Введение

Стандарт IEEE 1355 1995, IEC 14575 или ISO 14575 — это стандарт передачи данных для гетерогенного соединения (HIC). IEC 14575 представляет собой недорогую, малозадержную, масштабируемую последовательную систему межсоединения, изначально разработанную для связи между большим количеством недорогих компьютеров. IEC 14575 лишен многих сложностей, присущих другим сетям передачи данных. Стандарт определяет несколько различных типов сред передачи (включая провода и оптоволокно) для различных областей применения. Благодаря совместимости сетевой логики высокого уровня, возможны недорогие электронные адаптеры. IEEE 1355 часто используется в научных лабораториях. Среди сторонников — крупные лаборатории, такие как CERN, и научные организации. Например, ESA продвигает производный стандарт под названием SpaceWire.

Голы

Протокол был разработан для простой и недорогой коммутируемой сети, состоящей из соединений типа «точка-точка». Эта сеть надежно передает данные в пакетах переменной длины на высокой скорости. Маршрутизация пакетов осуществляется методом маршрутизации «червоточина». В отличие от Token Ring и других типов локальных вычислительных сетей (LAN) с сопоставимыми характеристиками, IEEE 1355 масштабируется до более чем тысячи узлов без необходимости увеличения скорости передачи данных. Сеть предназначена для передачи трафика от других типов сетей, в частности, протокола Интернет и режима асинхронной передачи (ATM), но не зависит от других протоколов для передачи данных или коммутации. В этом плане она схожа с многопротокольной коммутацией по меткам (MPLS). IEEE 1355 преследовал цели, аналогичные Futurebus и его производным Scalable Coherent Interface (SCI) и InfiniBand. Система маршрутизации пакетов IEEE 1355 также аналогична VPLS и использует схему маркировки пакетов, подобную MPLS. IEEE 1355 достигает своих проектных целей с помощью относительно простой цифровой электроники и минимального объема программного обеспечения. Эта простота высоко ценится многими инженерами и учеными. Пол Уокер (см. ссылки) отметил, что при реализации на FPGA стандарт занимает около трети аппаратных ресурсов, необходимых для UART (стандартный последовательный порт), обеспечивая при этом в сто раз большую пропускную способность передачи данных, реализуя при этом полноценную коммутационную сеть и будучи более простым в программировании. Исторически IEEE 1355 берет свое начало в асинхронных последовательных сетях, разработанных для процессора Transputer T9000 с использованием встроенных последовательных интерфейсов данных. Утверждение 16. Срок действия патента истек в 2011 году.

Использование

IEEE 1355 послужил основой для разработки SpaceWire. Он иногда используется для цифрового обмена данными между научными приборами, контроллерами и системами регистрации. IEEE 1355 применяется в научной аппаратуре благодаря простоте программирования и способности самостоятельно обрабатывать большинство событий без использования сложного программного обеспечения реального времени. IEEE 1355 определяет недорогие, высокоскоростные сетевые среды для передачи данных на короткие расстояния, предназначенные для внутренних протоколов электронных устройств, включая сетевые коммутаторы и маршрутизаторы. Также в него включены сетевые протоколы для средних и больших расстояний, предназначенные для локальных и глобальных сетей. IEEE 1355 разработан для организации соединений типа «точка-точка». Следовательно, он мог бы заменить наиболее распространенные области применения Ethernet, если бы использовал эквивалентные технологии передачи сигналов (например, дифференциальную сигнализацию с низким напряжением). IEEE 1355 может быть эффективен для потребительской цифровой техники. Протокол проще, чем Universal Serial Bus (USB), FireWire, Peripheral Component Interconnect (PCI) и другие потребительские протоколы. Эта простота позволяет снизить стоимость оборудования и повысить его надежность. IEEE 1355 не определяет транзакции на уровне сообщений, поэтому их необходимо определять в дополнительных стандартах. В 1997 году в Европе была создана тестовая сеть из 1024 узлов под названием Macramé. Исследования, проведенные для оценки производительности и надежности тестовой сети Macramé, предоставили ценную информацию рабочей группе, разработавшей стандарт.

Что это такое?

