PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

http://teploxot.ru погружной или поверхностный насос для скважины.

Шина IEEE 1394 — FireWire

Физический уровень шины IEEE 1394

Передача данных

Данные передаются в дифференциальном виде по обеим парам проводов. При этом по линии A передаются стробы, а по линии B — последовательные данные. Принимаются данные по линии B, а стробы — по линии A. Синхронизация данных осуществляется с помощью стробов весьма своеобразным способом. Сами данные передаются в NRZ-коде — уровень сигнала во время битового интервала соответствует значению данного передаваемого бита. Стробы при передаче формируются из тактового сигнала — меандра с периодом в два битовых интервала — и самих данных. При приеме данные и стробы поступают на логический элемент Исключающее ИЛИ (функция XOR). Немного задержанный выходной сигнал этого элемента является сигналом битовой синхронизации, по фронтам и спадам которого «защелкиваются» биты последовательных данных. Для того чтобы все биты пакета были извлечены из декодера приемника, приходится добавлять дополнительные биты (Dribble bits): 1 для S100, 3 для S200 и 7 для S400. Эти биты при передаче вводит PHY, он же их исключает при приеме, так что LINKуровень с ними дела не имеет. Значение дополнительных битов соответствует тому сигналу, в который должен завершать пакет: Data_Prefix или Data_End (см. ниже).

Передача данных начинается с префикса данных (Data Prefix) — состояния линий [0 1]. Префикс данных длится не менее 140 нс. Во время префикса данных передается и сигнал идентификации скорости (Speed Signal) — синфазное смещение уровней сигнала на паре B. Смещение вводится с помощью управляемых источников тока (в передатчике B) и измеряется компараторами (в приемнике A). Этот ток смещает среднее напряжение на линии относительно смещения TpBias. Величина тока и, соответственно, величина смещения на TPB кодируют скорость передачи пакета:

  • S100 — нет тока смещения, среднее напряжение на TPB — не ниже 1,17 В;
  • S200 — ток смещения 3,5 мА, среднее напряжение на TPB — 0,94–1,17 В;
  • S400 — ток смещения 10 мА, среднее напряжение на TPB — 0,52–0,94 В.

Скорость передачи пакета заказывает приложение узла, запрашивающего передачу. При трансляции пакетов PHY будет посылать (транслировать) высокоскоростной пакет только на те порты, которые поддерживают данную скорость. На остальные порты на все время передачи пакета будет передаваться префикс данных, чтобы обозначить занятость шины.

Обычным признаком окончания пакета является сигнал Data End — состояния линий [1 0] длительностью 0,25 мкс. В соединенных транзакциях пакеты разделяются префиксом данных, который будет играть роль признака конца данных для предшествующего пакета.

На рисунке ниже. приведены временные диаграммы одной субакции. Здесь изображены сигналы на парах TPA, TPB порта узла, посылающего пакет субакции и принимающего пакет подтверждения. В нижней части рисунка показаны сигналы, передаваемые портом (Tx:) и принимаемые им (Rx:). Увеличенная амплитуда дифференциального сигнала на TPA в начале передачи префикса данных обусловлена столкновением сигнала префикса, посылаемого данным портом, с сигналом предоставления права на передачу, еще не снятым узлом-партнером. На рисунке изображена нормальная форма выполнения транзакции (с передачей одиночного пакета). В случае соединенной (concatenated) формы выполнения (например, передачи одним узлом нескольких пакетов самоидентификации) пакеты разделяются лишь префиксами данных, а признак конца (Data_End) вводится только после передачи последнего пакета.

