnchronous, от греческого Asyn - другой и Chronous - время. Это означает, что данные обязательно будут доставлены в целости и сохранности, пусть и не всегда в срок. Получение каждого пакета проверяется и подтверждается, если пакет не дошёл, передача будет повторена заново.

Синхронная передача. Isochronous, от греческого Iso - тот же, такой же и Chronous - время. Это означает, что скорость и непрерывность потока важнее, чем сохранность данных. Если пакет пришёл с ошибкой, или не пришёл вообще, это даже не проверяется, не говоря уже о том, чтобы переслать пакет заново. Этот тип передачи отлично подходит для мультимедийных приложений, где потеря какой-либо части информации менее критична, чем большая задержка.

Как это всё работает?

IEEE 1394 делится на несколько уровней. Выглядит это так:

Внизу находится физический уровень (Physical Layer). Аппаратная составляющая, которая отвечает за перевод сигналов, полученных по кабелям в понятную компьютеру форму (и наоборот - за перевод данных в электрические сигналы, идущие по кабелям). Эта же часть отвечает за управление физическим каналом, т.е. определяет, должно устройство занимать канал прямо сейчас, или должно подождать. Кроме того, этот же уровень обеспечивает интерфейс для кабелей и разъёмов и отвечает за следующие процессы:

Интерфейс среды (Media Interface) - отвечает за состояние сигнала, передаваемого по кабелям.

Арбитраж (Arbitration) - различные IEEE 1394 устройства, включенные в сеть разбираются между собой, кто и в каком порядке может действовать.

Кодирование/Декодирование (Encode/Decode) - перевод данных в электрические сигналы, которые могут передаваться по кабелям и обратно.

Уровнем выше расположен уровень канала (Link Layer). Сюда доставляются уже готовые пакеты данных. Именно этот уровень отвечает за пересылку данных вверх и вниз, тут происходят следующие процессы:

Приёмник пакетов (Packet Receiver) - организует и отвечает за приём пакетов данных.

Передатчик пакетов (Packet Transmitter) - организует и отвечает за передачу пакетов данных.

Контроль циклов (Cycle Control) - пакеты передаются не поодиночке, а циклами. Здесь и осуществляется контроль над этими циклами.

Эти два уровня реализованы в "железе", т.е. выполняются аппаратно. Они полностью отвечают за формирование сигнала из данных, формирование данных из сигнала, и приём/передачу в нужное время и в нужное место. Поэтому, только этих двух уровней и хватает при синхронной передаче, когда никакого контроля над тем что передаётся и получается не требуется. При асинхронной передаче это не так, и там в действие вступает:

Сетевой уровень (Transaction Layer). На этом уровне происходит проверка полученных данных. Если всё нормально (ни один пакет не потерялся или не повредился), данные отправляются потребителю. Если обнаружена ошибка - возвращаемся на физический уровень и повторяем всё сначала, пока данные не будут получены без ошибок.

Все уровни (в том числе и первые два) контролируются firmware, и этот процесс называется менеджмент последовательной шины (Serial Bus management).

Такие процессы происходят в каждом IEEE 1394 устройстве, и два любых устройства образовывают между собой соединение типа точка-точка (point-to-point). Но, кроме этого, IEEE 1394 позволяет объединять множество таких устройств и соединений в одну логическую сеть. Для этого физический уровень (physical layer) позволяет иметь больше одного физического интерфейса на одном устройстве.

Рассмотрим подробнее, как разные устройства в одной логической сети разбираются, кто, когда, и что должен делать.

Инициализация сети происходит в несколько этапов:

Сброс (reset) - происходит каждый раз, когда требуется. Причиной для сброса может стать, например, физическое изменение конфигурации сети (подключили новое устройство или отключили старое). Со сброса шины и начинается процесс инициализации сети. Конфигурация, сформировавшаяся при этом, остаётся действительной и неизменной до следующего сброса шины.

