Allgemeines:
Bei IEEE-1394 handelt es sich um einen Standard zur Definition eines seriellen Busses für schnelle Datenübertragung. Die richtige Bezeichnung lautet "IEEE-1394.1995 Standard for a High Performance Serial Bus" (Spezifikationen erhältlich beim IEEE, Preis ca. 100$). Implementierungen dieses Standards sind beispielsweise der Firewire-Bus der Firma Apple oder i.Link von Sony. Besonders im DV-Bereich ist IEEE-1394 inzwischen von enormer Bedeutung. Seine hohen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Mbps in Verbindung mit einem sogenannten isochronen Transfer-Modus, der die Garantie von Bandbreiten ermöglicht, sind ideal für zeitkritsche Multimedia-Daten. Ein weiterer Vorteil ist die flexible Netzwerk- Topologie, die es im Gegensatz z.B. zu USB erlaubt, echte "peer-to-peer"-Verbindungen aufzubauen, d.h. beispielsweise ein digitaler Videorecorder und ein DV-Camcorder können direkt ohne einen Server / PC miteinander verbunden werden.
Anmerkung: Im folgenden werden "IEEE-1394" und "Firewire" weitgehend synonym gebraucht.
Entwicklung:
Seinen Ursprung hat IEEE-1394 bereits in den 80er Jahren. Unter dem Arbeitstitel "Chefcat" wurde bei Apple der Firewire-Bus entwickelt, mit dem Ziel, einen Ersatz für den Standard-Peripherie-Bus SCSI zu schaffen. Als 1986 das "Microcomputer Standards Commitee" des IEEE ("The Institute of Electrical and Electronic Engineers") nach einer Möglichkeit suchte, zur Vereinheitlichung existierender Bus-Standards, schlug Apple die eigene Firewire vor.
Schon 1987 war die erste Spezifikation des "Serial Link 1394" fertig. Diese wurde ab 1990 zusammen mit Texas Instruments, IBM, Adaptec und anderen Firmen weiterentwickelt, so daß 1993 auf der Comdex die erste Firewire-Demo vorgeführt werden konnte. Wenig später schloß sich die Firma Sony der Entwicklergruppe an, womit nun verstärkt auch DV-Anwendungen ins Blickfeld rückten.
Noch im selben Jahr erschienen erste Firewire-Produkte auf dem Markt. Um deren Akzeptanz und Verbreitung zu fördern, wurde 1994 die "1394 Trade Association" gegründet, mit einem Führungsgremium aus Vertretern unter anderem von Adaptec, AMD, Apple, IBM, Microsoft, Philips und Sony. (Heute gehören zur 1394TA mehr als 60 Firmen, darunter bedeutende Vertreter der A/V-Branche wie JVC, Yamaha und Creative Labs.)
Arbeitsgruppen der 1394TA arbeiteten von da an mit an der Verbesserung der 1394-Spezifikation und im Dezember 1995 endlich wurde "IEEE-1394.1995" verabschiedet, wenig später als offener modifizierter Industrie-Standard 1394a freigegeben. In den folgenden Jahren etablierte Sony die Marke "i.Link" für seine 1394-Produkte, und durch die Verabschiedung des CardX-Standards durch das PCMCIA-Gremium wird Firewire auch für Notebooks verfügbar. Inzwischen verspricht Firewire sich für viele Multimedia- Anwendungen, speziell im DV-Bereich, als Standard-Schnittstelle durchzusetzen, nicht zuletzt dank guter Aussichten auf enorme Geschwindigkeits-Steigerungen (bis 3200 Mbps) in der Zukunft.
Merkmale von IEEE-1394 (Zusammenfassung):
1) freier Standard:
IEEE-1394 ist ein frei verfügbarer Standard. Hersteller, die 1394-Geräte produzieren und vermarkten wollen, benötigen keine Lizenz. Lediglich für sogenannte "Basis-Implementierungen", d.h. die Produktion integrierter Schaltkreise (wie sie z.B. von Texas Instruments oder Sony fabriziert werden), ist eine Lizenz erforderlich. Außerdem sind die Bezeichnungen "Firewire" (Apple) und i.Link (Sony) geschützte Marken, bei deren Verwendung entsprechend Lizenzgebühren fällig werden.
