Энциклопедия PC
.pdf830 Глава14. Последовательныешины: USB, FireWire, FCAL, ACCESS.Bus
Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (Backplane). Под кросс-шинами подразумеваются обычно параллельные интерфейсы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабелю 1394. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами — специальными устройствами, осуществляющими передачу пакетов между шинами, фильтрацию трафика, а для соединения разнородных шин осуществляющими и необходимые преобразования интерфейсов. Интерфейсная карта шины FireWire для PC представляет собой мост PCI — 1394. Мостами являются также соединения кабельной шины 1394 с кросс-шинами периферийных устройств. Мосты могут соединять и кабельные шины, что расширяет топологические возможности соединенияустройств.
14.2.2. Протокол IEEE 1394
Протокол 1394 реализуется на трех уровнях (рис. 14.7).
т Уровень транзакций (Transaction Layer) преобразует пакеты в данные, предоставляемые приложениям, и наоборот. Он реализует протокол запросов-
ответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212,
редакция 1994 г.) архитектуры регистров управления и состояния CSR (Control and Status Register) для микрокомпьютерных шин (чтение, запись, блокировка). Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллельными шинами.
ш Уровень связи (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты и выполняет обратные преобразования. Он обеспечивает обмен узлов дейтаграммами с подтверждениями. Уровень отвечает за передачу пакетов и управление изохронными передачами.
« Физический уровень (Physical Layer) вырабатывает и принимает сигналы шины. Он обеспечивает инициализацию и арбитраж, предполагая, что в любой момент времени работает только один передатчик. Уровень передает потоки данных и уровни сигналов последовательной шины вышестоящему уровню. Между этими уровнями возможна гальваническая развязка, при которой микросхемы физического уровня питаются от шины. Гальваническая развязка необходима для предотвращения паразитных контуров общего провода, которые могут появиться через провода защитного заземления блоков питания.
Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микросхем — трансиверов физического уровня PHY Transceiver и моста связи с шиной LINK Chip. Связь между ними возможна, например, по интерфейсу IBM-Apple LINK-PHY. Микросхемы уровня связи выполняют все функции своего уровня и часть функций уровня транзакций, остальная часть уровня транзакций выполняется программно.
Для передачи асинхронных сообщений используется 64-битная адресация регистров устройств 1394. В адресе выделяется 16 бит для адресация узлов сети: 6- битное поле идентификатора узла допускает до 63 устройств в каждой шине; 10битное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 шин разного типа (включаявнутренние), соединенных мостами. Протокол
832 Глава14. Последовательныешины: USB, FireWire, FCAL, ACCESS.Bus
ние). Если подтверждение АСК не получено, передачи будут повторяться несколькораздодостиженияуспехаилификсацииошибки.
Изохронные передачи ведутся широковещательно. В сети может быть организовано до 64 изохронных каналов, и каждый пакет изохронной передачи кроме собственно данных несет номер канала. Целостность данных контролируется CRC-кодом. Изохронные передачи всех каналов «слышат» все устройства шины, но из всех пакетов принимают только данные интересующих их каналов. Уст- ройство-источник изохронных данных (камера, приемник, проигрыватель) на этапеконфигурированияполучаетномерипараметрывыделенногоемуканала.
Шина поддерживает динамическое реконфшурирование — возможность «горячего» подключения и отключения устройств. Когда устройство включается в сеть, оно широковещательно передает короткий асинхронный пакет самоидентификации. Все уже подключенные устройства, приняв такой пакет, фиксируют появление новичка и выполняют процедуру сброса шины. По сбросу производится определение структуры шины, каждому узлу назначается физический адрес и производится арбитраж мастера циклов, диспетчера изохронных ресурсов и контроллера шины. Через секунду после сброса все ресурсы становятся доступными для последующего использования, и каждое устройство получает полное представление обо всех подключенных устройствах и их возможностях. Отключение устройства от шины также обнаруживается всеми устройствами. Благодаря наличию линий питания интерфейсная часть устройства может оставаться подключенной к шине даже при отключении питания функциональной части устройства.
