IEEE1394 버스 애널라이저

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       새로운 초고속 시리얼 버스
IEEE1394 버스 애널라이저

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관련기술자료:
IEEE 1394 해설과 보드설계


최근, PC에서도 고성능 프로세서가 탑재됨에 따라, 오퍼레이션 시스템도 고기능화(특히 GUI나 plug & play로 대표되는 user interface 등)되고 있다. 특히, 멀티미디어 대응에 맞추어 휴먼 인터페이스 개선으로 초고속으로 데이터를 전송할 수 있는 포토가 요구되고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위해 탄생된 것이 IEEE1394 규격이다.
IEEE1394를 정확하게 동작시키기 위해서는 규격서의 여러 요소를 확실히 만족시키고 있지 않으면 안된다. 따라서, 계측을 하는 기기가 필요하게 된다. 여기서는 Firefly사와 Kenwood TMI사가 공동 개발한 IEEE1394 버스 애널라이저에 대해 그 자료를 인용하여 해설한다.

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1. IEEE1394의 버스 규격의 특징

■ 디지털 TV, 디지털 VTR도 인터페이스 가능한 전송 규격

IEEE1394는 원래 고속 하드디스크 인터페이스로서 1986년에 Apple사가 개발을 시작한 것으로, 1987년에 최초의 사양이 만들어졌다. 그 후, IBM사와 Sony가 가세함과 동시에, 범용 인터페이스로 IEEE에서 규격화가 진행되어 왔다.
기판내와 같은 근거리의 인터페이스에서는 복수 비트를 동시에 전송할 수 있는 패럴렐 인터페이스쪽이 시리얼 인터페이스보다 고속화할 수 있다. 그러나, 장거리로 고속의 인터페이스를 실현하려고 하면 패럴렐 인터페이스는 케이블간의 crosstalk나 타이밍의 편차가 커지기 때문에 고속화에는 한계가 있다. 하나의 케이블로 데이터를 전송할 수 있는 시리얼 인터페이스쪽이 장거리에서는 고속화하기 쉽다고 한다. 이 때문에 차세대의 고속 인터페이스로 시리얼 인터페이스인 IEEE1394가 주목받고 있다.

IEEE1394는 100M∼400M비트/s의 고속 전송이 가능하며, 또한 전송 대역폭을 보증할 수 있는 isochronous 전송을 채용했기 때문에 차세대의 멀티미디어용 인터페이스의 가장 유력한 후보로 생각하게 되었다. 1994년에는 IEEE1394의 보급을 목적으로 하는 추진 단체인 1394 Trade Association이 설립되어, 디지털 비디오를 중심으로 제품화의 움직임이 일기 시작했으며, 디지털 VCR의 인터페이스(DV 포트)로, IEEE1394에 준거한 시리얼 인터페이스가 1995년 무렵부터 제품화되기 시작했다.
1995년말에, IEEE1394-1995로 규격이 정식으로 승인되었다. Apple사에서는 FireWire라는 명칭으로 부르고 있는데, 규격화가 진행됨과 동시에, 일반적으로는 규격명인 IEEE1394라는 명칭으로 불리는 경우가 많아졌다.
퍼스널컴퓨터의 주변 인터페이스로서는 USB와 공통점이 많고, 또한 10배 이상의 고속이 얻어진다. 장래의 표준 인터페이스로서, 저/중속용의 USB와 고속용인 IEEE1394의 조합이 주류가 될 것으로 생각되고 있다. USB가 리얼타임으로 처리할 수 있는 것은 음성신호까지이지만, IEEE1394는 비디오 신호를 리얼타임으로 처리할 수 있다. PC97 하드웨어 디자인 가이드, PC98 시스템 디자인 가이드에서도 IEEE1394는 권장의 장비로 채용되고 있다.
현재는 IEEE1394는 고성능인 만큼 가격이 비싸기 때문에 USB와 같이 일반적인 퍼스널컴퓨터에 표준 장비되고 있지는 않으며, video capture board 등 멀티미디어 관련의 분야에서 서서히 제품화가 시작되고 있다. 그러나, 각사로부터는 이미 200M바이트/s 대응의 서포트 LSI가 출하되고 있으며, 1394 컨트롤러의 기능을 내장한 PC용 칩세트도 개발이 진행되고 있다.
장래는 디지털 TV, 디지털 VCR 등의 가정용 멀티미디어 기기와 퍼스널컴퓨터의 융합이 진행됨과 동시에, 그들의 접속에 IEEE1394가 널리 사용될 것으로 생각하고 있다. 더구나, IEEE1394에 의해 AV 기기를 중심으로 한 가전제품을 접속하는 가정내 LAN의 구상도 계획중이다.


