• Introducción:
• Topología:
• Arquitectura:
• Arbitrage:
• Gestión del bus - Configuración:

INTRODUCCIÓN

El estándar IEEE 1394-1995 o bus HPSB (High Performance Serial Bus) describe un bus serie Plug&Play de alta velocidad utilizable tanto sobre placa (para interconexión de tarjetas sobre el mismo panel posterior) como sobre cable (para interconexión de tarjetas en distinto panel posterior o entre periféricos externos). Este estándar está a su vez basado en el estándar ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212), que describe una arquitectura de comunicación entre buses de sistemas microcomputadores a través de Registros de Comando y Estado (CSR).

El bus 1394 está basado en un bus original de Apple denominado FireWire, término utilizado todavía por muchos fabricantes, mientras que otros han adoptado el nombre i.Link, que es marca registrada de Sony Corp.

IEEE1394 permite la conexión tanto de dispositivos digitales multimedia de altas prestaciones, como grabadoras de vídeo, televisores, equipos de música, consolas de mezclas, etc, como de dispositivos tradicionales de PC como discos duros, CD-ROMs, impresoras, escáneres, etc. A diferencia de otros buses donde la comunicación depende de un control centralizado (por ejemplo, en un PC), IEEE 1394 soporta un modelo peer-to-peer, en la que cualquier dispositivo puede comunicarse directamente con cualquier otro, siempre que utilicen los mismos protocolos.

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TOPOLOGÍA

• Cada bus soporta hasta 63 dispositivos y se puede configurar en cadena y/o árbol. Esto quiere decir que de cada dispositivo pueden conectarse uno (cadena) o más (árbol) dispositivos (red no cíclica, no pueden crear bucles).

• La conexión física es punto a punto, con un espaciado de hasta 4.5 metros como máximo entre dispositivos.
• Pueden haber hasta 16 tramos de cable (conexiones) entre Nodos (saltos finitos), lo que permite la conexión directa de hasta 16 Nodos en Cadena (hasta 72 metros de cable en total).
• De cada Nodo pueden conectarse varias ramas (conexión en árbol). Los dispositivos típicos dispondrán de 3 conectores, aunque el estándar prevé desde 1 hasta un máximo de 16. Para poder establecer una cadena, es necesario que los dispositivos dispongan por lo menos de 2 conectores, mientras que para establecer una conexión en árbol, el dispositivo debe tener al menos 3 conectores. También pueden haber dispositivos con un sólo conector, por lo que sólo pueden conectarse como final de cadena.

• Los Bridges se utilizan para interconectar buses iguales o distintos:
  • Un controlador 1394 PCI es un Bridge entre los buses 1394 y PCI, que soporta por tanto hasta 63 nodos (dispositivos).
  • Se pueden utilizar Bridges entre buses 1394 y SCSI o entre buses 1394-cable y 1394-backpanel, etc.

• Se pueden mezclar dispositivos de distintas velocidades, aunque la velocidad del bus será la del dispositivo más lento. Se establecen 3 opciones de velocidad, a 98.304, 196.608 y 393.216 Mbps respectivamente. Estas velocidades se redondean, respectivamente, a 100, 200 y 400 Mbps, y el estándar los denomina oficialmente S100, S200 y S400. Actualmente está en desarrollo un nuevo estándar a 800 Mbps, y en un futuro está previsto superar el Gbps.
• Algunos controladores pueden soportar funciones de Mapa de Topología y de Velocidad, para permitir transferencias a distintas velocidades entre distintas parejas de dispositivos.

• Los enlaces punto-a-punto, la transmisión diferencial, la codificación Data-Strobe y la resincronización de señales en cada nodo hacen de 1394 un bus muy robusto a nivel de integridad de señal, lo que hace posible alcanzar fiablemente altas velocidades de transmisión.

• En cuanto a cables y conectores, inicialmente se definió la conexión a 6 hilos, y posteriormente (IEEE-1394a) se ha definido una conexión adicional a 4 hilos que pueden utilizar dispositivos que no se alimentan desde el propio bus. Los cables establecidos para cada caso son:
  • El cable apantallado de 4 conductores (2 pares twisteados y apantallados para señal).
  • El cable apantallado de 6 conductores (2 pares twisteados y apantallados para señal + 1 par twisteado para alimentación y masa). Los dispositivos con aislamiento galvánico pueden alimentarse a través de estos hilos de alimentación del bus.