Интерфейс в бета-режиме IEEE 1394b

Интерфейс бета-режима построен с учетом возможности использования различных сред передачи сигналов по двум встречным однонаправленным линиям. Здесь исключена сложная дифференциально-линейная сигнализация с распознаванием различных уровней смещения и анализом состояния сигналов арбитража, являющихся результатом одновременной работы передатчиков соединенных устройств на одну и ту же сигнальную пару. Вся информация в бета-режиме передается с помощью 10-битных символов, передаваемых последовательно простым кодированием по методу NRZ. Чтобы избежать электромагнитных помех от шины, сосредоточенных в узких полосах спектра при передаче монотонных данных или служебных сигналов, передаваемые потоки скремблируются. Скремблированные данные проходят через кодер 8B/10B, который из байтов данных делает 10-битные символы. Это избыточное кодирование позволяет сформировать битовый поток, в котором ограничена длина повторяющихся битов (не более пяти нулей или единиц подряд) и среднее число нулей совпадает со средним числом единиц. Такой поток удобно передавать по различным средам передачи (отсутствует постоянная составляющая) и декодировать, синхронизируясь по перепадам сигнала, встречающимся не реже чем через 5 битовых интервалов. При приеме битовая последовательность подвергается обратным преобразованиям. Аналогичное кодирование-декодирование применяется в Ethernet, FDDI и других коммуникационных технологиях.

В структуре PHY узла 1394b появился сменный нижний уровень PMD (Physical Media Dependent), соответствующий физической среде передачи. Для коротких медных линий (STP) это дифференциальные приемопередатчики, для длинных (UTP) они содержат и разделительные трансформаторы. Для оптоволокна это оптические трансиверы с лазерным или светодиодным излучателем. «Двуязычный» порт должен иметь и традиционный набор дифференциальных и линейных приемопередатчиков, работающих только на традиционный кабель.

В бета-режиме в линию передаются символы, несущие полезную и служебную информацию:

  • байты данных — заголовки и тела передаваемых пакетов;
  • байты запросов, которые могут содержать:
       ---асинхронные и изохронные запросы BOSS-арбитража, упакованные в один байт: 3 бита на код асинхронного запроса (NONE_ODD, NONE_EVEN, CURRENT, NEXT_ODD, NEXT_EVEN, CYCLE_START_REQ, BORDER), 3 бита на код изохронного запроса (ISOCH_NONE, ISOCH_EVEN, ISOCH_ODD, ISOCH_CURRENT) и два бита нулевые). Асинхронные и изохронные запросы независимы друг от друга;
       ---запрос и фазу традиционного арбитража (LEGACY_REQUEST, LEGACY_PHASE, номер фазы кодируется двумя битами);
       ---конфигурационные запросы: TRAINING, DISABLE_NOTIFY, CHILD_NOTIFY-IDENT_DONE-PARENT_HANDSHAKE, OPERATION, STANDBY, SUSPEND, PARENT_NOTIFY.
  • Управляющие маркеры (4-битные коды): BUS_RESET, CYCLE_START_EVEN, CYCLE_START_ODD, ASYNC_EVEN, ASYNC_ODD, ATTACH_REQUEST-ARB_CONTEXT, DATA_PREFIX, DATA_END, DATA_NULL, GRANT, GRANT_ISOCH, SPEEDa, SPEEDb, SPEEDc.

Байты данных и запросов скремблируются и кодируются в 10-битные символы единообразно, их можно различать только по контексту. Управляющие маркеры кодируются так, что они в 10-битных символах явно отличимы от данных и запросов. Избыточное кодирование является помехозащищенным — недопустимые комбинации считаются ошибочными. Для обеспечения побайтной синхронизации используются специальные символы, не совпадающие с символами, представляющими байты передаваемой информации.

Традиционные порты с DS-сигнализацией могут передавать и принимать пакеты на любой из доступных им скоростей, поскольку битовая синхронизация автоматически обеспечивается функцией XOR от состояния данных и строба. В бетарежиме передача и прием возможны только на одной скорости, согласованной портами-партнерами. На эту скорость настраивается система фазовой автоподстройки частоты (PLL) приемника. При этом эффективная скорость передачи информации может совпадать с согласованной скоростью порта или же составлять от нее 1/2, 1/4, 1/8, …, 1/32 части. Последний случай относятся к порту, работающему на S3200 и передающему пакет на скорости S100.

Пакеты могут передаваться как в традиционном (Legacy) формате, так и в бетаформате. Пакеты бета-формата передаются только между бета-узлами, в традиционные фрагменты гибридной шины они не транслируются. Передачи на скоростях S800 и выше возможны только в бета-формате. Общая структура формата передачи приведена на рисунке ниже. Для сохранения возможности обмена с узлами, поддерживающими различные скорости и форматы, применяются специальные меры:

  • управляющие маркеры размножаются — передаются столько раз, во сколько эффективная скорость меньше скорости работы порта;
  • вводится префикс пакета, в котором передается код скорости и определяется формат пакета;
  • если эффективная скорость ниже скорости порта, между символами содержимого пакета вводятся символы-заполнители.