Мастер циклов — устройство, посылающее каждые 125 мкс короткие широковещательные пакеты начала циклов. В каждом этом пакете мастер циклов передает значение 32-битного счетчика времени, инкрементируемого с частотой 24,576 МГц, для каждого узла, поддерживающего изохронный обмен. В каждом цикле сначала передается по одному пакету каждого активного изохронного канала, затем на некоторое время зазора шина находится в состоянии покоя. После этого зазора начинается часть цикла, отводящаяся для передачи асинхронных пакетов. Каждое устройство, нуждающееся в асинхронной передаче, в этой части цикла может передать по одному пакету. Устройство, не имеющее пакета для передачи, шину и не занимает. После того как все нуждающиеся устройства передадут по одному пакету, в оставшееся время до конца цикла устройства могут передатьидополнительныепакеты.
Диспетчер изохронных ресурсов — устройство, ведающее распределением номеров каналов и полосы шины для изохронных передач. Диспетчер требуется, когда на шине появляется хоть одно устройство, способное к изохронной передаче. Диспетчер выбирается посредством арбитража из числа устройств, поддерживающих изохронный обмен. После сброса устройства, нуждающиеся в изохронной передаче, запрашивают требуемую полосу. Полоса измеряется в специальных единицах распределения, число которых в 125-микросекундном цикле составляет 6144. Единица занимает около 20 не, что соответствует времени, требуемому для передачи одного квадлета (quadlet, 32-битное слово) на частоте 1600 Мбит/с. Такой способ измерения полосы учитывает возможность совместной работы устройств сразнымискоростями— водномциклесоседние пакеты
14.2. ШинаIEEE 1394 — FireWire 833
могут передаваться на разных скоростях. Как минимум 25 мкс цикла резервируется под асинхронный трафик, поэтому суммарная распределяемая полоса изохронного трафика составляет 4915 единиц. Для цифрового видео, например, требуется полоса 30 Мбит/с (25 Мбит/с на видеоданные и 3-4 Мбит/с на аудио, синхронизацию и заголовки пакетов). В S100 устройства цифрового видео запрашивают около 1800 единиц, в S200 — около 900. Если требуемая полоса недоступна, диспетчер откажет устройству и не выделит ему номер канала. Устройство, не получившее канал, будет периодически повторять запрос. Когда изохронный обмен становится ненужным узлу, он должен освободить свою полосу и номер канала, чтобы этими ресурсами смогли воспользоваться другие устройства. Обмен управляющей информацией устройств с диспетчером производится асинхроннымисообщениями.
Контроллер шины (Bus Master) — необязательный элемент сети 1394, который осуществляет управление устройствами. Им может являться компьютер, редактирующее устройство цифровой записи или специальный интеллектуальный пульт управления. Контроллер шины, реализующий карты топологии и скоростей (Topology_Map и Speed_Map), допускает использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары устройств, участвующих в обмене. Иначе при подключении устройств, рассчитанных на разные скорости, все передачибудутпроисходитьнаскорости, доступнойдлявсехактивныхустройств.
14.2.3.Устройстваиадаптеры1394
ВPC-совместимом компьютере (в отличие от Macintosh) интерфейс 1394 пока не так распространен, как ставшая уже обязательной шина USB. Адаптеры Fire-Wire чаще всего встречаются в виде карт расширения, но они уже встраиваются в некоторые модели системных плат. Адаптер 1394 для PC является мостом PCI1394, поскольку только шина PCI способна пропустить максимальный поток шины FireWire. Микросхемы для FireWire выпускает ряд фирм. Поначалу в основном использовались пары микросхем: LINK chip (микросхема уровня связи) и PHY chip (кристалл физического уровня). Это было связано со сложностью производства высокоскоростных микросхем физического уровня (на уровне связи S400 достигли быстро, а физический уровень на некоторое время «застрял» на S100 и S200). Модернизация такого адаптера сводилась лишь к последующей замене одного компонента. Сейчас применяют и однокристальные решения. Например, микросхема VIA Fire II (VT6306) представляет собой трехпор-товый адаптер S400 для шины PCI, поддерживающий и шину Card Bus (для мобильных компьютеров).
Интерфейс 1394 становится общепринятым для устройств современной цифровой бытовой аудио-, видео- и фототехники, которые используют эту шину и без участия компьютера. Кроме цифровых устройств, имеющих встроенные адаптеры1394, кшинеFireWire возможноподключениеитрадиционныханалоговыхи цифровых устройств (плейеры, камеры, мониторы) через адаптеры-преобразо- вателиинтерфейсовисигналов.
