Стандарт IEEE 1355-1995 , IEC 14575 или ISO 14575 — это стандарт передачи данных для гетерогенного межсоединения (HIC).
IEC 14575 — это недорогая масштабируемая система последовательного соединения с малой задержкой, изначально предназначенная для связи между большим количеством недорогих компьютеров.
В IEC 14575 отсутствуют многие сложности других сетей передачи данных. Стандарт определил несколько различных типов сред передачи (включая провода и оптоволокно) для решения различных задач.
Поскольку сетевая логика высокого уровня совместима, возможны недорогие электронные адаптеры. IEEE 1355 часто используется в научных лабораториях. В число промоутеров входят крупные лаборатории, такие как ЦЕРН , и научные агентства.
Например, ЕКА выступает за производный стандарт под названием SpaceWire .
Протокол был разработан для простой и недорогой коммутируемой сети, состоящей из каналов «точка-точка» . Эта сеть надежно отправляет пакеты данных переменной длины с высокой скоростью. Он маршрутизирует пакеты, используя маршрутизацию через червоточину . В отличие от Token Ring или других типов локальных сетей (LAN) с сопоставимыми характеристиками, IEEE 1355 масштабируется за пределы тысячи узлов, не требуя более высоких скоростей передачи. Сеть предназначена для передачи трафика из других типов сетей, в частности Интернет-протокола и асинхронного режима передачи (ATM), но не зависит от других протоколов передачи данных или коммутации. В этом он напоминает многопротокольную коммутацию по меткам (MPLS).
У IEEE 1355 были такие цели, как Futurebus и его производные Scalable Coherent Interface (SCI) и InfiniBand . Система маршрутизации пакетов IEEE 1355 также похожа на VPLS и использует схему маркировки пакетов , аналогичную MPLS.
IEEE 1355 достигает своих целей с помощью относительно простой цифровой электроники и очень небольшого количества программного обеспечения. Эту простоту ценят многие инженеры и ученые. [ который? ] Пол Уокер (см. ссылки [ какие? ] ) сказал, что при реализации в FPGA стандарт занимает примерно треть аппаратных ресурсов UART ( стандартного последовательного порта) [ какого? ] [ нужна ссылка ] и обеспечивает в сто раз большую пропускную способность передачи данных, реализуя при этом полную коммутационную сеть и будучи проще в программировании. [ нужна цитата ]
Исторически IEEE 1355 произошел от асинхронных последовательных сетей, разработанных для внутрикристальных интерфейсов последовательных данных модели Transputer T9000. [1] Транспьютер — микропроцессор , разработанный для недорогого выполнения параллельных вычислений. IEEE 1355 возник в результате попытки сохранить необычайно простую сеть передачи данных Транспьютера. Эта схема кодирования строба данных обеспечивает самосинхронизацию каналов связи и возможность автоматической адаптации к различным скоростям. Он был запатентован компанией Inmos по патенту Великобритании № 9011700.3, п. 16 (кодирование на уровне битов DS-Link), а в 1991 году по патенту США 5341371, [2] п. 16. Срок действия патента истек в 2011 году.
IEEE 1355 вдохновил SpaceWire . Иногда он используется для передачи цифровых данных между научными приборами, контроллерами и системами записи. IEEE 1355 используется в научных приборах, поскольку его легко программировать и он самостоятельно управляет большинством событий без сложного программного обеспечения реального времени.
IEEE 1355 включает определение дешевой, быстрой сетевой среды на короткие расстояния, предназначенной для использования в качестве внутренних протоколов для электроники, включая сетевое коммутационное и маршрутизирующее оборудование. Он также включает сетевые протоколы средней и дальней связи, предназначенные для локальных и глобальных сетей .
IEEE 1355 предназначен для использования в режиме «точка-точка». Таким образом, он мог бы заменить наиболее распространенное использование Ethernet , если бы он использовал эквивалентные технологии передачи сигналов (например, дифференциальную сигнализацию низкого напряжения ). [3]
IEEE 1355 может хорошо работать для бытовой цифровой техники. Этот протокол проще, чем протоколы Universal Serial Bus (USB), FireWire , Peripheral Component Interconnect (PCI) и другие потребительские протоколы. Эта простота может снизить затраты на оборудование и повысить надежность. IEEE 1355 не определяет никаких транзакций на уровне сообщений, поэтому их придется определять во вспомогательных стандартах.