Префикс пакета начинается с кода скорости, за которым следует один или несколько символов-маркеров начала данных DATA_PREFIX. Код скорости определяет относительную скорость передачи (отношение эффективной и согласованной скорости) и формат. Отсутствие кода скорости означает передачу традиционного пакета на скорости S100. Кодирование скорости и формата приведено в таблице ниже. Здесь буквой В обозначен символ SPEEDb, буквой C обозначен символ SPEEDc, Cm означает m повторов символа SPEEDc. Букве X соответствует SPEEDа для традиционного пакета и SPEEDb для бета-пакета, по этим символам и определяется формат пакета. В таблице приведено и время Ts, отводимое для сигнализации скорости.

Содержимое пакета — символы, кодирующие передаваемые байты, — «разбавляется» управляющими маркерами SPEEDc. Их количество определяется отношением скоростей: 1 для 1/2, 3 для 1/4, 7 для 1/8, 15 для 1/16 и 31 для 1/32. На рисунке изображены символы-заполнители Cz для случая, когда скорость порта в 4 раза выше эффективной скорости передачи пакета. По пути к узлу-получателю пакет может проходить через сегменты с различными согласованными скоростями, в результате количество символов-заполнителей может меняться (сокращаться при прохождении через «медленные» сегменты или увеличиваться при прохождении более скоростных). Понятно, что пройти через сегмент, для которого согласованная скорость ниже эффективной, пакет не сможет.

Признаком завершения пакета может быть любой из символов-маркеров (возможно, повторяющийся многократно) ARB_CONTEXT, DATA_END, DATA_PREFIX, DATA_NULL, GRANT, GRANT_ISOCH или LEGACY_PHASE. Традиционные пакеты могут завершаться и одним из символов DATA_END/GRANT/GRANT_ISOCH (их цепочкой), за которым следует LEGACY_PHASE (один или несколько).

Таблица. Кодирование скорости и формата передач

Скорость порта Эффективная скорость
S100 S200 S400 S800 S1600 S3200
S100 X          
S200 CX X        
S400 CCXC CX X      
S800 CCCXC4 CCXC CX B    
S1600 CCCCXC11 CCCXC4 CCXC CB B  
S3200 CCCCCXC26 CCCCXC11 CCCXC4 CCBC CB B
Ts, нс 80 40 20 10 5 2,5

Обнаружение подключения и согласование скорости

В бета-режиме обнаружение подключения и согласование скорости портов происходит без использования сигнализации постоянным током, как это было в IEEE 1394 и 1394a. Сигнализация подключения осуществляется тональными сигналами, передаваемыми по линии TPA и прослушиваемыми с линии TPA. Двуязычные узлы имеют оба механизма обнаружения подключения: тональный и с сигнализацией постоянным током. Алгоритм работы обнаружения подключения работает таким образом, чтобы по возможности установить соединение в бета-режиме. Если это не удается (партнер не посылает тональный сигнал, а упорно подает смещение), то включается традиционная схема обнаружения подключения и согласование скорости.

Для согласования скорости в бета-режиме используются серии тональных посылок. Эти серии отличимы от одиночных посылок обнаружения подключения, а также от непрерывных тональных сигналов пробуждения (resume), хотя в них используется одна и та же частота (48–61 МГц). Диаграмма посылок приведена на рисунке ниже. Каждый тональный сигнал представляет один бит (есть тон — бит единичный). Узел передает посылки, в которых закодирована максимальная поддерживаемая им скорость, одновременно прослушивая сигнал от партнера. Обнаружив посылку от партнера, он посылает посылку с битом ack = 1 (до того было ack = 0), в которой теперь указывает согласованную скорость (минимальную из передаваемой и принимаемой посылок). Приняв посылку с единичным битом ack, порт прекращает посылки согласования, и соединение устанавливается на общедоступной скорости. В посылке согласования скоростей два бита — P (PIL_Capable) и F (FOP_Capable) относятся к свойствам интерфейса порта.