■ 하드디스크와 비디오 기기의 인터페이스에 사용된다

IEEE1394는 퍼스널컴퓨터의 주변기기를 위한 범용 시리얼 인터페이스로, 특히 고속, 리얼타임의 용도에 적합하다. 각종 기기를 혼재할 수 있는 사양으로 되어 있고, 디지털 비디오 등의 민수용 기기도 타겟으로 하고 있기 때문에, 고속성과 저가격의 양립을 목표로 하고 있다. 그러나, 보다 저속이면서 저가격 기기의 인터페이스로서는 USB가 주로 사용될 것으로 생각된다.

IEEE1394는 퍼스널컴퓨터 주변기기에서는 하드디스크나 CD-ROM 등의 대용량 기억장치, 스캐너나 프린터, video capture 등의 화상기기에 특히 적합하다. 또한, 디지털 비디오 등의 가정용 멀티미디어 기기에의 대응도 고려하여 동화상 등의 리얼타임 전송이 가능한 사양으로 되어 있다.
또한, IEEE1394는 USB와 같이, hot plug나 자동 configuration에의 대응에 의한 사용하기 쉬운 user interface을 가진다. 핫 플러그에 의해 퍼스널컴퓨터의 동작중에 기기의 접속이나 떼내는 것을 자유로이 할 수 있다. 또, 자동 컨피규레이션에 의해 접속된 기기의 검출이나 설정이 자동적으로 실행되고, 누구라도 간단하게 시스템을 확장할 수 있다.

2. IEEE1394에 있어서 계측

먼저, 규격서에 의한 IEEE1394에 있어서 계측 요소를 대략 설명한다.
PHY 사양의 항에 있어서는 케이블의 물리 접속 사양, PHY의 기능에 있어서는 PHY 타이밍, 갭 타이밍의 항에 허용오차에 대한 기술을 볼 수 있다. link layer의 사양이나 transaction layer의 사양에 있어서는 PHY 항과 같이 계측의 요소는 발견되지 않지만, 패킷의 구조 자체의 체크 대상인 것은 분명하다. Appendix C, D, E, K, L에도 상기 PHY 관련 타이밍 등 계측 요소가 기술되어 있다. 이들을 정리하면 다음과 같다.

■ 계측 요소

(1) 버스 검사
케이블의 물리 접속 사양
(2) 시그널 분석
PHY 타이밍, 갭 타이밍
(3) 패킷 분석
링크층의 기능, 트랜잭션층의 기능

버스 검사는 케이블이나 커넥터의 물리적 사양을 검사하는 것이다. 시그널 분석은 아날로그적으로 바라 본 신호 자체의 검사이며, 특히 jitter나 skew 등의 타이밍 측정에 많이 언급되고 있다.
여기서는 버스 애널라이저의 성격상 패킷 분석에 대하여 고찰해 본다. 그리고, back plane 사양에 대해서는 현재, 응용 예가 거의 없는 상태이기 때문에 생략하기로 한다.
규격상, 검사, 확인해야 할 항목이 많이 있지만, IEEE1394의 개발에 있어서 개발자가 주목해야 할 기본적인 사항에 대하여 정리한다.