Испытательный стенд Macramé на 1024 узла был построен в Европе в 1997 году. [4] Исследователи, оценивающие производительность и надежность испытательного стенда Macramé, внесли полезный вклад в рабочую группу, которая установила стандарт. [5]
Работу Института инженеров по электротехнике и электронике спонсировал Комитет по стандартам автобусной архитектуры в рамках Инициативы открытых микропроцессорных систем. Председателем группы был Колин Уитби-Стривенс, сопредседателем — Роланд Марбот, а редактором — Эндрю Кофлер. Стандарт был утвержден 21 сентября 1995 года как стандарт IEEE для гетерогенных межсоединений (HIC) (недорогое масштабируемое последовательное соединение с малой задержкой для построения параллельных систем) и опубликован как IEEE Std 1355-1995. [6] Торговая ассоциация была создана в октябре 1999 года и поддерживала веб-сайт до 2004 года. [7]
Семейство стандартов использует аналогичную логику и поведение, но работает в широком диапазоне скоростей для нескольких типов носителей. Авторы стандарта утверждают, что ни один стандарт не учитывает все аспекты цены и производительности сети. Поэтому в стандарт включены слайсы (их слова) для несимметричных (дешевых), дифференциальных (надежных) и высокоскоростных (быстрых) электрических интерфейсов, а также оптоволоконных интерфейсов. Интерфейсы на большие расстояния или быстрые интерфейсы спроектированы таким образом, чтобы не происходило передачи чистой мощности по кабелю.
Скорость передачи варьируется от 10 мегабит в секунду до 1 гигабит в секунду. Обычные данные сети состоят из 8-битных байтов, передаваемых с управлением потоком. Это делает его совместимым с другими распространенными средами передачи, включая стандартные телекоммуникационные каналы.
Максимальная длина различных сред передачи данных составляет от одного метра до 3 километров. Стандарт 3 км – самый быстрый. Остальные дешевле.
Разъемы определены таким образом, что если вилка подходит к разъему, соединение должно работать. Кабели имеют вилки одинакового типа на обоих концах, поэтому каждый стандарт имеет только один тип кабеля. «Удлинители» определяются как двусторонние разъемы, к которым подключаются два стандартных кабеля.
Интерфейсная электроника выполняет большую часть обработки пакетов, маршрутизации, обслуживания и управления протоколами. Программное обеспечение для этих задач не требуется. При возникновении ошибки два конца канала обмениваются интервалом молчания или сбросом, а затем перезапускают протокол, как при включении питания.
Узел коммутации считывает первые несколько байтов пакета как адрес, а затем пересылает остальную часть пакета по следующему каналу, не читая и не изменяя его. В приложении к стандарту это называется « переключением червоточины ». Коммутация «червоточины» не требует программного обеспечения для реализации коммутационной структуры. Простая аппаратная логика может обеспечить переключение на резервные каналы.
Каждый канал определяет полнодуплексное (непрерывная двунаправленная передача и прием) соединение «точка-точка» между двумя взаимодействующими элементами электроники. Каждый путь передачи имеет протокол управления потоком, поэтому, когда получатель начинает получать слишком много данных, он может отключить поток. Электроника каждого пути передачи может отправлять данные управления каналом связи отдельно от обычных данных. Когда ссылка простаивает, она передает NULL-символы. Это поддерживает синхронизацию, быстро завершает оставшуюся передачу и проверяет соединение.
Некоторые пользователи Spacewire экспериментируют с полудуплексными версиями. [1] Общая схема заключается в том, что полудуплекс использует один канал передачи, а не два. В космосе это полезно, поскольку вес проводов вдвое меньше. Контроллеры меняли ссылку после отправки символа конца пакета. Схема наиболее эффективна в самосинхронизирующихся электрических системах, таких как Spacewire. В высокоскоростных оптических слайсах пропускная способность полудуплекса будет ограничена временем синхронизации контуров фазовой автоподстройки частоты, используемых для восстановления битового тактового сигнала.