2) schnell, skalierbar:
Aktuell erlaubt Firewire Übertragungs-Geschwindigkeiten bis zu 400 Mbps. Der Betrieb von Geräten mit 100, 200 und 400 Mbps an einem Bus ist möglich. In Zukunft werden noch weit höhere Bandbreiten möglich sein (siehe "Zukunft").
3) rein digital:
Da es sich bei Firewire um eine rein digitale Schnittstelle handelt, ist für die Datenübertragung keine analog-digital-Umwandlung notwendig, so daß kein Verlust an Datenintegrität entsteht.
4) bidirektional:
Datenübertragungen mittels Firewire sind in beide Richtungen möglich.
5) platzsparend, preiswert:
Im Vergleich, z.B. zu Fast-32-Bit-Wide-SCSI mit 110 Pins, sind 1394-Connectoren, deren Design angeblich durch die Stecker des Nintendo-Gameboy inspiriert wurde, äußerst klein und damit für Handcameras etc. gut geeignet. Hinzu kommt, daß sowohl die Stecker, als auch die Kabel verhältnismäßig preiswert sind, was ebenfalls der Markt-Akzeptanz von Firewire sehr förderlich ist.
6) "self-powered":
Da IEEE-1394 die Verwendung von stromführenden Kabeln vorsieht (siehe "Technische Daten"), entfällt bei vielen Geräten wie z.B. Drucker oder Scanner, die in der Lage sind, ihren Strom allein vom Bus zu beziehen ("bus-powered devices") die Notwendigkeit zusätzlicher Stromkabel. Außerdem hat dies den Vorteil, daß innerhalb eines Stranges das Ausschalten oder der Defekt einzelner der hintereinander geschalteten Geräte kein Problem darstellt. Der Betrieb nachfolgender Geräte wird dadurch nicht beeinträchtigt.
7) PnP:
Firewire unterstützt "Plug-and-Play", d.h. dem Benutzer bleiben IRQ-, DMA- oder Jumper-Einstellungen erspart. Die manuelle Einstellung von Geräte-IDs wie z.B bei SCSI oder die Installation von Treibern sind ebenfalls nicht notwendig. Strombedarf, Transfer-Modus, Bandbreiten-Anforderungen etc. werden vom Bus erkannt (siehe "Bus-Mangement").
8) hot-plugging:
Das Anschließen / Entfernen von Geräten bei aktivem Bus ist möglich. Sie werden automatisch erkannt und adressiert (siehe "Bus-Mangement").
9) zwei Transfer-Modi: (siehe "Transfer-Modi")
Firewire unterstützt zwei Transfer-Modi - asynchron und isochron. Im asychronen Modus
geschieht die Datenübertragung nach einem konventionellen "transmit-acknowledge"-Protokoll,
wie man es auch bei Ethernet oder Token Ring findet. Im isochronen Transfer-Modus dagegen
garantiert das Protokoll eine feste Bandbreite, sowie eine maximale Latenzzeit (Service-
Intervall). Dies ist ideal für zeitkritische Multimedia-Daten und somit eines der wichtigsten
Firewire-Features.
10) flexible Topologie: (siehe "Bus-Topologie")
Die Topologie eines Firewire-Bus-Systems ist im Wesentlichen eine Baum-Struktur. Sie besteht aus einem oder mehreren Strängen mit jeweils bis zu 16 hintereinander geschalteten Geräten. Loops sind nicht erlaubt. Ihre Flexibilität ergibt sich vor allem aus der Tatsache, daß beliebige zwei Knoten auch ohne einen Server / Host Computer miteinander kommunizieren können ("peer-to-peer").
Technische Daten:
Die für Firewire verwendeten Kabel gibt es in zwei Ausführungen: Beide enthalten zwei Twistet-Pair-Kabeln für Daten bzw. Steuersignale, bei einer Version zusätzlich zwei Kabel für die Spannungsversorgung.
