27999-1 (Шины), страница 5

IEEE 1394 (Firewire) - новая последовательная шина

IEEE 1394 или Firewire - это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода-вывода для персонального компьютера. Ее изменяемая архитектура и одноранговая топология делают Fireware идеальным вариантом для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени. В этом материале приведены некоторые общие сведения о стандарте IEEE 1394.

Зачем нужен новый интерфейс

Прежде всего, посмотрите на заднюю стенку своего компьютера. Там можно найти множество всяких разъемов: последовательный порт для модема, принтерный порт для принтера, разъемы для клавиатуры, мыши и монитора, SCSI-интерфейс, предназначенный для подключения внешних носителей информации и сканеров, разъемы для подключения аудио и MIDI устройств, а также для устройств захвата и работы с видеоизображениями. Это изобилие сбивает с толка пользователей и создает беспорядок из соединительных кабелей. Причем, нередко производители ноутбуков используют и другие типы коннекторов.

Новый интерфейс призван избавить пользователей от этой мешанины и к тому же имеет полностью цифровой интерфейс. Таким образом, данные с компакт-дисков и цифровых магнитофонов смогут передаваться без искажений, потому что в настоящее время эти данные сначала конвертируются в аналоговый сигнал, а затем обратно оцифровываются устройством-получателем сигнала. Кабельное телевидение, радиовещание и видео CD передают данные также в цифровом формате.

Цифровые устройства генерируют большие объемы данных, необходимые для передачи качественной мультимедиа-информации. Например:

Высококачественное видео
Цифровые данные = (30 frames / second) (640 x 480 pels) (24-bit color / pel) = 221 Mbps

Видео среднего качества
Цифровые данные = (15 frames / second) (320 x 240 pels) (16-bit color / pel) = 18 Mbps

Высококачественное аудио
Цифровые данные = (44,100 audio samples / sec) (16-bit audio samples) (2 audio channels for stereo) = 1.4 Mbps

Аудио среднего качества
Цифровые данные = (11,050 audio samples / sec) (8-bit audio samples) (1 audio channel for monaural) = 0.1 Mbps

Обозначение Mbps - мегабит в секунду.

Для решения всех этих проблем и высокоскоростной передачи данных была разработана шина IEEE 1394 (Firewire).

IEEE 1394 - высокоскоростная последовательная шина

Стандарт поддерживает пропускную способность шины на уровнях 100, 200 и 400 Мбит/с. В зависимости от возможностей подключенных устройств одна пара устройств может обмениваться сигналами на скорости 100 Мбит/с, в то время как другая на той же шине - на скорости 400 Мбит/с. В начале следующего года будут реализованы две новые скорости - 800 и 1600 Мбит/с, которые в настоящее время предлагаются как расширение стандарта. Такие высокие показатели пропускной способности последовательной шины практически исключают необходимость использования параллельных шин, основной задачей которых станет передача потоков данных, например несжатых видеосигналов, внутри компьютера.

Таким образом, Firewire удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, включая:

• Цифровой интерфейс - позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации

• Небольшой размер - тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов

• Простота в использовании - отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки

• Горячее подключение - возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера

• Небольшая стоимость для конечных пользователей

• Различная скорость передачи данных - 100, 200 и 400 Мбит/с

• Гибкая топология - равноправие устройств, допускающее различные конфигурации

• Высокая скорость - возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени

• Открытая архитектура - отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения

Благодаря этому шина IEEE 1394 может использоваться с:

• Компьютерами

• Аудио и видео мультимедийными устройствами

• Принтерами и сканерами

• Жесткими дисками, массивами RAID

• Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами

Простейшая система для видеоконференций, построенная на шине IEEE 1394, использующая два 15 fps аудио/видео канала загрузит всего третью часть 100Mbps интерфейса 1394. Но, в принципе, для этой задачи возможно и использование 400Mbps интерфейса.