После согласования скорости порты должны взаимно синхронизироваться: установить битовую синхронизацию, определить границы символов и синхронизировать друг с другом свои скремблеры и дескремблеры. Для этого выполняется процедура тренировки (training) — порты обмениваются специальными тренировочными последовательностями символов.

Установленная синхронизация в процессе работы может быть потеряна. Порт отслеживает потерю синхронизации: у него имеется счетчик неверных принятых символов. Прием каждого неверного символа инкрементирует счетчик, прием подряд двух верных символов декрементирует счетчик (в пределе до нуля). Если счетчик успевает досчитать до четырех, порт считает, что синхронизация потеряна и ее требуется восстановить с помощью тренировочной последовательности. Тренировку может инициировать и его партнер, послав запрос TRAINING.

Предотвращение петлевых соединений

Петлевые соединения узлов недопустимы и запрещены в шине IEEE 1394; за их отсутствие отвечает пользователь, соединяющий устройства. Петлевые соединения приводят к «зависаниям» конфигурирования и арбитража, а также к бесконечно повторяющимся сбросам. В дополнении 1394b введен механизм автоматического исключения петлевых соединений, правда, пригодный только для узлов с портами, работающими в бета-режиме.

При соединении устройств их порты согласуют скорости и выполняют тренировку, после чего переходят в состояние Untested (не тестирован). Для каждого нетестированного порта узел должен проверить, не приведет ли разрешение его работы к петле в шине. Если тест дает отрицательный результат (петли не будет), то порт переводится в активное состояние (Active); если петля будет, то порт переводится в запрещенное состояние (Loop-disabled). Проверка на петлевые соединения производится посылкой тестового пакета LTP (Loop-Test Packet) в тестируемый порт и сравнением символов, принимаемых с остальных портов, с тестовым символом, передаваемым в LTP. Если принимаемые символы не совпадают, значит, петли нет и можно разрешить работу порта. Если символ совпадает, то делается попытка тестирования с другим значением символа (это может быть случайным совпадением). Если совпадение происходит на нескольких разных символах, это является признаком петли и работу порта разрешать нельзя. Для того чтобы тестировать свои порты, узел должен получить управление шиной, выиграв арбитраж.

Состояние Standby

В новом энергосберегающем состоянии порта и узла — Standby, введенном в 1394b, PHY не обеспечивает взаимодействия своего узла с шиной. В режим Standby порт узла переходит по получении пакета Standby с идентификатором данного узла. Этот пакет посылает узел, управляющий энергопотреблением. Переход произойдет только при соблюдении ряда условий:

  • порт является единственным подключенным портом данного узла и работает в бета-режиме;
  • узел не является корневым;
  • LINK-уровень узла поддерживает бета-режим;
  • порту не запрещен переход в состояние Standby (флаг enable_standby = 1).

Узел, порт которого перешел в состояние Standby, получает статус «племянника» (nephew node). Этот узел теряет представление о событиях, происходящих на шине (даже таких, как сброс). Этот узел и сам не может стать инициатором сброса (запись в его регистр ibr игнорируется). «Интересы племянника» на шине представляет его «дядя» (uncle node) — узел-партнер его по связи. Порт «дяди», обращенный к «племяннику», также переводится в состояние Standby (по приему символа STANDBY, который посылает «племянник»). Если теперь произойдет сброс на шине, то «дядя» будет посылать пакеты самоидентификации не только за себя, но и за своего «племянника». Переход порта узла-«племянника» в нормальное рабочее состояние происходит либо по запросу шины от своего LINK-уровня, либо по пробуждающему тональному сигналу, принимаемому по линии от «дяди». При этом нормальную работу узел может начинать только после получения от «дяди» пакета восстановления Restore, содержащего идентификатор узла-племянника (он мог поменяться из-за сброса на шине), значение зазора (gap_count), указание фазы шины и уведомление о происшедшем сбросе (если он был). Этот пакет LINK-уровню не передается; в ответ на него порт должен выполнить действия в соответствии с функциями BOSS-арбитража (как на последний пакет в субакции). Многопортовый узел, который вернулся из состояния Standby по событию подключения к его другому порту, должен в этом случае послать маркер BUS_RESET, чтобы шина отработала подключение новых узлов.