С интерфейсом 1394 выпускаются и устройства хранения данных — приводы CD иDVD, AV-диски(винчестеры, оптимизированныедлязаписиичтениямуль-
834 Глава14. Последовательныешины: USB, FireWire, FCAL, ACCESS.Bus
тимедийных данных). Выпускаются и преобразователи интерфейсов 1394-IDE, оформленные в виде корпусов для стандартных IDE-устройств форматов 5" или 3,5". В эти корпуса можно установить обычные винчестеры, приводы CD и DVD (включая и рекордеры), получая переносные устройства хранения данных. Для ОС и приложений устройства хранения выглядят как SCSI-устройства соответствующих классов, что обеспечивается протоколом SBP-2 (Serial Bus Protocol), инкапсулирующим пакеты SCSI-3 в пакеты 1394.
14.2.4. Использованиешины1394
Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в контроллере. Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления — приемник «услышит» эту информацию. При наличии контроллера соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мультимедийнымиданнымивсехзаинтересованныхпотребителейинформации.
Для шины 1394 наиболее привлекательна возможность соединения устройств бытовой электроники (имеется в виду пока что не «наш», а «их» быт) в «домашнюю сеть», причем как с использованием PC, так и без. При этом стандартные однотипные кабели и разъемы 1394 заменяют множество разнородных соединений устройств бытовой электроники с PC. Разнотипные цифровые сигналы (сжатые видеосигналы, цифровые аудиосигналы, команды MIDI и управления устройствами, данные) мультиплексируются в одну шину, проходящую по всем помещениям. Используя одни и те же источники данных (приемники вещания, устройства хранения, видеокамеры и т. п.), можно одновременно в разных местах просматривать (прослушивать) разные программы с высоким качеством, обеспечиваемым цифровыми технологиями. Применение компьютера с адаптером 1394 и соответствующим ПО значительно расширяет возможности этой сети. Компьютер становится виртуальным коммутатором домашней аудио-видео студии. Приложения для аудио- и видеоустройств используют логические «вилки» (plugs) и «розетки» (sockets), которые являются аналогами разъемов, применяемых в обычной аппаратуре. Вилки соответствуют выходам, розетки — входам устройств. «Вставляя» эти «вилки» в «розетки», можно собрать требуемую систему. Конечно, для того чтобы она заработала, в устройствах должна быть реализована спецификация Digital Interface for Consumer Electronic Audio/Video Equipment — расширение стандарта IEEE-1394, предложенная DVC (Digital Video Consortium). Co временем она должна стать стандартом ISO/IEC.
Адаптер FireWire, например АНА-8940 фирмы Adaptec, может устанавливаться в любой PC (или Мае), имеющий свободный слот PCI. Для редактирования видео хватает мощности рядового современного ПК (минимальные требования — Pentium 133, 32 Мбайт ОЗУ, 256 Кбайт кэш, желательно быстрый SCSI-диск).
Поддержка 1394 имеется в ряде ОС, среди которых Windows 98, Windows 95 OSR 2.1 и более новые. Для редактирования аудио-видео файлов (AVI) приме-
нимы, например, пакетыAdobe Premiere, Asymetrix Digital Video Producer, Ulead
14.3. ИнтерфейсFibre Channel (FCAL) 835
MediaStudio, MGI VideoWave. Кодек-конвертер цифровых видеоданных (DV), передаваемых по шине 1394, в AVI-файл поставляется фирмой Adaptec.
Одной из проблем цифровой передачи мультимедийной информации является защита авторских прав. Пользователь должен иметь возможность высококачественного воспроизведения принимаемых программ или приобретенных дисков, однако авторы (производители) содержимого в свою очередь должны иметь возможность защитить свои права, по своему усмотрению вводя ограничения на цифровое копирование. Для этих целей объединение «5С» (5 компаний — Sony, Matsushita, Intel, Hitachi и Toshiba) разрабатывают спецификацию шифрования данных.