Идентификация дерева (Tree identification) - подключенные устройства выясняют, какие из них родительские, а какие дочерние, и формируют логическое дерево. Определяется корневое устройство для всего дерева.

Примечание: Первое, что определяет устройство после включения, это сколько подключенных портов оно имеет. Один (leaf) или несколько (branch). Затем определяется родительские (parent) и дочерние (child) устройства (какое к какому подключено). На основе этих данных строится дерево и определяется корневое устройство.

Самоидентификация (Self identification) - каждое из устройств получает свой собственный ID узла внутри дерева, и выясняет на каких скоростях могут работать его непосредственные соседи. Топология полностью определена. Для адресации используются принципы, описанные в IEEE 1212. Это означает 64 битную прямую адресацию (48 бит на узел, остальные 16 используются дли идентификации шины), что позволяет организовать иерархическую адресацию для 63 узлов на 1023 шинах. Единственное ограничение - между двумя устройствами, которые хотят общаться между собой, должно быть не более 16 "хопов" (сегментов).

Инициализация сети завершена, в действие вступает нормальный арбитраж - рабочий режим работы сети. Устройства обмениваются данными, а корневое устройство следит за тем, чтобы они друг другу не мешали. Происходит это так:

Устройство, которое хочет начать передачу, вначале посылает запрос своему родительскому устройству. Родительское устройство, получив запрос, запрещает передачу всем остальным дочерним (в один момент обрабатывается только один запрос) и, в свою очередь, передаёт запрос дальше, своему родительскому устройству, где всё повторяется. В итоге запрос доходит до корневого устройства, которое, в свою очередь, разрешает передачу тому устройству, чей запрос пришёл первым. Всем остальным передача запрещается. Таким образом, если два устройства одновременно пошлют запрос на передачу данных, то ответ будет зависеть от того, чей запрос первым достигнет корневого устройства. Оно выигрывает арбитраж и получает право начать передачу. Проигравшее устройство. не получив разрешения на передачу, вынуждено ждать, пока выигравшее не освободит шину.

Всё это происходит на физическом уровне (physical layer). После того, как разрешение на передачу данных получено и требуется начать передачу данных, в дело вступает уровень канала (link layer). Как уже говорилось, именно он формирует пакеты и определяет - когда и сколько пакетов должно отсылаться. Передача данных начинается с запроса готовности к приему устройства, для которого предназначены данные, и, получив подтверждение готовности, начинает передачу. Данные идут пакетами, между которыми есть промежутки (gap). Типичный пакет данных 256 байт, или 2048 бит, из которых 160 бит приходится на заголовок. Таким образом, общая эффективность (сколько в пакете действительно данных, а не служебной информации) весьма высока и чем больше пакет, тем выше эффективность). В заголовок входит информация об отправителе, получателе и CRC. После пакета идёт небольшой промежуток, длиной меньше 0.75 msec ( acknowledge gap), после чего получатель должен выслать 8-ми битовый блок данных, подтверждающий, что пакет получен в целости и сохранности (ack packet). Потом следует более длинный промежуток, длинной больше 1 msec, разделяющий пакеты (subaction gap). И так далее - пакет, acknowledge gap, подтверждающий байт (ack), subaction gap.

Для того, чтобы одно устройство, начав передавать данные, не заняло весь канал, не оставив соседям никаких шансов начать передачу, пока оно не закончит, введено понятие fairness interval. В течении одного fairness interval каждое устройство в шине получает одну возможность передать свои данные. После того как разрешение получено (арбитраж выигран), и порция данных передана, устройство должно ждать конца fairness interval и начала следующего цикла, прежде чем оно вновь получит возможность передать следующую порцию данных. Заканчивается fairness interval так называемым reset gap, который длиннее subaction gap, и вызывает сброс всей шины.

