Шины.PCI,.USB.и.FireWire

Физический уровень шины IEEE 1394

Физический уровень PHY (Physical Layer) IEEE 1394 обеспечивает связь узлов в единую шину. Физический уровень стандарта определяет механические харак$ теристики соединительных разъемов, а также требования к их характеристикам передачи сигналов. В стандарте определено несколько типов разъемов, соответ$ ствующих применяемым кабелям. В 1394b в физическом уровне введено допол$ нительное разделение: введен подуровень PMD (Physical Medium Dependent), за$ висящий от используемой среды передачи (разновидностей медных и оптических кабелей).

В современной редакции стандарта IEEE 1394 фигурирует два типа сигнализа$ ции — традиционная DS$сигнализация шин 1394 и 1394a и бета$сигнализация, введенная в IEEE 1394b. Эти типы используют разные схемы сигнального кодиро$ вания — DS$кодирование и кодирование 8B10B; бета$сигнализация допускает и разнообразие типов среды передачи (электрические и оптические кабели). Все эти различия в основном сосредоточены на физическом уровне.

Физический уровень выполняет кодирование и декодирование сигналов состоя$ ния шины и потоков данных. В многопортовых узлах он обеспечивают и трансля$ цию сигналов между своими портами.

Физический уровень узла обеспечивает функционирование шины (включая транс$ ляцию сигналов и отработку автоконфигурирования) без участия и даже при отключенном LINK$уровне (и вышестоящих). Узел может и не иметь LINK$уров$ ня — его многопортовый PHY будет выполнять функции кабельного концентра$ тора$повторителя.

Физический уровень отвечает за кабельное питание — его подачу или потребле$ ние. На физическом уровне может быть организована гальваническая развязка узлов. Для DS$сигнализации эта развязка реализуется в интерфейсе PHY$LINK, для бета$сигнализации развязка возможна в сигнальных цепях кабеля.

На физическом уровне решаются задачи конфигурирования шины и арбитража, рассмотренные в главах 19 и 20. Вопросы взаимодействия с физическим уровнем рассмотрены в главе 23.

Физический интерфейс

Первый вариант физического интерфейса шины был определен в IEEE 1394–1995

ив дополнениях 1394a–2000 не претерпел существенных изменений. В этом вари$ анте каждое кабельное соединение состоит из двух пар сигнальных электрических проводов и, дополнительно, пары проводов для подачи питания. Обе сигнальные пары используются для двунаправленной передачи сигналов, дифференциальных

илинейных. При передаче данных по одной паре узел передает данные в последо$ вательном коде, по другой — стробы. Этот режим получил название DS Mode (Data$ Strobe), он обеспечивает простой механизм синхронизации приемника и передат$ чика при любой скорости обмена. Для служебной сигнализации (например, об обнаружении подключения/отключения узла) используется сигнализация посто$ янным током. Кроме того, требуется различать несколько уровней напряжения для сигнализации скорости. Из$за этого гальваническая развязка узлов на уровне ка$ бельного интерфейса оказывается невозможной.

В IEEE 1394b введен режим сигнализации Beta Mode, в котором используются две встречные однонаправленные сигнальные линии. Примененный метод сигналь$ ного кодирования 8B/10B избавляет от постоянной составляющей сигнала; избы$ точность кодирования позволяет использовать «лишние» символы для специаль$ ной сигнализации. Приемнику не требуется распознавать несколько уровней сигнала. Это позволяет использовать как электрическую, так и оптическую пере$ дачу, а для электрической передачи возможна полная гальваническая развязка приемников и передатчиков через импульсные трансформаторы. Порты 1394b могут быть универсальными «двуязычными» (bilingual), поддерживающими оба режима, или чисто бета$портами.

Кабели и коннекторы для DS режима

Разъемы, используемые в кабельной шине IEEE 1394, специально разработаны для обеспечения «горячего» подключения/отключения. Контакты, используемые для цепей земли и питания (VG и VP), длиннее других — они при подключении соеди$ няются раньше, а при отключении разъединяются позже сигнальных. На портах устанавливаются гнезда, на кабелях — вилки.

Стандарт IEEE 1394 определяет малогабаритный 6$контактный разъем для под$ ключения устройств, изображенный на рис. 22.1, а. Его экранирующий кожух ис$ пользуется как дополнительный контакт и связывается с оплетками витых пар и контактом цепи VG.