14.3. ИнтерфейсFibre Channel (FCAL)
Последовательный интерфейс Fibre (Fiber) Channel, или FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop — кольцо волоконного канала с арбитражем), занимает промежуточное положение между интерфейсами периферийных устройств (SCSI-3) и технологиями локальных сетей. Этот интерфейс может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 1 ГГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический — до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Для двухточечного соединения возможен полнодуплексный режим (200 Мбайт/с), недоступный для обычных параллельных шин. Недавно фирма Adaptec выпустила адаптер со скоростью 2 Гбит/с (и оптика, и медь), обратно совместимый с обычным (1 Гбит/с). В полнодуплексном режиме достигается суммарная пропускная способность 400 Мбайт/с, В кольцо может объединяться до 126 узлов, длина кольца может достигать 10 км. По организации кольцо напоминает FDDI — все узлы собираются в замкнутую цепочку и транслируют приходящие кадры дальше по кольцу. Обмен данными между устройствами возможен как с установлением соединений, так и без них. Одновременно может быть открыто множество соединений, причем относящихся к разным протоколам (например, SCSI и IP). Аппаратура Fibre Channel включает интерфейсные адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. Интерфейсные адаптеры представляют собой карты для компьютеров (для высокопроизводительных шин, например PCI). С интерфейсом FCAL выпускаются устройства хранения данных (дисковые и ленточные накопители, массивы накопителей). Концентраторы для FCAL в принципе необязательны, но они позволяют организовать кольцо на звездообразной топологии и обеспечить обход отказавших (отключенных) узлов — без них кольцо становится уязвимым при отказе линии или устройства. Коммутаторы (как, например, в технологии Ethernet) позволяют для группы подключенных устройств организовывать соединения «каждый с каждым», что эффективно, например, в случае разделяемого использования несколькими серверами нескольких устройств хранения. Маршрутизаторы, или мосты, позволяют соединять FCAL с другими средами передачи информации
836 Глава14. Последовательныешины: USB, FireWire, FCAL, ACCESS.Bus
(например, с классическим интерфейсом SCSI или со средами локальных сетей). В настоящее время FCAL применяется для подключения устройств внешней памяти к серверам, когда требуется высокая производительность в условиях значительного удаления устройств друг от друга. В принципе FCAL позволяет организовывать разделяемое использование ресурсов, обеспечивая и резервирование линий связи, ноздесьпока имеются сложностинауровне операционныхсистем.
14.4. Последовательнаяшина
ACCESS.Bus иинтерфейс12С
Последовательная шина ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанная фирмой DEC, является шиной взаимодействия компьютера с его аксессуарами — например, монитором (канал VESA DDC), интеллектуальными источниками питания (Smart Battery) и т. п. Шина позволяет по двум сигнальным и двум питающим (12 В, 500 мА) проводам подключить до 14 устройств ввода-вывода, длина шины может достигать 8 м. Аппаратной основой является интерфейс 12С, характеризуемый простотой реализации, но низкой производительностью. Над аппаратным протоколом PC для шины ACCESS.Bus имеется базовый программный протокол, с которым взаимодействуют протоколы конкретных подключенных устройств. Протоколы обеспечивают подключение/отключение устройств без перезагрузки ОС. Подробнее онирассмотрены в[4].
Интерфейс PC, разработанный фирмой Philips, в PC появился сравнительно недавно и используется как внутренняя вспомогательная шина системной платы для общения с энергонезависимой памятью идентификации установленных компонентов (модулей памяти DIMM). Шина отличается предельной простотой реализации — две сигнальные линии, с которыми работают программно. По прямому назначению эту шину применяет пока только BIOS при определении аппаратных средств, но использование перезаписываемой памяти конфигурирования открывает новые возможности для привязки ПО к конкретной системе (точнее, установленному модулю) и... для вирусов. Способ программного доступа к шине пока не стандартизован, но при желании его можно «вычислить», изучив документациюначипсет.
Последовательный интерфейс PC обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизация SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства — ведущее (Master) и ведомое (Slave). Каждое из них может выступать в роли передатчика, помещающего на линию SDA информационные биты, или приемника. Синхронизацию задает ведущее устройство — контроллер. Линия данных — двунаправленная с выходом типа «открытый коллектор» — управляется обоими устройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена сверху величиной 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного, что позволяет организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.
14.4. ПоследовательнаяшинаACCESS. Bus иинтерфейс12С 837
Протокол PC позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA различные логические уровни сигналов, то «победит» тот, который установит низкий уровень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнаружении несоответствия (передает высокий уровень, а «видит» — низкий) отказывается от дальнейшей передачи. Устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена — как только конфликт обнаружен, «проигравший» передатчик отключится, а «победивший» продолжит работу.