Dementsprechend existieren zwei Connectoren, d.h. Steckertypen - mit 6 Pins für stromführende Kabel und 4 Pins für die "einfache" Ausführung (z.B. Sony DCR-XV700 und DCRXV-1000 Camcorder, gedacht für Batterie-betriebene Geräte). Die Spezifikation definiert für Firewire eine Spannung von 8 bis 40 Volt (DC) - bei 1.5 Ampere. Innerhalb eines Bussystems können selbstverständlich beide Verbindungstypen verwendet werden. Entsprechende Adapter sind verfügbar. Allerdings sollte man darauf achten, daß Geräte mit 4-Pin-Anschluß in einem 1394-Netzwerk lediglich als "Blätter" angeschlossen werden können, da sonst im Strang nachfolgende Geräte, die ihren Strom vom Bus beziehen, nicht betrieben werden können.
Die Kabellänge ist in der derzeitigen Spezifikation auf 4.5m begrenzt - im Wesentlichen aus Gründen der Signal-Abschwächung. Wenn man sich mit Übertragungsraten von max. 200 Mbps begnügt, sollen angeblich auch Kabellängen von bis zu 14m möglich sein. Dies mag zunächst noch ein Hindernis für einen Einsatz, beispielsweise in großen Studios, sein. Jedoch ist mit dem neuen Standard 1394b (siehe "Zukunft") hier bereits Abhilfe in Sicht. Eine Terminierung (wie z.B. bei SCSI) ist nicht notwendig.
Transfer-Modi:
Die 1394-Spezifikation definiert zwei Datentransfer-Modi - zum einen den asynchronen, zum
anderen den isochronen Modus.
Im isochronen Modus wird der Datentransport mit konstanter Übertragungsrate garantiert. Realisiert wird dies durch einen sogenannten "Isochronous Resource Manager" (IRM), der in einem Register Informationen über alle isochronen Knoten und verbleibende Bandbreite speichert. Sobald ein neues Geräte hinzugefügt wird, welches im isochronen Modus arbeitet, fordert dieses eine Zuteilung geeigneter Bandbreite an. Ein DV-Camcorder beispielsweise würde im Schnitt eine Datenrate von ca. 30 Mbps anfordern - 25 Mbps für Daten, 3-4 Mbps für digitales Audio, time code und sonstigen Paket-Overhead. Falls momentan keine ausreichende Bandbreite zur Verfügung steht, muß das Gerät die Anfrage periodisch wiederholen. Die Vorteile des isochronen Modus für die Übertragung von Multimedia-Daten liegen auf der Hand: Durch die Garantie fester Bandbreiten und "just-in-time-delivery" ist es möglich, daß (z.B. bei high-speed real-time Übertragungen oder Videobearbeitung) Audio- und Videodaten synchron bleiben.
Der asynchrone Modus wird realisiert durch ein "konventionelles" Übertragungsprotokoll
(transmit-acknowledge), wie man es z.B. auch bei Ethernet oder Token Ring findet. Dabei werden diejenigen Datenpakete, die zuerst auf das Netzwerk gelangen, zuerst transportiert. Eine "Bevorzugung" speziell zeit-kritischer Multimedia-Daten findet nicht statt, da das Protokoll keine minimalen Bandbreiten garantiert. Mögliche Kandidaten für den asychronen Transfer sind beispielsweise Scanner oder Drucker. Außerdem werden grundsätzlich alle Kontroll- und Steuerungssignale asynchron übertragen.
Bus-Topologie:
Der 1394-Standard definiert zwei Bus-Kategorien: Backplane- und Kabelverbindung. Die Backplane-Version, die mit 12.5, 25 oder 50 Mbps arbeitet, ist gedacht für internen Geräteanschluß. Sie soll hier jedoch aufgrund ihrer bisher vergleichsweise geringen Bedeutung für die meisten Anwendungen nicht näher beschrieben werden.