Данное описание представляет собой краткую схему. Стандарт определяет более подробную информацию, такую как размеры разъема, запасы по шуму и бюджеты затухания.
IEEE 1355 определяется слоями и фрагментами. Уровни представляют собой сетевые функции, которые схожи в разных средах и кодировках сигналов. Срезы идентифицируют вертикальный срез совместимых слоев. Самый нижний уровень определяет сигналы. Самый высокий определяет пакеты. Комбинации пакетов, уровень приложения или транзакции выходят за рамки стандарта.
Срез, совместимая реализация, определяется удобным описательным кодом SC-TM-dd, где:
Определенные фрагменты включают в себя:
Spacewire очень похож на DS-DE-02, за исключением того, что он использует микроминиатюрный 9-контактный разъем «D» (меньший вес) и дифференциальную сигнализацию низкого напряжения . Он также определяет некоторые стандартные форматы сообщений более высокого уровня, методы маршрутизации, а также материалы разъемов и проводов, которые надежно работают в вакууме и сильной вибрации.
Во всех слайсах каждое соединение может непрерывно передавать данные в обоих направлениях («полный дуплекс»). Каждое звено имеет два канала передачи, по одному на каждое направление.
В соединительном кабеле каналы имеют «полукрутку», поэтому вход и выход всегда подключаются к одним и тем же контактам разъема на обоих концах кабеля. Это делает кабели «беспорядочными», то есть каждый конец любого кабеля можно подключить к любому разъему оборудования.
На каждом конце соединительного кабеля должен быть четко обозначен тип соединения: например, «IEEE 1355 DS-DE Link Cable».
Каждый срез определяет 256 символов данных. Этого достаточно для представления 8 бит на символ. Они называются «обычными данными» или «N-символами».
Каждый фрагмент определяет ряд специальных символов управления ссылкой, иногда называемых «L-символами». Срез не может спутать их с N-символами.
Каждый фрагмент включает в себя символ управления каналом управления потоком, или FCC, а также L-символы для NULL (нет данных), ESCAPE, конца пакета и исключительного конца пакета. Некоторые фрагменты добавляют еще несколько для запуска соединения, диагностики проблем и т. д.
Для каждого фрагмента на уровне символов определено обнаружение ошибок, обычно с использованием четности. Четность обычно распределяется по нескольким символам.
Символ управления потоком дает узлу разрешение на передачу нескольких обычных символов данных. Число зависит от слайса: более быстрые слайсы отправляют больше символов на FCC. Включение управления потоком на низком уровне делает соединение намного более надежным и устраняет большую часть необходимости повторной передачи пакетов.
После запуска ссылки происходит постоянный обмен символами. Это NULL, если нет данных для обмена. Это проверяет соединение и гарантирует, что биты четности будут отправлены быстро для завершения сообщения.
Каждый слайс имеет свою собственную последовательность запуска. Например, DS-SE и DS-DE молчат, а затем начинают отправку, как только им будет дана команда на запуск. Полученный символ — это команда на запуск.
При обнаружении ошибок обычно два конца канала обмениваются очень коротким молчанием (например, несколько микросекунд для DS-SE) или командой сброса, а затем пытаются сбросить и восстановить канал, как если бы он был включен.
Пакет — это последовательность обычных данных определенного порядка и формата, заканчивающаяся символом «конец пакета». Ссылки не чередуют данные из нескольких пакетов. Первые несколько символов пакета описывают его пункт назначения. Аппаратное обеспечение может прочитать эти байты для маршрутизации пакета. Аппаратному обеспечению не нужно хранить пакет или выполнять с ним какие-либо другие вычисления, чтобы скопировать его и маршрутизировать.
Одним из стандартных способов маршрутизации пакетов является маршрутизация источника через червоточину , при которой первый байт данных всегда сообщает маршрутизатору, какой из его выходов должен переносить пакет. Затем маршрутизатор удаляет первый байт, предоставляя следующий байт для использования следующим маршрутизатором.
IEEE 1355 признает, что для выполнения полезной работы должны существовать последовательности пакетов. Он не определяет ни одну из этих последовательностей.
