PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Шина IEEE 1394 — FireWire

Физический уровень шины IEEE 1394

Трансляция сигналов (функции повторителя)

Соединение более двух узлов в шину IEEE 1394 возможно только при использовании многопортовых узлов. Многопортовость реализуется в PHY-уровне узла, который для этого должен иметь в своем составе несколько интерфейсных портов и повторитель. Повторитель (Repeater) служит для передачи пакетов между портами и кодером-декодером своего узла:

  • пакет, исходящий с другого узла и не предназначенный для данного узла, транслируется с порта, на который он пришел, во все остальные активные порты, для которых согласованная скорость достаточна для передачи данного пакета;
  • пакет, исходящий с другого узла и предназначенный данному узлу, транслируется в другие порты (с учетом скорости), а также декодируется и передается LINK-уровню (если он поддерживает эту скорость);
  • пакет, исходящий из данного узла, посылается во все порты (с учетом скорости).

Повторитель узла выполняет ресинхронизацию данных по своему тактовому генератору. Поскольку тактовая частота узлов не может совпадать абсолютно точно, ресинхронизация требует применения эластичного буфера (с FIFO-организацией). Принимаемая битовая последовательность помещается в буфер на частоте входного сигнала. Биты на передачу начинают выбираться из FIFO-буфера после того, как там наберется некоторое начальное количество бит. Это вводит неизбежную задержку трансляции данных повторителем. В процессе трансляции число бит в FIFO может колебаться: если частота вывода (определяется частотой данного узла) чуть ниже частоты принятого сигнала, то в буфере биты будут накапливаться. Если частота вывода выше, то буфер будет опустошаться. Переопустошение буфера, естественно, недопустимо — оно приведет к ошибке данных. Начальный порог заполнения выбирается исходя из максимально допустимого расхождения частот и максимальной длины передаваемого пакета.

Питание от шины

Для питания узлов постоянным током в кабелях IEEE 1394 предусмотрена отдельная пара проводов — VG (общий провод, GND) и VP (положительный полюс питания) с напряжением 8–40 В при токе до 1,5 А. В 1394a диапазон напряжений сужен до 8–33 В. Узлы могут быть источниками, потребителями питания или не пользоваться питанием от шины; их отношение к питанию сообщается в поле pwr пакета самоидентификации. В узлах-повторителях линии питания всех портов объединены. Узлы-источники питания подают напряжения на линию питания через ограничитель тока и диод, так что мощность, подаваемая от нескольких узлов, суммируется. При подключении узел сначала может потреблять от шины не более 1 Вт (1394a — 3 Вт), при этом обязательно должен быть включен уровень PHY. Уровни LINK и выше, как и прикладная часть устройства, могут потреблять дополнительную мощность, заявленную в поле pwr. Однако эти уровни будут включаться только по команде от диспетчера шины или диспетчера изохронных ресурсов. Каждый узел контролирует питание от шины: при напряжении выше 7,5 В он устанавливает бит PS (power status), сообщаемый в пакете самоидентификации. При падении уровня напряжения ниже 7,5 В физический уровень должен обнулить бит PS и уведомить об этом событии управляющее ПО.

Понятие классов питания (Power Class) относится к питанию узлов от кабельной шины IEEE 1394. Класс питания узла сообщается им в поле pwr пакета самоидентификации. В соответствии с классом питания возможны следующие конфигурации узла:

  • узел с автономным питанием (Self-Power), для которого возможно несколько вариантов:
         -----однопортовый узел не питается от шины и не подает питание сам (pwr = 0);
         -----многопортовый узел не питается от шины, не транслирует питание с других портов и не подает питание сам (pwr = 0);
         -----многопортовый узел не питается от шины, но транслирует питание с других портов (pwr = 4);
  • поставщик питания (Power Provider, pwr = 1, 2 или 3) — узел питается самостоятельно и подает на шину питание с указанием минимальной мощности;
  • альтернативный поставщик питания (Alternate Power Provider, pwr = 4) — узел может питаться от шины, а также может поставлять питание;
  • потребитель (Power Consumer, pwr = 5, 6 или 7) — узел (только однопортовый) питается от шины. До завершения конфигурирования мощность потребляет только PHY (не более 1 или 3 Вт). Верхние уровни (LINK и выше), требующие дополнительной мощности, узел включает только по команде от диспетчера.

Характеристики классов питания приведены в таблице. В 1394a и 1394b параметры потребления несколько отличаются от первоначальных определений 1394– 1995 и зарезервирован класс 5. Для класса 4 поставляемая мощность указывается в памяти конфигурации узла.