Работа Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) была спонсирована Комитетом по стандартам архитектуры шин в рамках инициативы "Открытые микропроцессорные системы". Председателем группы был Колин Уитби Стревенс, сопредседателем – Роланд Марбот, а редактором – Эндрю Кофлер. Стандарт был утвержден 21 сентября 1995 года как IEEE Standard for Heterogeneous InterConnect (HIC) (низкая стоимость, низкая задержка, масштабируемая последовательная связь для построения параллельных систем) и опубликован как IEEE Std 1355-1995. В октябре 1999 года была создана отраслевая ассоциация, которая поддерживала веб-сайт до 2004 года. Семейство стандартов использует схожую логику и поведение, но работает в широком диапазоне скоростей по различным типам сред передачи. Авторы стандарта утверждают, что ни один отдельный стандарт не охватывает все требования к цене и производительности сети. Поэтому стандарт включает в себя сегменты (как они выражаются) для однопроводных (дешевых), дифференциальных (надежных) и высокоскоростных (быстрых) электрических интерфейсов, а также для волоконно-оптических интерфейсов. Интерфейсы для больших расстояний или высокоскоростные интерфейсы спроектированы таким образом, чтобы исключить чистую передачу энергии по кабелю. Скорость передачи данных варьируется от 10 мегабит в секунду до 1 гигабита в секунду. Нормальные данные в сети состоят из 8-битных байтов, передаваемых с управлением потоком. Это обеспечивает совместимость с другими распространенными средами передачи, включая стандартные телекоммуникационные линии. Максимальная длина различных сред передачи данных составляет от одного метра до 3 километров. Стандарт на 3 км обеспечивает наивысшую скорость. Остальные – более доступные по цене. Разъемы определены таким образом, что если вилка подходит к гнезду, соединение должно работать. Кабели имеют вилки одного типа на обоих концах, поэтому для каждого стандарта требуется только один тип кабеля. "Удлинители" определяются как разъемы с двумя гнездами, соединяющие два стандартных кабеля. Интерфейсная электроника выполняет большую часть обработки пакетов, маршрутизацию, обслуживание и управление протоколом. Для этих задач программное обеспечение не требуется. В случае возникновения ошибки, концы соединения обмениваются интервалом тишины или сигналом сброса, а затем перезапускают протокол, как после включения питания. Коммутационный узел считывает первые несколько байтов пакета как адрес, а затем пересылает остальную часть пакета на следующую линию связи, не читая и не изменяя ее. Это называется "коммутацией типа "червоточина"" в приложении к стандарту. Коммутация типа "червоточина" не требует программного обеспечения для реализации коммутационной матрицы. Простая аппаратная логика может обеспечить переключение на резервные линии связи в случае отказа. Каждая линия связи определяет полнодуплексное (непрерывную двунаправленную передачу и прием) соединение точка-точка между двумя взаимодействующими электронными устройствами. Каждый канал передачи данных имеет протокол управления потоком, позволяющий приемнику снизить скорость приема данных при перегрузке. Электроника каждого канала передачи данных может отправлять управляющие данные канала отдельно от обычных данных. В режиме простоя линия связи передает NULL-символы. Это поддерживает синхронизацию, завершает оставшуюся передачу и проверяет работоспособность линии связи. Некоторые пользователи Spacewire экспериментируют с полудуплексными версиями. Общая схема заключается в том, что полудуплексный режим использует один канал передачи вместо двух. В космосе это полезно, поскольку вес проводов уменьшается вдвое. Контроллеры меняют направление линии связи после отправки символа конца пакета. Эта схема наиболее эффективна в электрических системах с самосинхронизацией, таких как Spacewire. В высокоскоростных оптических сегментах пропускная способность полудуплексного режима будет ограничена временем синхронизации фазовых автогенераторов (ФАГ), используемых для восстановления тактовой частоты.

Слой 0: Слой сигнала

Во всех срезах каждая связь может непрерывно передавать в обоих направлениях ("полный дуплекс"). Каждая связь имеет два канала передачи, по одному для каждого направления. В кабеле связи каналы имеют "полувиток", так что вход и выход всегда подключаются к одним и тем же контактам разъема на обоих концах кабеля. Это делает кабели универсальными, то есть любой конец кабеля можно подключить к любому разъему на оборудовании. Каждый конец кабеля связи должен быть четко обозначен типом связи: например, "IEEE 1355 DS DE Link Cable".