DS-SE означает «Данные и строб, несимметричный электрический». Это самый дешевый электрический стандарт. Он отправляет данные со скоростью до 200 мегабит в секунду на расстояние до 1 метра. Это полезно внутри прибора для надежной связи с малым количеством контактов.
Соединение имеет два канала, по одному на каждое направление. Каждый канал состоит из двух проводов, несущих стробоскоп и данные. Стробирующая линия меняет состояние всякий раз, когда в строке данных начинается новый бит с тем же значением, что и предыдущий бит. Эта схема делает каналы самосинхронизирующими, способными автоматически адаптироваться к различным скоростям.
Символы данных начинаются с нечетной четности, за которой следует нулевой бит. Это означает, что символ представляет собой обычный символ данных, за которым следуют восемь битов данных.
Символы управления каналом начинаются с нечетной четности, за которым следует один бит, а затем два бита. Нечетное-1 означает, что этот символ является символом управления ссылкой. 00 — это символ управления потоком FCC, 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 иметь два состояния: выше 2,0 В и ниже 0,8 В — сигналы несимметричного логического уровня КМОП или ТТЛ. [8] Номинальное сопротивление составляет 50 или 100 Ом для систем с напряжением 3,3 В и 5 В соответственно. Время нарастания и спада должно быть <100 нс. Емкость должна быть <300 пФ для 100 Мбод и <4 пФ для 200 Мбод.
Разъемы не определены, поскольку DS-SE предназначен для использования в электронном оборудовании.
DS-DE означает «Данные и стробоскопы, дифференциальное электрическое оборудование». Это электрический стандарт, который лучше всего противостоит электрическим шумам. Он отправляет 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 имеет восемь проводов, передающих данные. Эти восемь проводов разделены на два канала, по одному на каждое направление. Каждый канал состоит из четырех проводов, двух витых пар. Одна витая пара передает дифференциальный строб, а другая – дифференциальные данные. Кодировка символьного уровня и выше в остальном аналогична определению DS-SE.
Поскольку в кабеле десять жил, а для передачи данных используются восемь, остается витая пара. Черно-белая пара дополнительно обеспечивает питание и возврат 5 В.
Время нарастания драйвера должно составлять от 0,5 до 2 нс. Дифференциальное напряжение может находиться в диапазоне от 0,8 В до 1,4 В, при этом обычное значение составляет 1,0 В — сигналы дифференциального логического уровня PECL . [8] Дифференциальное сопротивление составляет 95 ± 10 Ом. Синфазное выходное напряжение составляет 2,5–4 В. Входное сопротивление приемника должно быть 100 Ом, с точностью до 10%. синфазное напряжение на входе приемника должно находиться в пределах от -1 до 7 В. Чувствительность приемника должна быть не менее 200 мВ.
Стандартный кабель имеет десять проводов. Разъемы соответствуют стандарту IEC-61076-4-107. Разъем A (контакт 1 — первый, контакт 2 — второй): a: коричневый/синий, b: красный/зеленый, c: белый/черный, d: оранжевый/желтый, e: фиолетовый/серый (контакт 1 подключается первым). Разъем B (контакт 2 — первый, контакт 1 — второй): e: коричневый/синий, d: красный/зеленый, c: черный/белый, b: оранжевый/желтый, a: фиолетовый/серый. Обратите внимание на реализацию «полуповорота», когда входы и выходы маршрутизируются к одним и тем же контактам на каждом разъеме.
Контакт 1C/черный может нести 5 В, а контакт 2C/белый может нести возврат. Если имеется источник питания, он должен иметь самовосстанавливающийся предохранитель и может иметь защиту от замыкания на землю. Если он отсутствует, на контактах должен быть установлен резистор сопротивлением 1 МОм на землю для отвода статического напряжения.
TS-FO означает «Три из шести, оптоволокно». Это оптоволоконный стандарт, разработанный для доступных пластиковых волокон, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне. Он отправляет 200 мегабит в секунду на расстояние около 300 метров.
Длина волны должна составлять от 760 до 900 нанометров, что находится в ближнем инфракрасном диапазоне . Рабочая скорость должна составлять не более 250 Мбод с отклонением не более 100 частей на миллион. Динамический диапазон должен составлять около 12 децибел .