Die Kabelverbindung erlaubt den Aufbau eines nicht-zyklischen Netzwerks (Baum-Struktur) mit einem oder mehreren Strängen, auch "Ports" genannt. Pro Port können bis zu 16 Geräte hintereinander geschaltet werden ("daisychaining"). So ergibt sich bei einer max. Kabellänge von 4.5 m eine Gesamt-Portlänge von höchstens 72 m.
Die Anzahl der Geräte, die insgesamt betrieben werden können, ist - im Vergleich zu anderen Bus-Systemen - enorm groß. Firewire verwendet eine 64-Bit-Adressierung, wobei 10 Bit für Netzwerk-IDs (Segment-IDs), 6 Bit für Knoten-IDs und die übrigen 48 Bit zur Adressierung der Geräte-Ressourcen (Speicher, Register etc.) verwendet werden. Dadurch sind in jedem Bus-Segment bis zu 63 Geräte möglich. 1023 Segmente können jeweils mittels einer Bridge miteinander verbunden werden, so daß theroretisch eine maximale Gesamtzahl von 64.449 Geräten pro Bus realisiert werden kann.
Charakteristisch für die Struktur eines solchen Netzwerks ist es, daß - im Gegensatz beispielsweise zu USB - kein Host Computer notwendig ist. Geräte wie z.B. ein digitaler Videorecorder und ein DV-Camcorder können direkt miteinander vernetzt werden.
Bus-Management:
Jedesmal, wenn man einen neuen Knoten hinzufügt oder entfernt, wird der Bus neu initialisiert.
Dazu erfolgt zunächst ein Bus-Reset, bei dem alle bisherigen Informationen über die Bus-
Topologie gelöscht werden. In der zweiten Phase wird die neue Baum-Struktur bestimmt und
jedem Knoten eine eindeutige ID zugewiesen. Dabei wird einer der Knoten - typischerweise ein Knoten mit drei oder mehr Kindern - als Root ausgewiesen. Die dritte Phase gibt allen Geräten Gelegenheit, Informationen über die eigene Konfiguration, d.h. Anforderungen an Stromversorgung, Übertragungsgeschwindigkeit, Default-Transfer-Modus etc., an alle übrigen Knoten weiterzugeben. (Anmerkung: Hierin liegt ein erheblicher Nachteil: Der Datenaustausch zweier Geräten kann maximal so schnell sein, wie es der langsamste Knoten zwischen Sender und Empfänger erlaubt. Umgehen läßt sich dieses Problem lediglich durch Änderungen an der Verkabelung.) Außerdem kann jeder Knoten während der Selbst-Identifikations-Phase den "Wunsch" äußern, die Rolle des sogenannten "Isochronous Resource Managers" zu übernehmen. Derjenige dieser Knoten, welcher die höchste ID-Nummer besitzt, wird schließlich zum IRM bestimmt. Seine Aufgabe ist es im Folgenden, die Verteilung der Bandbreiten an die verschiedenen Geräte zu überwachen und nicht mehr benötigte Bandbreiten wieder freizugeben. Außerdem verwaltet er die Kanäle (Zeitfenster oder "time slots"), die für isochrone Transfers zur Verfügung stehen. In maximal 63 solcher Kanäle kann jeder Bus-Zyklus unterteilt sein (siehe unten).
Außer der Rolle des Isochronous Resource Manager gibt es noch zwei weitere wichtige Funktionen, welche von einzelnen Knoten in der Bus-Topologie übernommen werden müssen - die des Cycle Master und die des Bus Managers.
Als Cycle Master agiert grundsätzlich der Root-Knoten. Er ist für die Einhaltung der Bus-Zyklen von 125 Microsekunden verantwortlich, sowie für das Versenden spezieller "Cycle Start"-Packages, die zu Beginn eines jeden Zyklus zur Synchronisierung aller Knoten verschickt werden. Der Bus Manager dagegen sammelt u.a. Informationen über Bus-Topologie, die Stromversorgung und die Transfer-Geschwindigkeiten der einzelnen Knoten (siehe Bus-Initialisierung). Eine "speed map" dient zur Bestimmung der maximalen Übertragungsraten zwischen verschiedenen Knoten.