Шесть контактов FireWire подсоединены к двум проводам, идущим к источнику питания, и двум витым парам сигнальных проводов. Каждая витая пара и весь кабель в целом экранированы. Провода питания рассчитаны на ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В, поддерживают работу всей шины, даже когда некоторые устройства выключены. Они также делают ненужными кабели питания во многих устройствах. Не так давно инженеры Sony разработали еще более тонкий четырехпроводный кабель, в котором отсутствуют провода питания. (Они намерены добавить свою разработку к стандарту.) Этот так называемый AV-разъем будет связывать небольшие устройства, как "листья" с "ветками" 1394.

Гнездо разъема имеет небольшие размеры. Ширина его составляет 1/10 ширины гнезда разъема SCSI, у него всего шесть контактов (у SCSI - 25 или 50 разъемов).

К тому же кабель 1394 тонкий - приблизительно в три раза тоньше, чем кабель SCSI. Секрет тут прост - ведь это последовательная шина. Все данные посылаются последовательно, а не параллельно по разным проводам, как это делает шина SCSI.

Топология

Стандарт 1394 определяет общую структуру шины, а также протокол передачи данных и разделения носителя. Древообразная структура шины всегда имеет "корневое" устройство, от которого происходит ветвление к логическим "узлам", находящимся в других физических устройствах.

Корневое устройство отвечает за определен-ные функции управле-ния. Так, если это ПК, он может содержать мост между шинами 1394 и PCI и выпол-нять некоторые дополнительные функ-ции по управлению шиной. Корневое устр-ойство определяется во время инициализации и, будучи однажды выбранным, остается таковым на все время подключения к шине.

Сеть 1394 может включать до 63 узлов, каждый из которых имеет свой 6-разрядный физический идентификационный номер. Несколько сетей могут быть соединены между собой мостами. Максимальное количество соединенных шин в системе - 1023. При этом каждая шина идентифицируется отдельным 10-разрядным номером. Таким образом, 16-разрядный адрес позволяет иметь до 64449 узлов в системе. Поскольку разрядность адресов устройств 64 бита, а 16 из них используются для спецификации узлов и сетей, остается 48 бит для адресного пространства, максимальный размер которого 256 Терабайт (256х1024⁴ байт) для каждого узла.

Конструкция шины удивительно проста. Устройства могут подключаться к любому доступному порту (на каждом устройстве обычно 1 - 3 порта). Шина допускает "горячее" подключение - соединение или разъединение при включенном питании. Нет также необходимости в каких-либо адресных переключателях, поскольку отсутствуют электронные адреса. Каждый раз, когда узел добавляется или изымается из сети, топология шины автоматически переконфигурируется в соответствии с шинным протоколом.

Однако есть несколько ограничений. Между любыми двумя узлами может существовать не больше 16 сетевых сегментов, а в результате соединения устройств не должны образовываться петли. К тому же для поддержки качества сигналов длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м.

Протокол

Интерфейс позволяет осуществлять два типа передачи данных: синхронный и асинхронный. При асинхронном методе получатель подтверждает получение данных, а синхронная передача гарантирует доставку данных в необходимом объеме, что особенно важно для мультимедийных приложений.

Протокол IEEE 1394 реализует три нижних уровня эталонной модели Международной организации по стандартизации OSI: физический, канальный и сетевой. Кроме того, существует "менеджер шины", которому доступны все три уровня. На физическом уровне обеспечивается электрическое и механическое соединение с коннектором, на других уровнях - соединение с прикладной программой.

На физическом уровне осуществляется передача и получение данных, выполняются арбитражные функции - для того чтобы все устройства, подключенные к шине Firewire, имели равные права доступа.

На канальном уровне обеспечивается надежная передача данных через физический канал, осуществляется обслуживание двух типов доставки пакетов - синхронного и асинхронного.

На сетевом уровне поддерживается асинхронный протокол записи, чтения и блокировки команд, обеспечивая передачу данных от отправителя к получателю и чтение полученных данных. Блокировка объединяет функции команд записи/чтения и производит маршрутизацию данных между отправителем и получателем в обоих направлениях.