ВIEEE 1394a дополнительно определен миниатюрный 4$контактный разъем: вилка (на кабель) с плоскими контактами и розетка с пружинными контактами (рис. 22.1, б). В качестве дополнительного контакта (цепь VG) используется экранирующий кожух. Подача питания через такой разъем не предусмотрена. Существуют кабе$ ли$адаптеры с 4$контактной и 6$контактной вилками на разных концах.

ВIEEE 1394b определен миниатюрный 9$контактный разъем: вилка с пружинны$ ми контактами и розетка с плоскими контактами. Разъемы имеют две модификации:

для бета$портов (рис. 22.1, в) с широким ключом на кожухе;

для «двуязычных» портов (рис. 22.1, г) с узким ключом.

На вилках имеются соответствующие ключи; к бета$порту можно подключить ка$ бель только с бета$вилкой, к «двуязычному» — с любой вилкой 1394b. Кабель с «двуязычной» вилкой может на противоположном конце иметь вилку любого типа (4$, 6$ или 9$контактную). Контакт 7 (SC, Status Contact) пока не используется (ос$ тается неподключенным).

Рис. 22.1. Разъемы IEEE 1394 (размеры увеличены): а — 6 контактное гнездо;

б— 4 контактное гнездо; в — 9 контактное гнездо Beta порта;

г— 9 контактное гнездо «двуязычного» порта

Стандартный 6$проводный кабель 1394 содержит две экранированные витые пары для передачи сигналов (TPA и TPB) и, дополнительно, два провода для питания устройств. Все эти провода помещаются в общий экран. Сигнальные пары провод$ ников соединяются перекрестно. При необходимости могут использоваться адап$ теры$переходники с разъемами разных типов. Соединения контактов вилок кабе$ лей иллюстрирует табл. 22.1.

Таблица 22.1. Соединительные кабели FireWire

В IEEE 1394b для борьбы с помехами по земляным проводам предпринят ряд мер, возможных с применением 9$контактного разъема. Обратные (общие) провода — экранные оплетки пар TPA(R) и TPB(R) — выведены на отдельные контакты (5 и 9). Цепь TPB(R) соединяется со схемной землей и проводом VG непосредственно, а TPA(R) соединяется со схемной землей через параллельно соединенный рези$ стор (1 МОм) и конденсатор (0,1 мкФ). Общий экран соединяется со схемной землей через такую же RC$цепочку. Схему соединения «земель» узлов иллюс$ трирует рис. 22.2.

Рис. 22.2. Соединение схемных земель узлов в IEEE 1394b

Кабели и коннекторы бета режима 1394b

В IEEEE 1394b для бета$режима введены новые варианты среды передачи (табл. 22.2): и соответствующие типы разъемов (рис. 22.3).

Таблица 22.2. Варианты среды передачи для бета режима IEEE 1394b

UTP 5 (Unshielded Twisted Pair Cat 5) — неэкранированная витая пара катего$ рии 5 со стандартными коннекторами RJ$45, длина сегмента до 100 м. Парамет$

ры линии должны соответствовать стандарту на структурированные кабельные системы TIA$568 (или ISO 11801). Используются две пары проводов: контакты 1, 2 для TPB+ и TPB–; 7, 8 для TPA+ и TPA–. Порт должен поддерживать возмож$ ность перекрестного соединения: по умолчанию (No_Crossover) он передает сиг$ нал по TPB и принимает по TPA. По управляющему запросу Crossover порт меня$ ет назначение пар TPA и TPB. Питание через кабель UTP$5 не предусматривается. Кабель UTP подключается через разделительные трансформаторы, обеспечи$ вающие гальваническую развязку, выдерживающую один из следующих тестов (на выбор):

1500 В переменного тока 50–60 Гц в течение 1 мин;

2250 В постоянного тока в течение 1 мин;

последовательность из десяти импульсов чередующейся полярности ампли$ тудой 2400 В с временами фронта и спада 1,2/50 мс;

POF и HPCF — оптоволоконные варианты с разъемами PN (дуплексные, диаметр стержня 2,5 мм, шаг 10,16 мм). Передатчики — светодиоды с длиной волны 650 нм.:

POF (Plastic Optical Fiber) — пара пластиковых волокон диаметром 1000 мкм со ступенчатым индексом преломления. Это самый дешевый вариант опти$ ческой связи на малых расстояниях;