(1) PHY 관련
·PHY 신호의 아날로그 파형으로 모니터
·PHY 앞 라인의 관측(아날로그/로직 레벨)
·clock skew의 어긋남에 의한 수신 한계
·PHY에 있어서 버스 initialize나 arbitration 동작의 관측
   버스 리셋이 발행되어, 버스가 구성되기까지의 천이 관측
(2) 버스의 구성
·topology의 상세한 정보
·스피드 맵 정보
(3) 비합법적인 검사
·ACK를 돌려주지 않는다.
·레스폰스를 돌려주지 않는다.
·CRC와 실제 데이터가 다른 패킷의 발생.
·데이터 길이와 실제 데이터 길이가 다른 패킷의 발생.
·transaction time out의 의도적인 발생.
·버스 리셋 직후 채널의 재할당 실패.
·1초 이내의 연속 버스 리셋의 발생.
(4) 스누핑에의 요구
·패킷 데이터의 임의 생성
·대량의 패킷 모니터
·송신 패킷과 수신 패킷의 베리파이
(5) 애플리케이션층 개발에 있어서 요구
·AV/C나 SBP 2 등의 프로토콜 해석

이상과 같이 패킷의 해석에는 다양한 포인트가 있지만, 1394 규격의 사양상 해석이 곤란한 점이 몇 가지 있다.

(1) Plug & Play
버스 리셋이 일어난 경우, 노드 할당, 루트 결정 등이 다이내믹하게 변화한다.
(2) 버스 토폴로지
daisy chain이나 tree 구조이며, 버스 전체가 전송 데이터를 공유하기 때문에 장해의 발생원을 찾아내기 어렵다. 이들은 규격에 기인하는 것으로, 개발자의 debug 작업을 곤란하게 하고 있다. 또한, PHY-LINK 간의 신호를 snoop한다고 하는 버스 애널라이저의 구조상, PHY만으로 완결해 버리는 동작은 모니터할 수 없다고 하는 문제점도 있다.
현재의 버스 애널라이저에서는 위에서 언급한 모든 항목을 지원할 수 있는 것은 아니지만, 패킷을 송출함으로써 대화식 계측을 할 수 있어, 패킷의 해석에 큰 위력을 발휘한다.
다음은 IEEE1394 버스 애널라이저의 개요와 동작에 대하여 언급한다.

3. IEEE1394 버스 애널라이저의 개요와 특징

LA-1394FE의 외관(Kenwood TMI사)

Kenwood TMI사에서는 1997년 10월에 IEEE1394 버스 애널라이저(LA-1394FE)를 발매했다(사진 참고). 원래는 PHY칩의 검사 툴로서의 용도로 시작되었지만, 본기는 다음과 같은 용도를 상정하여 개발을 했다.

(1) IEEE1394 칩의 검사 툴.
(2) IEEE1394 인터페이스 탑재 기기의 개발시에 있어서 장해의 모니터, 해결 tool.
(3) 서비스를 목적으로 업무에서 버스나 기기의 체크 툴.

(1)에 있어서는 PHY 칩, LINK 칩의 개발, (2)에서는 PC용 IEEE1394 interface board, IEEE1394 인터페이스를 탑재한 프린터, 스캐너 등 각종 제품의 개발 등이다.

■ IEEE1394 버스 애널라이저의 특징

본기의 구조는 IEEE1394 기기와 동일하며, 버스상의 1 node로 기능한다. 그 때문에 IEEE1394 버스를 관측하기 위한 각종 기능과 한정적인 bus Management의 기능을 가지는 것 외에, 테스트를 위해 각종 패킷을 생성하고 송출하는 기능도 가지고 있으며, 주요 특징은 다음과 같다.

(1) IEEE1394 규격에 준거
(2) 100/200Mbits/sec의 전송속도를 지원
(3) 패킷의 송신
·Asynchronous Quadlet Packet
·Asynchronous Block Packet
·Isochronous Packet
(4) 생성할 수 있는 패킷 데이터의 내용
·constant
·increment/decrement
·유저 임의(Asynchronous Packet만)
(5) 패킷의 수신
(6) Self-ID의 표시 기능
(7) node 접속 상태의 표시 기능
(8) 버스 매니저 기능(한정적)
(9) cycle master 기능
(10) Cycle Start Packet의 발행
(11) 버스 리셋의 발행과 감시 기능
(12) logic analyzer에의 표시 기능
·타이밍
·PHY/LINK간의 인터페이스 정보
·패킷의 프로토콜
·acknowledge packet
·데이터의 byte count
·버스의 상태