Слой 1: Слой символов

Каждый фрагмент определяет 256 символов данных. Этого достаточно для представления 8 бит на символ. Они называются "нормальными данными" или "N-символами". Каждый фрагмент определяет ряд специальных символов управления каналом связи, иногда называемых "L-символами". Фрагмент не должен смешивать их с N-символами. Каждый фрагмент включает в себя символ управления потоком FCC, а также L-символы для NULL (отсутствие данных), ESCAPE, конца пакета и аварийного конца пакета. Некоторые фрагменты добавляют еще несколько для инициализации канала связи, диагностики проблем и т.д. В каждом фрагменте предусмотрено обнаружение ошибок на уровне символов, обычно с использованием контроля четности. Четность обычно распределяется по нескольким символам. Символ управления потоком предоставляет узлу разрешение на передачу нескольких нормальных символов данных. Количество зависит от фрагмента, при этом более быстрые фрагменты передают больше символов на FCC. Встроенное управление потоком на низком уровне значительно повышает надежность канала связи и уменьшает необходимость повторной передачи пакетов.

Слой 2: Слой Exchange

Как только соединение установлено, оно непрерывно обменивается символами. Если данных для обмена нет, передаются нулевые символы. Это позволяет проверить соединение и гарантирует быструю отправку битов четности для завершения сообщений. Каждый канал имеет свою собственную последовательность инициализации. Например, DS SE и DS DE изначально молчат, а затем начинают передачу сразу после получения команды на старт. Полученный символ служит командой на начало передачи. При обнаружении ошибок, как правило, оба конца соединения обмениваются кратковременной паузой (например, несколько микросекунд для DS SE) или командой сброса, после чего пытаются сбросить и восстановить соединение, как при включении питания.

Слой 3: Общий слой пакетов

Пакет — это последовательность обычных данных с определенным порядком и форматом, заканчивающаяся символом "конец пакета". Каналы связи не перемешивают данные из разных пакетов. Первые несколько символов пакета указывают его адрес назначения. Аппаратное обеспечение может считывать эти байты для маршрутизации пакета. Для копирования и маршрутизации пакета аппаратному обеспечению не требуется его хранить или выполнять какие-либо другие вычисления. Один из стандартных способов маршрутизации пакетов — маршрутизация с исходным указанием пути (wormhole source routing), при которой первый байт данных всегда указывает маршрутизатору, на какой из его выходов следует направить пакет. Маршрутизатор затем удаляет первый байт, открывая доступ к следующему байту для использования следующим маршрутизатором.

Слой 4: Слой транзакций

IEEE 1355 признает, что для выполнения полезной работы необходимы последовательности пакетов. Стандарт не определяет ни одну из этих последовательностей.

Клочок: DS-SE-02

DS SE расшифровывается как "Data and Strobe, Single ended Electrical" ("Данные и синхроимпульс, одноконтактная электрическая схема"). Это наиболее экономичный электрический стандарт. Он передает данные со скоростью до 200 мегабит в секунду на расстояние до 1 метра, что удобно для надежной связи с небольшим количеством контактов внутри прибора. Соединение имеет два канала, по одному для каждого направления. Каждый канал состоит из двух проводов, передающих синхроимпульс и данные. Линия синхроимпульса изменяет свое состояние каждый раз, когда линия данных начинает новый бит с тем же значением, что и предыдущий. Такая схема обеспечивает самосинхронизацию соединения, позволяя ему автоматически адаптироваться к различным скоростям. Символы данных начинаются с бита нечетного паритета, за которым следует нулевой бит. Это означает, что символ является обычным символом данных, за которым следуют восемь бит данных. Символы управления каналом связи начинаются с бита нечетного паритета, за которым следует единичный бит, а затем два бита. Нечетный бит, равный 1, указывает на то, что символ является символом управления каналом связи. 00 – символ FCC для управления потоком данных, 01 – обычный конец пакета EOP, 10 – исключительный конец пакета EEOP, а 11 – escape-символ ESC. NULL – это последовательность "ESC FCC". FCC дает разрешение на отправку восьми (8) обычных символов данных. Каждая линия может находиться в одном из двух состояний: выше 2,0 В и ниже 0,8 В – сигналы логического уровня CMOS или TTL с одноконтактной конфигурацией. Номинальный импеданс составляет 50 или 100 Ом для систем 3,3 В и 5 В соответственно. Время нарастания и спада должно быть менее 100 нс. Емкость должна быть менее 300 пФ при 100 Мбод и менее 4 пФ при 200 Мбод. Коннекторы не определены, поскольку DS SE предназначен для использования внутри электронного оборудования.