HPCF (Hard Polymer Clad Fiber) — пара твердых полимерных волокон диа$ метром 225 мкм с градиентным индексом преломления;

MMF (Multi Mode Fiber) — пара многомодовых стеклянных волокон 50/125 мкм, Параметры линии должны соответствовать стандарту на структурированные кабельные системы TIA$568 (или ISO 11801). Разъемы — малогабаритные дуп$ лексные LC. Передатчики — коротковолновые лазерные диоды с длиной волны 830–860 нм, выходная мощность не менее –10 дБм1. Чувствительность прием$ ников не хуже –16,5 дБм.;

STP (Shielded Twisted Pair) — экранированные витые пары с более высокими характеристиками передачи, чем в прежних версиях IEEE 1394. Кабели для бета$ режимов вплоть до S1600, обеспечивающие длину сегмента до 4,5 м, должны иметь витые пары калибра 25AWG; они имеют на оболочке маркировку «1394b 2PR/25AWG 2C/22AWG». Более тонкие пары (30AWG) обеспечивают длину до 2 м, они маркируются «1394b 2PR/30AWG 2C/26AWG». Для питания у них используются провода калибров 22AWG и 26AWG (больший номер калибра соответствует более тонким проводам).

Микросхемы PHY 1394b поддерживают любую среду передачи; соответствующие преобразования сигналов осуществляются в элементах PMD: RC$цепях для STP, трансформаторах для UTP и оптических трансиверах для POF, HPCF и MMF.

1В оптической связи единичное значение мощности установлено на уровне 1 мВт. Единицей измере$ ния уровня мощности (дБм) является отношение средней мощности оптического излучения к еди$ ничному значению мощности, выраженное в децибелах. Таким образом, шкала мощности в единицах дБм является логарифмической, что более удобно, чем использование линейной шкалы в мВт. —

Примеч. ред.

Рис. 22.3. Разъемы IEEE 1394b для бета режимов: а — гнездо RJ 45 (для UTP); б —гнездо PN (для OF и HPCF); в —гнездо LC (для MMF)

Порт с электрическим интерфейсом в бета$режиме (для STP или UTP) несложно преобразовать в оптический. Для этого требуется оптический трансивер, поддер$ живающий требуемую скорость передачи, и несложные схемы преобразования уровней сигналов. При использовании трансиверов с низковольтным псевдоЭСЛ интерфейсом (LV PECL) эти схемы содержат всего 8 резисторов, задающих сме$ щение уровней сигналов трансиверов, и 4 разделительных конденсатора.

Электрический интерфейс в DS режиме

Электрический интерфейс использует комбинацию дифференциальных и линей$ ных сигналов, передаваемых по двум парам сигнальных проводов. Дифференци альные сигналы используются для следующих целей:

подачи сигнала сброса;

арбитража;

конфигурирования;

передачи пакетов.

Линейные сигналы обеспечивают:

обнаружение подключения/отключения устройств;

сигнализацию скорости передачи данных;

сигнализацию приостановки/возобновления работы (suspend/resume)

Схема приемопередатчиков порта IEEE 1394a приведена на рис. 22.4. В версии 1394–1995 отсутствовали элементы, выделенные серым цветом. Для каждой сиг$ нальной пары (A и B) у порта имеются передатчики и приемники дифференци$ альных и линейных сигналов. При соединении двух узлов кабелем приемопере$ датчики соединяются перекрестно: пара A порта одного устройства соединяется с парой B другого устройства.

Большая часть интерфейсных функций выполняется с помощью дифференциаль$ ной передачи сигналов по витым парам A и B. Высокие скорости передачи предъяв$ ляют жесткие требования к электрическим параметрам кабелей, коннекторов, передатчиков и приемников. Для дифференциальной сигнализации обеспечива$ ется волновое согласование портов с линией с помощью пар резисторов$термина$ торов (55 Ом). Ограничение на длину кабельного сегмента (4,5 м) диктуется усло$ виями передачи: на частоте 400 МГц затухание сигнала не должно превышать 5,8 дБ

(почти двукратное снижение амплитуды). Дифференциальным способом переда$ ются как высокочастотные сигналы передачи данных, так и сравнительно низко$ частотные сигналы конфигурирования, арбитража и индикации скорости. Пара$

метры дифференциальных сигналов на выходе передатчика и входе приемника приведены в табл. 22.3.