Nach der Bus-Initialisierung beginnt der Entscheidungs-Prozess ("arbitration"), d.h. gemäß dem Protokoll wird festgelegt, welches der Geräte als erstes auf den Bus schreiben darf.
Dabei werden zunächst die isochron arbeitenden Geräte berücksichtigt. Um Zugang zum Bus zu erhalten, schickt jeder Knoten eine entsprechende Anfrage an seinen "Vater", welcher diese wiederum an seinen "Vater" weiterreicht, bis hin zum Root-Knoten. Die erste eingehende Anfrage wird bestätigt, so daß zuerst der dem Root am nächsten liegende Knoten seine Daten übertragen darf. Um zu vermeiden, daß ein und dasselbe Geräte jedesmal den Vorzug erhält, steht jedem Isochron-Knoten nur eine bestimmte Zahl von Kanälen zur Verfügung - Zeitfenster innerhalb eines Bus-Zyklus -, die er zur Teilnahme an der Entscheidung, also zur Datenübertragung, nutzen darf.
Nachdem alle "Isochron-Knoten" ihre Transfers abgeschlossen haben, beginnt der gleiche Prozess für die asynchronen Geräte. Auch hier gilt, daß die Nähe zum Root für die Zugangsberechtigung ausschlaggebend ist. Damit trotzdem die Fairness gewährleistet ist, muß jeder Knoten nach der Übertragung ein sogenanntes "arbitration enable bit" deaktivieren, so daß er vom nächsten Entscheidungsprozess ausgeschlossen ist. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis alle Knoten ihre "Chance" hatten, und der gesamte Entscheidungs-Prozess von neuem beginnt.
Um seine Daten zu übertragen, fordert ein Gerät zunächst Kontrolle über den Physical-Layer an. Im asynchronen Transfer-Modus werden dann die Adressen von Sender und Empfänger, gefolgt vom aktuellen Datenpaket, verschickt. Sobald der Empfänger das Paket erhalten hat, gibt er eine Bestätigung (acknowledgement) zurück. Im Isochron-Modus erbittet der Sender einen sogenannten "isochronen Kanal" mit bestimmter Bandbreite. Die Nummer dieses Kanals wird vor dem eigentlichen Datenpaket übertragen, welches nur bei entsprechender ID vom Empfänger angenommen wird.
Protokoll:
Wie z.B. Ethernet hat auch 1394 ein Schichtenmodell. Der Standard definiert drei Protokoll-Schichten - sogenannte "layers": Physical Layer, Link Layer und Transaction Layer, sowie zusätzlich ein serielles Bus-Management, welche im folgenden näher beschrieben werden.
Der Physical Layer stellt die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem 1394-Connector und dem Gerät bereit. Er ist zuständig für die Bus-Initialisierung (siehe "Bus-Management"), die Daten-Resynchronisation, sowie das Kodieren/Dekodieren des Datenstroms. Außerdem sorgt der Physical Layer dafür, daß alle Geräte fairen Zugang zum Bus haben. Implementiert ist er in sogenannten "PHY"-Chips (hybrid analog-digital).
Der Link Layer bildet das Interface zwischen Physical und Transaction Layer. Er organisiert die Paketbildung, -Übertragung und -Empfang für isochrone Transfers. Zudem überprüft und berechnet er die Checksummen für alle übertragenen Datenpakete. Er bestimmt die Transfer-Modi, checked die Paket-Header und übermittelt alle diese Informationen an den Transaction Layer. Der Link Layer ist in (rein digitalen) "link chips" implementiert.