Клочок: DS-DE-02

DS DE расшифровывается как "Данные и Строб, Дифференциальная Электрика". Это электрический стандарт, обладающий наилучшей устойчивостью к электрическим помехам. Он передает данные со скоростью до 200 мегабит в секунду на расстояние до 10 метров, что полезно для подключения приборов. Кабель толстый, а стандартные разъемы – тяжелые и дорогие. Каждый кабель содержит восемь проводов, передающих данные. Эти восемь проводов разделены на два канала, по одному для каждого направления. Каждый канал состоит из четырех проводов, объединенных в две скрученные пары. Одна скрученная пара передает дифференциальный строб, а другая – дифференциальные данные. Кодирование на уровне символов и выше аналогично определению DS SE. Поскольку кабель имеет десять проводов, и восемь из них используются для передачи данных, остается одна скрученная пара. Черно-белая пара опционально используется для передачи питания 5 В и обратной связи. Время нарастания сигнала драйвера должно составлять от 0,5 до 2 нс. Дифференциальное напряжение может изменяться в диапазоне от 0,8 до 1,4 В, при этом типичным значением является 1,0 В – дифференциальные сигналы логического уровня PECL. Дифференциальный импеданс составляет 95 ± 10 Ом. Выходное напряжение в общем виде составляет 2,5–4 В. Входной импеданс приемника должен быть 100 Ом с допуском 10%. Входное напряжение в общем виде для приемника должно находиться в диапазоне от 1 до 7 В. Чувствительность приемника должна быть не менее 200 мВ. Стандартный кабель содержит десять проводов. Разъемы соответствуют стандарту IEC 61076 4 107. Разъем A (контакт 1 – первый, контакт 2 – второй): a: коричневый/голубой, b: красный/зеленый, c: белый/черный, d: оранжевый/желтый, e: фиолетовый/серый (контакт 1 указан первым). Разъем B (контакт 2 – первый, контакт 1 – второй): e: коричневый/голубой, d: красный/зеленый, c: черный/белый, b: оранжевый/желтый, a: фиолетовый/серый. Обратите внимание на реализацию "полуповорота", когда входы и выходы подключаются к одним и тем же контактам на каждом разъеме. Контакт 1C/черный может использоваться для передачи 5 вольт, а контакт 2C/белый – для обратной связи. Если присутствует источник питания, он должен быть оснащен самовосстанавливающимся предохранителем и, возможно, защитой от замыкания на землю. Если источник питания отсутствует, к контактам следует подключить резисторы сопротивлением 1 МОм для заземления, чтобы рассеять статическое напряжение.

Клочок: HS-FO-10

"HS FO" означает "Высокоскоростное волоконно-оптическое соединение". Это самый быстрый тип соединения и обеспечивает наибольшую дальность. Оно передает один гигабит в секунду на расстояние до 3000 метров. Код линии и более высокие уровни аналогичны HS SE 10. Кабель очень похож на другой волоконно-оптический кабель, TS FO 02, за исключением обязательной маркировки и разъема, который должен соответствовать стандарту IEC 1754-6. Однако в более старых кабелях он часто идентичен TS FO 02, за исключением маркировки. HS FO 10 и TS FO 02 несовместимы. Этот кабель может использовать многомодовый кабель с диаметром сердцевины 62,5 микрометра, 50 микрометров или одномодовый кабель с диаметром сердцевины 9 микрометров. Они различаются по стоимости и максимальной дальности передачи: 100 метров, 1000 метров и 3000 метров соответственно. Для многомодового волокна мощность излучения передатчика обычно составляет -12 дБм. Длина волны составляет 760–900 нанометров (ближний инфракрасный диапазон). На приемнике динамический диапазон составляет 10 дБ, а чувствительность –21 дБм при битовой ошибке 1 на 10<sup>12</sup> бит. Для одномодового волокна мощность излучения передатчика обычно составляет -12 дБм. Длина волны составляет 1250–1340 нанометров (дальний инфракрасный диапазон). На приемнике динамический диапазон составляет 12 дБ, а чувствительность –20 дБм при битовой ошибке 1 на 10<sup>12</sup> бит.