Таблица 22.3. Амплитуда дифференциальных сигналов

Дифференциальный сигнал может находиться в одном из трех состояний:

«1» — TPx + > TPx–;

«0» — TPx + < TPx–;

«Z» — TPx + ≈ TPx– (передатчик отключен или передатчики обоих портов пы$ таются передавать противоположные значения).

Эти три состояния воспринимаются и различаются компараторами арбитража, которые имеются на обоих парах порта. Передаются сигналы арбитража с помощью дифференциального передатчика. Сигналы арбитража имеют относительно боль$ шую длительность (доли микросекунды).

Распознавание подключения отключения устройств и состояние порта

Каждый порт через резисторы$терминаторы (55 Ом) подает от источника смеще$ ния TpBias напряжение 1,6–2 В на линии пары A и измеряет среднее значение на линиях пары B (приемник состояния Port_Status). Если измеренное напряжение превышает 1 В, это означает, что на противоположном конце кабеля имеется под$ ключенное устройство. Уровень напряжения ниже 0,6 В является признаком от$ ключения устройства. Поскольку кабель соединяет линии A и B пары устройств перекрестно, оба устройства видят присутствие или отсутствие друг друга. Под$ ключение партнера определяется сигналом Port_Status, вырабатываемым детекто$ ром состояния (линейным приемником пары B).

В 1394a введена возможность приостановки узла, которая подтверждается сняти$ ем напряжения смещения. Для узла 1394 это будет означать отключение устрой$ ства. В 1394a введена дополнительная схема обнаружения подключения/отклю$ чения: в приемопередатчик пары A введен источник маленького тока Icd (не более 76 мкА) и детектор отключения. Когда противоположный узел подключен, этот ток проходит в землю через нагрузку около 5 кОм (терминаторы на противопо$ ложном узле и заземляющий резистор), так что на входе детектора отключения напряжение не превышает 0,4 В. При отсоединении противоположного узла на$ грузка снимается и напряжение на входе детектора поднимается выше 0,4 В. Эта схема обнаружения отключения включается только после согласования перехода в режим Suspend, когда снимается подача напряжения смещения. В состоянии по коя шины (Bus Idle State), когда активные порты двух узлов соединены друг с дру$ гом, на обоих парах A и B присутствует напряжение смещения (TpBias).

В 1394a введены дополнительные состояния порта:

Disabled — работа порта запрещена, он не передает никаких сигналов (но сме$ щение подает) и не воспринимает сигналы;

Suspended — порт приостановлен, при этом он не подает напряжение смещения и включает детектор отключения.

Сигнализация арбитража

Каждый порт может по своим линиям передавать сигналы Arb_A(Tx) и Arb_B(Tx) и принимать сигналы Arb_A(Rx) и Arb_B(Rx), принимающие значения 0, 1 или Z. Сигнал, передаваемый узлом$1 по линии A, приходит на соседний узел$2 по линии B; при этом он может «сталкиваться» с сигналом, передаваемым узлом$2 по линии B. Для сигнала, передаваемого по линии B, действует симметричное правило. Та$ ким образом, принимаемый сигнал является функцией от передаваемых сигналов двух передатчиков: Arb_A1(Rx) зависит от Arb_A1(Tx) и Arb_B2(Tx), Arb_B1(Rx) зави$ сит от Arb_A2(Tx) и Arb_B1(Tx). Если один из передатчиков находится в состоянии Z, то приемник видит сигнал от другого передатчика без изменений. Если оба пе$ редатчика передают один и тот же сигнал, то приемник его так и воспринимает.

При декодировании сигналов арбитража действуют следующее правило домини рования единицы:

если порт передает сигнал 0, а принимает Z (это значит, что соседний узел пере$ дает 1), то это состояние декодируется как «1»;

если порт передает сигнал 1, а принимает Z (это значит, что соседний узел пере$ дает 0), то это состояние тоже декодируется как «1».

Сигналы арбитража используются для сброса шины, конфигурирования и соб$ ственно арбитража. Состояние передаваемых (Arb_A(Tx), Arb_B(Tx)) и принимае$ мых (Arb_A(Rx), Arb_B(Rx)) сигналов в различных фазах работы шины приведено в табл. 22.4. В качестве принимаемых значений здесь указаны декодированные со$ стояния (с учетом посылаемых сигналов и правила доминирования единицы).

Таблица 22.4. Сигналы арбитража в различных фазах шины