   

  

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ARQUITECTURA

Capa física:

• El bus aparece como un mapa de memoria, con cada nodo ocupando un rango de direcciones.
• La configuración automática se realiza cada vez que se añade un dispositivo, cambiando el mapa de memoria.
• Los dispositivos y sus recursos internos se selección anmediante un direccionamiento directo y jerárquico con 64 bits: estándar de direccionamiento IEEE1212.

• 64 bits: 16 ExaBytes de espacio de memoria
  • Node ID (identificador de nodo): 16 bits:
    • Bus ID (dirección de bus): 10 bits = 1024 buses en un sistema.
    • Physical ID (dirección de nodo): 6 bits = 64 nodos por bus.
  • Node OFFSET (espacio de nodo): 48 bits = 256 Terabytes de espacio por nodo. Direcciona mediante los 48 bits menos significativos de la dirección total de 64 bits. Este espacio se divide en:
    • Espacio Inicial de Memoria.
    • Espacio Privado.
    • Espacio Inicial de Registro.
    • Espacio Inicial de Unidad.
  • De ellos, el Espacio Inicial de Registro es un espacio de 2 KB con dirección base FFFF F000 0000 hex, que está reservado para aquellos recursos que deben estar accesibles inmediatamente después de una inicialización (reset) del bus.

Node ID, Bus ID, Physical ID: Los 16 bits más significativos de la dirección total de 64 bits identifican un único nodo de entre todos los nodos que forman parte de los distintos buses del sistema. Los 10 bits más significativos de esta dirección son los mismos para todos los nodos pertenecientes a un mismo bus, cuyo valor se denomina Bus ID, mientras que los 6 bits menos significativos identifican un único nodo perteneciente a dicho bus, y se denomina Physical ID. Esta dirección Physical ID se asigna a cada nodo como parte del proceso de inicialización del bus (los nodos no se configuran manualmente).

La existencia de varios buses en un mismo sistema precisa de unos elementos (Bridges) para controlar y gestionar el flujo de información entre los mismos. Se pueden utilizar Bridges para aumentar el número de nodos más allá de 64, o para dividir el tráfico del bus en varios segmentos independientes, lo que permite utilizar más eficientemente el ancho de banda disponible.

En el caso habitual, una controladora PCI es un Bridge que podrá soportar por lo tanto hasta 64 dispositivos directamente, sin necesidad de hubs intermedios.

Asignación de dirección física (Physical ID): Cada vez que se enciende o se reinicia un bridge, y cada vez que se añade o se quita un nodo del bus, bien sea por conexión/desconexión física o por encendido/apagado del mismo, se asignan direcciones físicas a cada nodo. Los dispositivos no disponen de conmutadores de configuración, y además se soporta la conexión en caliente (hot-plug). La parte física que gestiona el interfaz 1394 en los dispositivos se denomina PHY, los cuales implementan la función de Configuración Automática de la Red que entre otras cosas gestiona el protocolo de asignación de direcciones físicas

Capa de enlace:

Transmisión de paquetes. Dos tipos de tansmisión:

• Transferencias isócronas: se garantiza una velocidad de transmisión predeterminada y garantizada mediante el envío de paquetes de duración 125 µs (ciclo), que se desglosan en un máximo de 64 canales -uno por dispositivo-. Un Canal Isócrono es una relación entre nodos que forman un grupo, en el que hay Transmisores (Talkers) y Receptores (Listeners). Cada grupo (canal) se identifica por un número entre 0 y 63. No se requiere confirmación. Se envía una cantidad arbitraria de datos a intervalos regulares a un nodo destino.
  • Son transferencias que tiene garantizada una tasa de transferencia de hasta el 80% del ancho disponible.
  • Hay un nodo especial que es el controlador de recursos isócronos (isochronous resource manager) que puede ser o no el nodo raíz.
  • El ancho de banda que un dispositivo isócrono puede obtener está sólo limitado por el ancho de banda ya ocupado por otros dispositivos isócronos.
  • Pueden ser transferencias de difusión (broadcast).
  • No incluyen corrección de errores.

   

• Transferencias asíncronas: En modo asíncrono, los datos y la información de la capa de transacción se envía a una determinada dirección y posteriormente se recibe un mensaje de reconocimiento que confirma que la información ha llegado a su destino. Sin ancho de banda garantizado y que se producen tras una competición limpia por el bus.
  • Incluyen diversos tamaños de paquetes, en función de la velocidad del cable.
  • Incluyen confirmación de recepción y corrección de errores.