"Менеджер шины" обеспечивает общее управление ее конфигурацией, выполняя следующие действия: оптимизацию арбитражной синхронизации, управление потреблением электрической энергии устройствами, подключенными к шине, назначение ведущего устройства в цикле, присвоение идентификатора синхронного канала и уведомление об ошибках.

Чтобы передать данные, устройство сначала запрашивает контроль над физическим уровнем. При асинхронной передаче в пакете, кроме данных, содержатся адреса отправителя и получателя. Если получатель принимает пакет, то подтверждение возвращается отправителю. Для улучшения производительности отправитель может осуществлять до 64 транзакций, не дожидаясь обработки. Если возвращено отрицательное подтверждение, то происходит повторная передача пакета.

В случае синхронной передачи отправитель просит предоставить синхронный канал, имеющий полосу частот, соответствующую его потребностям. Идентификатор синхронного канала передается вместе с данными пакета. Получатель проверяет идентификатор канала и принимает только те данные, которые имеют определенный идентификатор. Количество каналов и полоса частот для каждого зависят от приложения пользователя. Может быть организовано до 64 синхронных каналов.

Шина конфигурируется таким образом, чтобы передача кадра начиналась во время интервала синхронизации. В начале кадра располагается индикатор начала и далее последовательно во времени следуют синхронные каналы 1, 2… На рисунке изображен кадр с двумя синхронными каналами и одним асинхронным

Оставшееся время в кадре используется для асинхронной передачи. В случае установления для каждого синхронного канала окна в кадре шина гарантирует необходимую для передачи полосу частот и успешную доставку данных.

Резюме

Таким образом, в скором будущем, на задней панели компьютера можно будет увидеть выходы всего двух последовательных шин: USB для низкоскоростных применений и Firewire - для высокоскоростных. Причем путь в жизнь у шины IEEE 1394 произойдет гораздо быстрее, чем у USB. В этом случае производители программных продуктов и аппаратуры действуют сообща. Уже сейчас доступны различные виды устройств с шиной Firewire, поддержка этой шины будет встроена в операционную систему Windows 98 и в ближайшем будущем ведущие производители чипсетов для PC встроят поддержку этой шины в свои продукты. Так что 1999 год станет годом Firewire.

(Intelligent Input/Output)

I₂O (Intelligent Input/Output) - спецификация, определяющая стандартную архитектуру интеллектуального ввода/вывода, не зависящую от специфических устройств и операционной системы. Спецификация I₂O призвана решить две ключевые проблемы:

• Занятость процессора операциями ввода-вывода

• Необходимость в разработке драйверов для каждого устройства и для каждой операционной системы

Суть архитектуры I₂O заключается в обработке низкоуровневых прерываний ввода-вывода, поступающих от устройств, не центральным процессором (CPU), а специализированным процессором ввода-вывода (IOP), разработанным специально для этой цели. В настоящий момент эта задача решается применением RISC-процессора i960, работающего на частоте 66 МГц со своей собственной памятью, объёмом до 64 МБ. При поддержке обмена сообщениями между несколькими процессорами, архитектура I₂O разгружает центральный процессор и позволяет выполнение задач, требующих интенсивного ввода-вывода и широкой полосы пропускания, например видеоприложений или работы в среде клиент-сервер. Применения I₂O не ограничены и она может быть использована как в однопроцессорных, так и многопроцессорных и кластерных системах.

Спецификация I₂O определяет разбиение драйвера устройства на две части: ОС-зависимого и аппаратно-зависимого модуля, созданного для конкретного устройства. Эти модули работают автономно и могут выполнять задачи независимо. В настоящее время поддержка I₂O обеспечивается в NetWare 4, Windows NT Server 5.0 и UnixWare. Таким образом, технология с разбиением драйвера, уменьшает общее число требуемых драйверов: производители операционных систем пишут по одному драйверу на каждый класс устройств, например дисковые контроллеры, а производители оборудования - по одному драйверу на каждое свое устройство, который может быть использован с любой операционной системой поддерживающий I₂O.

Одна из целей создания открытой архитектуры I₂O - обеспечение возможности легкого подключения устройств и написания драйверов, расширяющей возможности для создания новых систем.