В кабеле для этой линии используются два многомодовых оптических волокна диаметром 62,5 микрометра . Максимальное затухание волокна должно составлять 4 децибела на километр при длине волны инфракрасного излучения 850 нанометров. Стандартный разъем на каждом конце представляет собой дуплексный разъем MU. Феррула 2 всегда находится «внутри», а муфта 1 — «на выходе». Осевые линии должны находиться на расстоянии 14 мм, а расстояние между разъемами должно составлять максимум 13,9 мм. Кабель имеет «полукрутку», что делает его неразборчивым.
Линейный код «3/6» отправляет поток из шести бит, из которых всегда установлены три бита. Есть двадцать возможных персонажей. Шестнадцать используются для отправки четырех битов, два (111000 и 000111) не используются, а два используются для создания символов управления связью. Они показаны начиная с первого отправленного бита слева.
Такой код с постоянным весом обнаруживает все однобитовые ошибки. В сочетании с продольной проверкой избыточности это позволяет избежать необходимости использования CRC , который может удвоить размер небольших пакетов.
Обычные байты данных передаются в виде двух символов данных, причем первым отправляется младший полубайт . Специальные символы отправляются парами, содержащими хотя бы один управляющий символ.
Два управляющих символа называются «Control» и «Control*», в зависимости от предыдущего символа. Если предыдущий символ заканчивается на 0, Control — это 010101, а Control* — 101010. Если предыдущий символ заканчивается на 1, Control — это 101010, а Control* — 010101.
Ошибки данных обнаруживаются с помощью продольной четности: все полубайты данных обрабатываются с эксклюзивным чередованием, а затем результат отправляется в виде 4-битного полубайта контрольной суммы в символе конца пакета.
Эта ссылка передает NULL в режиме ожидания. Каждый символ управления потоком (FCC) разрешает другому концу отправлять восемь байтов, т.е. шестнадцать обычных символов данных.
Ссылка начинается с отправки символов INIT. После получения их за125 мкс , он переключается на отправку NULL. После того, как он отправит NULL для125 мкс , он отправляет один INIT. Когда канал отправил и получил один INIT, он может отправить FCC и начать получать данные.
Получение двух последовательных INIT или множества нулей или единиц указывает на отключение.
Как и код «два из пяти» , его можно декодировать, присваивая веса битовым позициям, в данном случае 1-2-0-4-8-0. Два бита с нулевым весом назначаются для обеспечения установки в общей сложности трех битов. Когда полубайт имеет один или три бита 1, это однозначно. Когда полубайт равен 0 или F (ноль или четыре бита 1), необходимо сделать исключение. А когда в полубайте есть два бита 1, возникает неоднозначность:
HS-SE означает «Высокоскоростное несимметричное электрическое соединение». Это самый быстрый электрический срез. Он передает гигабит в секунду, но диапазон 8 метров ограничивает его использование приборными панелями. Однако функции модуляции и управления каналом этого стандарта также используются протоколами оптоволокна глобальной сети.
Соединительный кабель состоит из двух коаксиальных кабелей диаметром 2,85 мм с сопротивлением 50 Ом. Импеданс всей линии передачи должен составлять 50 Ом ±10%. Разъемы должны соответствовать IEC 1076-4-107. Коаксиальные кабели скручены наполовину, так что контакт B всегда находится «внутри», а контакт A всегда «вне».
Электрическая связь односторонняя. Для работы с напряжением 3,3 В низкое напряжение составляет 1,25 В, а высокое — 2 В. Для работы с напряжением 5 В низкое напряжение — 2,1 В, высокое — 2,9 В. Скорость передачи сигнала составляет от 100 МБд до 1 ГБд . Максимальное время нарастания составляет 300 пикосекунд, минимальное — 100 пикосекунд.
Код 8B/12B канала HS представляет собой сбалансированный парный код несоответствия , поэтому передача чистой мощности отсутствует. Это организуется путем сохранения текущего неравенства, подсчета среднего количества единиц и нулей. Он использует текущее несоответствие для выборочного инвертирования символов. Инвертированный символ помечается установленным битом инвертирования. 8B/12B также гарантирует переход тактовой частоты для каждого символа.