Таблица. Классы питания

Клас (pwr) Поставляет, Вт Потребляет, Вт (1394–1995) Потребляет, Вт (1394a, b)
PHY LINK PHY LINK
0 0 0 0 0 0
1 15 0 0 0 0
2 30 0 0 0 0
3 45 0 0 0 0
4 01 1 0 3 0
5 0 1 2 Резерв Резерв
6 0 1 5 3 3
7 0 1 9 3 7

{1 Для класса 4 поставляемая мощность указывается в памяти конфигурации узла.}


 

Каждой конфигурации соответствует своя схема соединения линий питания портов, собственного PHY и внутреннего (батарейного или сетевого) источника питания. Обобщенная схема питания узла приведена на рисунке ниже, для каждой из вышеприведенных конфигураций на схеме будут отсутствовать те или иные элементы.

Общие идеи следующие:

  • для многопортового узла следует предусмотреть питание PHY-уровня до последней возможности — это обеспечивает целостность шины (отключение питания PHY сегментирует шину, поскольку узел не сможет транслировать сигналы и трафик). Питание на PHY может подаваться и от кабеля, и от внутреннего источника (через диоды);
  • поставщик питания должен подавать питание на каждый порт через индивидуальные разделительные диоды и ограничители тока (рис. а). При этом каждый порт представляет отдельный домен питания (Power Domain);
  • альтернативный поставщик, обеспечивающий напряжение ниже 20 В, может и не обеспечивать разделения доменов (но индивидуальные ограничители тока обязательны);
  • узел с автономным питанием, транслирующий питание, при числе портов более двух должен иметь ограничители тока на каждый порт.

На рисунке в качестве ограничителей тока условно изображены плавкие предохранители. Реально, конечно же, используются или электронные ограничители, или самовосстанавливающиеся полупроводниковые предохранители.

 

Гальваническая развязка

Возможность гальванической развязки узлов шины IEEE 1394 позволяет решить ряд проблем, связанных с объединением «схемных земель» соединяемых устройств. В аудиотехнике из-за наводок в контуре заземления возникают помехи, неприемлемые для работы высококачественной аппаратуры, на которую и ориентирована шина.

В первых спецификациях, в которых используется только DS-сигнализация, гальваническая развязка возможна только в интерфейсе PHY-LINK. Этот параллельный интерфейс содержит значительное число сигнальных цепей, по которым передаются сигналы с уровнями логики КМОП или ТТЛ. Большая часть этих сигналов имеет весьма высокую частоту переключения (около 50 МГц), что не позволяет применить дешевую оптронную развязку1. Оптроны удобно применять только для медленных сигналов LinkOn и LPS. Кроме того, ряд сигнальных цепей используется для двунаправленной передачи, что осложняет схему развязки. Самый простой и дешевый способ развязки — введение разделительных конденсаторов. Однако при этом развязка осуществляется только по постоянному току (типичное напряжение развязки до 60 В); высокочастотные помехи, вызывающие пульсации на общем проводе, будут воздействовать на интерфейс. Полную развязку обеспечивают только импульсные трансформаторы (1:1), устанавливаемые в каждой цепи; при этом достижимо напряжение изоляции развязки до 500 В. Однако это слишком дорогой и громоздкий вариант, который используется редко. И конденсаторы, и трансформаторы фактически выполняют дифференцирование сигналов (передают только перепады). Специально для этого и LINK, и PHY имеют конфигурирующие сигналы Direct, по которым интерфейсные цепи настраиваются на прием непосредственных сигналов (без развязки) или дифференцированных (с развязкой).

В приложении стандарта IEEE 1394 и в основном тексте IEEE 1394a приводится довольно громоздкая схема конденсаторной развязки (рис. а), содержащая большое число резисторов, «подтягивающих» уровни сигналов. В IEEE 1394b приведена более элегантная схема установки привязки состояний входов, использующая КМОП-вентили (повторители) с высокоомной обратной связью (рис. б). На рисунках изображены цепи развязки для одной из десяти сигнальных линий.

Для портов, работающих в бета-режиме (IEEE 1394b), полная гальваническая развязка стала возможной в цепях сигналов внешнего электрического интерфейса. Параметры этой развязки приводятся в начале данной главы. Использование оптоволоконной связи позволяет обеспечить бескомпромиссную развязку с любым требуемым напряжением изоляции.

Гальваническая развязка сигнальных цепей подразумевает и развязку для кабельного питания. Эта развязка осуществляется с помощью импульсных преобразователей напряжения (DC/DC Converter).

 


1 — Обычные оптроны слишком инерционны, быстродействующие оптические приемники, применяемые, например, в сетях передачи данных, слишком дороги.