Der Transaction Layer stellt das Protokoll (Request-Response) für den asynchronen Transfer bereit. Dazu unterstützt er die Befehle read, write und lock, um Daten vom von Sender an Empfänger oder zurück zum Sender zu schicken, sowie einen "Daten-Kreislauf" (Kombination von read und write mit Datenverarbeitung durch Empfänger) zwischen Sender und Empfänger zu etablieren. Realisiert ist der Transaction Layer durch sogenannte "auxiliary logic" (evtl. bald durch spezielle ASICs).
Das Bus-Management kontrolliert die Konfiguration des Busses, indem es u.a. das Timing für den Zugang der einzelnen Geräte zum Bus optimiert, sowie grundlegende Fehlererkennung leistet. Letztere ist im Übertragungs-Protokoll im übrigen durch eine CRC-Prüfsumme realisiert.
Die Paketlänge ist nach dem 1394-Standard begrenzt durch die maximale Paketzeit, d.h. Übertragungsdauer bei aktueller Bandbreite, die in Abhängigkeit vom Transfer-Modus definiert ist: Im asynchronen Modus 62 Microsek., im isochronen 125 Microsekunden (z.B. bei 200 Mbps, asynchron max. 1 KByte).
Verfügbarkeit, Betriebssysteme:
Da Firewire eine Erfindung von Apple ist, verwundert es kaum, daß die Firma seit einiger Zeit voll auf diesen Bus setzt und alle G3s bereits standardmäßig mit 2 Firewire-Anschlüssen ausrüstet. PC-User dagegen müssen sich, um die Vorteile von IEEE-1394 nutzen zu können, entsprechende PCI-Steckkarten kaufen. Diese sind beispielsweise bei Adaptec für ca. 500 DM erhältlich - mit Treibern für Windows95/98 und WinNT 4.0. Entsprechende Linux-Treiber sind in Arbeit (siehe auch Link-Liste: "GNU/Linux IEEE-1394 Subsystem"). Allerdings ist auch im PC-Bereich die Trendwende bereits in Sicht: So werden bald alle neuen VAIO-Notebooks standardmäßig mit 1394-OpenHCI-Controllern ausgestattet sein, und seit einiger Zeit bereits besitzen weitaus die meisten DV-Camcorder und digitale Videorecorder eine Firewire-Schnittstelle. Jedenfalls steht fest, daß die sogenannte "multimedia connection" schon heute im A/V-Bereich der dominierende Standard ist - und sehr wahrscheinlich bald einen ähnlichen Status auch im PC-Bereich erhalten wird. Damit wird Firewire zunehmend interessant für Home-Networking- Anwendungen. Organisationen wie die HAVi (Home Audio Video Interoperability) versuchen, diese Entwicklung zu fördern, so daß in Zukunft ein "99%-Firewire-Home-Network" durchaus vorstellbar ist.
Zukunft:
Bereits heute ist Firewire aus dem Multimedia-Bereich nicht mehr wegzudenken. Dennoch läßt die Reichweite der Kabel noch etwas zu wünschen übrig. Und obwohl speziell USB aus verschiedenen Gründen (u.a. Bus-Topologie) wohl kaum jemals geeignet sein wird, die sogenannte "multimedia connection" zu ersetzen, sorgt die Ankündigung von USB 2.0 mit 480 Mbps für Wirbel. Zum Glück bleibt auch die Entwicklung von Firewire nicht stehen: Der Standard 1394b ist bereits in Arbeit und verspricht Bandbreiten von 800, 1600 und vermutlich sogar 3200 Mbps. Enthalten sein soll in diesem Standard, der wahrscheinlich 2001 veröffentlicht werden wird, auch eine Spezifikation für Übertragung mittels POF (plastic optical fiber). Dies soll Kabellängen über 100 m ermöglichen und dabei preiswerter sein in der Herstellung. Allerdings werden diese POF-Kabel nicht stromführend sein, so daß sie die existierenden Kabel nicht verdrängen, sondern lediglich eine Ergänzung dazu darstellen werden. Angesichts dieser Perspektiven ist es durchaus gerechtfertigt, anzunehmen, daß Firewire in absehbarer Zeit andere Bus-Standards wie SCSI oder IDE ersetzen wird.
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Friedbert Meier
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