Для того чтобы представлять интересы «племянников», узел должен сохранять пакеты самоидентификации, принимаемые им по каждому из портов. Тогда, получив символ STANDBY от какого-либо своего порта, он сможет представлять интересы своего появившегося «племянника». «Дядя» должен восстановить нормальную работу «племянника» по получении пакета Restore со своим идентификатором, в котором указан номер порта восстанавливаемого «племянника». По этому событию «дядя» посылает в данный порт тональный сигнал восстановления. Если восстановление инициируется «племянником», то он посылает тональный сигнал восстановления. Сгенерировав или получив тональный сигнал, «дядя» и «племянник» устанавливают взаимную синхронизацию своих портов. Затем «дядя», запросив и выиграв арбитраж на шине, посылает в порт «племянника» пакет восстановления (в остальные порты и в свой LINK он посылает нуль-пакеты). Пакет восстановления завершается символом DATA_END, по которому «племянник» становится «боссом» и переводит свой порт в активное состояние.

Интерфейс для кросс-шины (Backplane)

Физический интерфейс для использования в кросс-шине имеет ряд особенностей, отличающих его от кабельного варианта. Эти особенности касаются только PHY-уровня; на работе LINK-уровня и вышестоящих они не сказываются. Интерфейс отличается следующими моментами.

Вместо двух дифференциальных пар (TPA и TPB), соединяющих порты узлов попарно, используются два сигнальных провода STRB и DATA, к которым подключены все соединяемые порты 1394 на шасси. Уровни сигналов на этих линиях стандартом не оговариваются. Для работы шины существенно лишь, чтобы в случае столкновения передач логического «0» и «1» состояние линии воспринималось бы всеми узлами как «1». То есть шина должна обеспечивать логическую функцию «Проводное ИЛИ». В случае ТТЛ-интерфейса шины логической единице соответствует низкий уровень напряжения и передатчиками являются элементы с открытым коллектором. Приемопередатчики узлов должны быть способными одновременно и передавать, и принимать сигнал.

Здесь также используется DS-кодирование, но с более низкими скоростями: формальной скорости S100 соответствует скорость около 50 Мбит/с, S200 — 100 Мбит/с.

Механизм арбитража для такой физической шины изменен. Для получения доступа к шине устройство должно послать 10-битную последовательность арбитража. Последовательность арбитража передается с использованием DS-кодирования, причем всегда на низкой скорости (49,152 Мбит/с). Последовательность начинается с 4-битного кода приоритета, за которым следует 6-битный арбитражный номер узла (его PHY_ID). Посылая эту последовательность, узел следит за состоянием линии (принимает эту последовательность). Как только узел видит, что очередной принимаемый бит отличается от передаваемого, он понимает, что арбитраж в данной попытке проигран. Последовательность арбитража узел имеет право посылать, только дождавшись покоя шины. При этом последовательность одновременно могут начать посылать несколько узлов. Выиграет арбитраж тот узел, который посылает последовательность с самым большим значением кода приоритета, а из узлов с одинаковым приоритетом — тот, у которого самый большой номер. Исходя из этого код приоритета 0000 используется для запроса справедливого арбитража, код 1111 — для запроса передачи пакета мастером циклов.

Межпакетные зазоры в кросс-шине значительно сокращены; здесь они определяются в арбитражных тактах (частоты 49,152 МГц):

  • зазор пакета подтверждения Acknowledge Gap — 4 такта на обнаружение (около 183 нс), на шину пакет подтверждения выдается после 8 тактов покоя;
  • зазор между субакциями (Subaction Gap) — 16 тактов на обнаружение, пакет передается после 20 тактов покоя (около 410 нс);
  • зазор сброса арбитража (Arbitration Reset Gap) — 28 тактов на обнаружение, шину можно занимать после 32 тактов покоя (около 651 нс).

Сигнал сброса по кросс-шине не передается. Подключение/отключение узлов на ходу допускается, но механизм автоконфигурирований (самоидентификации узлов) не используется — физические идентификаторы узлам назначаются какимилибо сторонними способами.

Кросс-шина 1394 используется как дополнительная шина в составе параллельных шин VME64, FutureBus, GTLP. Здесь ее роль является вспомогательной (как SMBus в PCI). Несмотря на низкую (по отношению к кабельному варианту) скорость, последовательная шина остается высокопроизводительным каналом связи, поддерживающим все передачи 1394.