Шины р
Шины расширения (Expansion Bus) предназначены для подключения различных адаптеров периферийных устройств к системной плате. Интерфейсы шин расширения PC ведут историю с 8-битной шины ISA. Ее открытость обеспечила появление широкого спектра плат расширений, позволивших использовать PC в различных сферах. С появлением АТ-286 шина была расширена (ISA-16) для обеспечения возможности подключения большего числа карт расширения и ускорения обмена. Как альтернатива этой дешевой массовой шине была разработана шинаEISA, призваннаясделатьобменещеболеепроизводительныминадежным. В нейвоплотилисьпрогрессивныеидеиавтоматизацииконфигурирования(прототип РпР), позволяя устанавливать и ISA-адаптеры. Шина МСА, предложенная IBM, не была поддержана производителями PC, так как ее спецификация была закрытой. С появлением процессора 486 родилась высокоскоростная локальная шина VLB. Однако она была лишь дополнением к слоту шины ISA/ EISA и использовалась в основном для графических карт и дисковых контроллеров. Принципиальная привязка к шине процессора 486 не обеспечила ей долголетия. Современная скоростная шина PCI является стандартной для компьютеров с процессорами х86 всех поколений выше четвертого, используется в Power PC и других платформах. Развитием шины PCI, нацеленным на дальнейшее ускорение обмена, явился порт AGP, предназначенный для подключения графического адаптера. В отличие от вышеперечисленных шин, являющихся средством подключения множества устройств, порт AGP образует выделенный канал связи чипсета системной платы с одним устройством, правда, в грядущей версии он тоже станет шиной. Развитием PCI именно как шины является новая специфи-
кацияPCI-X.
Шинырасширения 705
Для подключения микросхем интегрированных интерфейсов и устройств, не требующих производительности и функциональности шины PCI, долгое время использовалась локальнаяшинаX-Bus. Эташинапосоставусигналовипротоколу аналогична шине ISA, но не выводится на разъемы (то есть сугубо локальна). К этой шине подключают контроллеры интерфейсов последовательных и параллельных портов, контроллера НГМД, CMOS-таймер, микросхемы ROM BIOS, контроллер клавиатуры, аудиокодек и прочие «мелочи», не входящие в основные микросхемы чипсета. В последнее время ее сменил новый интерфейс LPC, обеспечивающий ту же функциональность, нос малымколичеством сигналов (за что и получил свое название) и в синхронном варианте. Синхронность по отношению к PCI позволяет избежать ряда неприятностей, обусловленных асинхроннойприродойISA иX-Bus.
Всовременныхнастольныхкомпьютерахосновнойшинойрасширенияявляется
PCI; порт AGP присутствует практически повсеместно; шина ISA, несмотря на рекомендации отойти от нее, сохраняется как средство подключения старых карт расширений. Шины MCA, EISA и VLB можно встретить лишь на старых компьютерах, системные платы с ними уже не выпускаются, хотя карты расширения (пожалуй, кроме VLB) еще в продаже встречаются.
Для блокнотных компьютеров, поначалу имевших закрытую архитектуру, потребность в подключении периферии привела к появлению стандартизованной шины PCMCIA, впоследствии переименованной в PC Card. Шина PC Card является 16-разрядной, функционально она сродни шине ISA. Рост мощности блокнотных ПК потребовал и более эффективной шины, которой стала шина
Card Bus.
Впромышленных и встроенных компьютерах широко применяется шина ISA
как в традиционном слотовом варианте, так и в «бутербродном» варианте PC/104. Также здесь применяется шина PCI в различных модификациях, включая Compact PCI и PXI.
Шины расширения являются средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам непосредственно использовать системные ресурсы PC — пространства памяти и ввода-вывода, прерывания, каналы прямого доступа к памяти. Как следствие, изготовителям модулей расширения приходится точно следовать протоколам шины, включая жесткие частотные и нагрузочные параметры, а также временные диаграммы. Отклонения приводят к несовместимости с некоторыми системными платами. Если при подключении к внешним интерфейсам это ведет к неработоспособности только самого устройства, то некорректное подключение к системной шине может блокировать работу всего компьютера. Следует также учитывать ограниченность ресурсов PC. Самые дефицитные из них — линии запросов прерываний; проблема прерываний, известная по шине ISA, так и не была радикально решена с переходом на PCI. Другой дефицит — каналы прямого доступа шины ISA, используемые и для прямого управления шиной, — в шине PCI исчез. Доступное адресное пространство памяти и портов ввода-вывода, в котором было тесновато абонентам шины ISA, в PCI существенно расширено. Проблемы распределения ресурсов на шинах решаютсяпо-разному, ночащевсегоприменяетсятехнологияРпР.
Втабл. 12.1 данахарактеристика стандартных шинрасширения PC.