En cada uno de estos modos de desarrolla a su vez tres fases distintas: secuencia de arbitraje, transmisión del paquete de datos y reconocimiento. Durante la secuencia de arbitraje un dispositivo que desee transmitir datos envía una petición de acceso al bus a la capa física. Durante la fase de transmisión el dispositivo fuente transmite un paquete de datos que contiene información de formato y transacción, la dirección de los dispositivos fuente y destino y los datos. La fase de reconocimiento consiste en el envío de un código de confirmación por parte del dispositivo destino indicando que los datos fueron correctamente recibidos.

Más interesante resulta la propuesta de FireWire de establecer asimismo comunicaciones en modo síncrono, ya que de esta forma se garantiza una velocidad de transmisión predeterminada y garantizada. Ello permite afrontar aplicaciones en el entorno multimedia, en las cuales es preciso efectuar la transmisión en tiempo real, lo que a su vez elimina la necesidad de instalar etapas de buffer.

Capa de transacción:

• Operaciones de lectura y escritura.
• Bloqeo de transferencias asíncornas.

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ARBITRAGE

• El tiempo de bus se divide en ciclos de 125ms de periodo.
• El nodo raíz es el maestro de ciclo.
• Un ciclo se inicia con un paquete de inicio de ciclo que se difunde a todo el bus.
• Inmediatamente se inician las transacciones isócronas (tiempo dividido en canales isócronos).
• Un dispositivo isócrono debe estar autorizado por el manejador de recursos isócronos.
• Un dispositivo isócrono puede tener asignado uno o más canales isócronos.
• Los dispositivos que desean utilizar los recursos isócronos arbitran por el bus ->notifican a su nodo padre que quieren el bus.
• Los dispositivos más cercanos al nodo raíz conseguirán ganar el bus.
• Un dispositivo que haya ganado un canal isócrono no competirá hasta el próximo ciclo por los canales isócronos.
• Tras las transferencias isócronas se inician las transferencias asíncronas con un mecanismo similar.

tramas asíncronas a), b) y isíncronas c)

1394 utiliza una señalización denominada "Data-Strobe", técnica patentada por STMicroelectronics, que evita la necesidad de trasmisión de señal de reloj. La transmisión de cada bit involucra un cambio en la línea de Data o en la de Strobe, pero nunca en ambas, con lo que el reloj se recupera fácilmente mediante la función XOR de ambas señales. Este sistema soporta a su vez la detección automática de velocidad.

La transmisión es diferencial y Semi-Duplex. Se utiliza un par twisteado para transmisión de Dato y recepción de Strobe, y el otro par se usa para recepción de Dato y transmisión de Strobe. Ambos pares son por tanto bidireccionales.

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GESTIÓN DEL BUS - CONFIGURACIÓN

• Reset del bus e inicialización:
  • Ocurre cuando se añade/elimina un nodo del bus.
  • El nodo que detecta la variación en la topología fija en TPA y TPB de todos sus puertos un '1' lógico.
  • Todos los nodos lo transmiten y pasan a estado de inactividad.
  • La inicialización elimina la información de la topología del árbol.

 

• Identificación del árbol
  • El nodo hijo acepta y desactiva Parent_Notify.
  • Los nodos rama envían un Parent_Notify a los puertos de los que no lo han recibido.
  • Si hay contención se reintenta un tiempo (aleatorio) después si es necesario.
  • El nodo raíz será el nodo que sólo tenga hijos.

   

• Identificación del árbol: Ejemplo
  • Un nodo puede forzar ser raíz retrasando su petición Parent_Notify.

   

  

• Autoidentificación:
  • El nodo raíz envía una señal Arbitration_Grant a su puerto menos significativo con un nodo hijo.
  • Si el nodo hijo es una rama repite el proceso. Si es una hoja se asigna a sí mismo el ID 0 y transmite a su padre un paquete Self_ID.
  • El paquete se transmite a lo largo del bus. Cada nodo incrementa su contador ID.
  • El nodo que se ha configurado señala un Self_ID_done a su padre ya que no tiene nodos hijo por configurar.
  • El nodo raíz continua enviando Arbitration_Grant a sus puertos de manera descendente.
  • Cuando un nodo recibe Self_ID_Done de todos sus puertos se configurará en el próximo Arbitration_Grant del nodo raíz.
  • El nodo raíz tendrá ID mayor del bus.

   

  

  • En el paquete Self_ID se transmite la velocidad de transmisión de cada nodo.
  • Al final de la autoidentificación cada nodo conoce la topología del bus y la velocidad de cada nodo.
  • La velocidad de transmisión de datos entre dos nodos será la menor de los nodos intermedios.
  • Todos los nodos que desean ser manejador de recursos isócronos (Isochronous Resource Manager) se identifican en el paquete Self_ID.
  • El número con mayor ID pasa a ser el IRM.

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