Для синхронной передачи используется несколько другая методика. Данные передаются "выстрелами", длина каждого 125 мsec. Таких выстрелов производится столько, сколько позволяет канал. Даже на одинарной (98.304 Mbit/sec) скорости за один такой цикл передаётся до 1000 байт. Чем выше скорость, тем больше данных успевает пройти. При этом, при синхроной передаче абсолютно не важно, получило принимающее устройство данные или нет. Пакеты просто идут один за другим, разделённые subaction gap, никаких ack packet никто не ждёт. Для того, чтобы принимающее устройство смогло разобраться, где синхронные, а где асинхронные данные, subaction gap при синхронной передаче короче. Это позволяет комбинировать в одном сеансе синхронные данные с асинхронными. Однако, в синхроном режиме одному устройству никогда не позволят захватить весь доступный канал. На синхроные данные может приходится не более 85% доступного канала, причём одно устройство не может занять больше 65%.

Как всё это выглядит?

IEEE 1394 позволяет передавать данные на скорости 98.304 Mbit/sec. Кроме этого, возможна передача в 2-x (196.608 Mbit/sec) и 4-x (393.216 Mbit/sec) режимах.

Первоначально появились чипы, которые способны работать только на 100 Мбитах (хотя спецификация позволяла и больше), но 200 и 400-мегабитные чипы не заставили себя долго ждать. Несмотря на такой кажущийся беспорядок, пользователи не должны испытывать ни малейших неудобств (это было одно из обязательных условий, которое ставилось перед разработчиками). Поэтому IEEE 1394 позволяет в одной сети использовать самые разные устройства одновременно. Причём, пользователю не придётся беспокоиться о том, что он может неправильно их подключить. Подключать можно что угодно, и в каких угодно сочетаниях, железки сами разберутся, кто с кем и на какой скорости может "разговаривать".

Для работы на таких высоких скоростях потребовались соответствующие кабели. Кабель для IEEE 1394 весьма сложная система, и спаять его самостоятельно (что возможно для USB) вряд ли возможно. Данные передаются по двум витым парам, каждая из которых отдельно экранирована. Для пущей надёжности, дополнительно экранируется и весь кабель. Кроме двух сигнальных пар, в кабеле предусмотрены две питающие жилы, которые могут обеспечить любое внешнее устройство током силой до 1.5 А и напряжением до 40 V. В разрезе кабель выглядит так:

Выбору разъёма, к которому должны подключаться IEEE 1394 устройства, было уделено самое пристальное внимание, ведь от разъёма в немалой степени зависит то, насколько удобно будет пользоваться новым интерфейсом. Разъём должен быть небольшим, но в то же время прочным, должен обеспечивать надёжное соединение, но в то же время легко соединяться-отсоединяться даже вслепую. Всем требованиям удовлетворил разъём, используемый в Nintendo GameBoy.

Как видно из фотографии, все контакты выведены в середину разъёма, а снаружи защищены толстым ободком из твёрдой пластмассы. Надёжность этой схемы доказана многими GameBoy, беспощадно растерзанными детьми разных возрастов.

Но даже такой продвинутый и удобный разъём не всех удовлетворил. В самом деле, зачем нам тянуть за собой две питающих жилы там, где подключенное устройство имеет собственное питание. Действительно незачем, решили разработчики и на свет появился новый, четырёхконтактный разъём. Этот новый разъём хоть и не обеспечивал такого надёжного соединения как традиционный шестиконтактный, зато позволял сэкономить место, что немаловажно на портативных устройствах. Кроме этого, кабель без двух дополнительных жил, ответственных за питание, можно сделать ещё тоньше и дешевле. Особо "по вкусу" четырёхконтактные разъёмы пришлись производителям компактных DV камер, и именно их можно увидеть на большинстве таких камер.

Производители материнских плат включают в свои последние решения поддержку обоих разъёмов:

брекет из комплекта материнской платы Asus P4B-533-E

Как это всё развивалось, и что мы имеем сегодня

Ничего идеального в мире нет, и IEEE 1394 не получился идеальным. Поэтому, выпустив первую версию стандарта в 1995 году, команда разработчиков не стала почивать на лаврах, а продолжила работу над следующими версиями стандарта. Так, уже в 2000 году вышла 1394а версия стандарта.