본기를 사용함으로써 IEEE1394에 관련된 개발 설계나 제조시의 동작 확인 및 trouble shooting, 버스 타이밍의 확인이나 데이터의 해석 등을 효율적으로 할 수 있다.
본기의 가장 큰 특징은 패킷의 모니터, 해석 등, 능동적으로 버스를 관측할 뿐만 아니라, 패킷의 송출을 할 수 있다는 것이다. 개발하고 있는 하드웨어, 소프트웨어가 어느 정도 안정하게 동작하게 된 경우, 또는 하드웨어가 확립되어 있는 경우의 애플리케이션 소프트웨어의 개발에서는 패킷의 모니터만으로도 개발은 계속할 수 있을 지도 모르지만, 개발의 초기에는 하드웨어, 소프트웨어 모두 불안정 요소가 있기 때문에 패킷을 송출하고 그 반응을 모니터하여 debug한다고 하는 과정이 반드시 필요하게 된다. LA-1394FE는 이와 같이, 대화형 측정에 대응하고 있다.

■ LA-1394FE의 블록다이어그램과 기능

(1) PHY 레이어
·IEEE1394 버스 신호의 입력/출력
·인코드/디코드
·아비트레이션(Arbitration)
(2) Link 레이어
·패킷 데이터의 송수신
·사이클 제어
(3) CPU
·버스 애널라이저 FE의 제어
·데이터의 비교
(4) 입출력 커넥터
·IEEE1394(6핀) : 3포트 
·RS-232C(9핀) : 1포트
·로직 애널라이저 접속 포트 : 2포트

■ 패널 표시

표 시 명

내    용

Rx

PHY/Link의 수신상태 표시

Tx

PHY/Link의 송신상태 표시

Status

PHY/Link의 상태 표시

Arb Rst Gap

Arbitration Reset Gap 표시

Subaction Gap

Subaction Gap 표시

Bus Reset

Bus Reset 표시

Interrupt

PHY 인터럽트 표시

 

  1. POWER 스위치
  2. 파일럿 램프
  3. RX:PHY/Link의 수신상태 표시
  4. TX:PHY/Link의 송신상태 표시
  5. STATUS:PHY/Link의 상태 표시
  6. ARB RST GAP:Arbitration Gap 표시
  7. SUBACTION GAP:Subaction Gap 표시
  8. BUS RESET:Bus Reset 표시
  9. INTERRUPT:PHY 인터럽트 표시
  10. IEEE1394 단자:IEEE1394 커넥터  9핀
  11. Serial Port:RS-232C 9핀
  12. Logic Analyzer OUTPUT:3M   7620-5002SC  20핀
  13. DC Input: DC 17.5V


■ 시스템 환경
    
(HP사의 로직 애널라이저를 사용하는 경우의 예)



 

본    체

HP16500A/B/C

옵션 유닛

HP16550A, 16554A, 16555A/D, 16556A/D

터미널 어댑터

HP01650-63203

퍼스널컴퓨터

OS WINDOWS95가 동작하는 IBM PC 호환기

 

■ IEEE1394 버스 애널라이저의 동작

LA-1394FE는 로직 애널라이저와 퍼스널컴퓨터를 조합해 버스를 해석하는 시스템이다. 본기는 퍼스널컴퓨터 내장형의 로직 애널라이저를 사용하고 있기 때문에 다른 로직 애널라이저를 사용하는 경우는 퍼스널컴퓨터가 필요하게 된다.
본기는 로직 애널라이저와 퍼스널컴퓨터의 front-end(FE)로서 기능하고, logic analyzer에 대해서는 해석하기 쉽도록 패킷을 정리하여 출력한다. 로직 애널라이저에는 본기 전용의 서포트 소프트웨어가 준비되어 있으며, 트리거의 설정, 각종 표시 등을 쉽게 조작할 수 있도록 되어 있다.
퍼스널컴퓨터는 주로 버스 애널라이저의 패킷 송출 기능, IEEE1394 기기로서의 버스 애널라이저를 제어한다. 퍼스널컴퓨터와 RS-232C로 접속되고, Windows95 베이스의 전용 application software상에서 동작하도록 되어 있으며, 용이하게 패킷의 송출 등, 본기를 제어할 수 있도록 되어 있다.
본기는 3개의 포트를 가지고 있으며, 버스상에서는 IEEE1394 기기의 하나로 된다. 피측정기기와의 접속은 일반적인 기기간의 접속과 변함이 없으며, 용이하게 측정할 수 있다.

    

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