8B/12B сначала отправляет нечетный бит четности, затем 8 бит (сначала младший значащий бит), затем бит инверсии, затем 1 (стартовый бит) и 0, который является стоповым битом.
Когда несоответствие символа равно нулю (то есть он имеет одинаковое количество единиц и нулей и, следовательно, не будет передавать мощность), его можно передавать как в инвертированном, так и в неинвертированном виде, не влияя на текущее несоответствие. Символы управления ссылками имеют несоответствие, равное нулю, и инвертируются. Это определяет 126 возможных символов ссылки. Каждый второй символ является обычным символом данных.
Символы ссылки: 0:IDLE 5:START_REQ (запрос на запуск) 1:START_ACK (подтверждение запуска) 2:STOP_REQ (запрос на остановку) 3:STOP_ACK (подтверждение остановки) 4:STOP_NACK (отрицательное подтверждение остановки) 125:FCC (управление потоком данных) символ) 6:СБРОС
Когда соединение начинается, каждая сторона имеет бит «CAL», который равен нулю, прежде чем приемник будет откалиброван для канала. Когда CAL равен нулю, получатель отбрасывает все полученные данные.
Во время однонаправленного запуска сторона А отправляет IDLE. Когда сторона B откалибрована, она начинает отправлять IDLE на A. Когда сторона A откалибрована, она отправляет START_REQ. B отвечает START_ACK обратно A. Затем A отправляет START_REQ B, B отвечает START_ACK, и в этот момент A или B могут отправить символ управления потоком и начать получать данные.
При двунаправленном запуске обе стороны начинают отправлять IDLE. Когда сторона A калибруется, она отправляет START_REQ стороне B. Сторона B отправляет START_ACK, а затем A может отправить FCC, чтобы начать получение данных. Сторона Б делает то же самое.
Если другая сторона не готова, она не отвечает START_ACK. Через 5 мс сторона А пытается еще раз. Через 50 мс сторона А сдается, выключает питание, останавливается и сообщает об ошибке. Такое поведение необходимо для предотвращения травм глаз из-за отсоединенного конца оптического волокна с высоким напряжением.
Символ управления потоком (FCC) разрешает получателю отправлять тридцать два (32) символа данных.
Символ сброса отображается, а затем вызывает однонаправленный запуск.
Если приемник теряет калибровку, он может либо отправить команду сброса, либо просто удерживать низкий уровень передатчика, что приведет к сбою калибровки в другом канале.
Канал отключается только в том случае, если оба узла запрашивают выключение. Сторона A отправляет STOP_REQ, сторона B отвечает STOP_ACK, если она готова к выключению, или STOP_NACK, если она не готова. Сторона B должна выполнить ту же последовательность действий.
«HS-FO» означает «Высокоскоростное оптоволокно». Это самый быстрый срез, а также самый длинный диапазон. Он передает гигабит в секунду на расстояние до 3000 метров.
Линейный код и более высокие уровни аналогичны HS-SE-10.
Кабель очень похож на другой оптический кабель TS-FO-02, за исключением обязательной этикетки и разъема, который должен соответствовать стандарту IEC-1754-6. Однако в старых кабелях он зачастую точно такой же, как TS-FO-02, за исключением маркировки. HS-FO-10 и TS-FO-02 не будут взаимодействовать.
Этот кабель может иметь многомодовый кабель диаметром 62,5 микрометра, многомодовый кабель диаметром 50 микрометров или одномодовый кабель диаметром 9 микрометров. Они различаются по стоимости и допустимым расстояниям: 100 метров, 1000 метров и 3000 метров соответственно.
Для многомодового волокна стартовая мощность 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 частоте ошибок по битам один бит в 10 12 бит.
Для одномодового волокна стартовая мощность передатчика обычно составляет –12 дБм. Длина волны составляет 1250–1340 нанометров (дальняя инфракрасная область ). На приемнике динамический диапазон составляет 12 дБ, а чувствительность -20 дБм при коэффициенте ошибок по битам один бит в 10 12 бит.