Lo standard FireWire

Nato inizialmente come bus seriale ad alta velocità per la trasmissione di dati multimediali, lo standard Firewire si è adattato anche a svariate applicazioni in campo industriale.La tecnologia Firewire è relativamente economica, facile da usare e compatibile in larga scala, fattori essenziali nei dispositivi tecnologici di massa. Questo protocollo è fondamentalmente diverso da altre interface perché non richiede un PC per gestire il canale di trasmissione. Due dispositivi possono essere collegati e scambiare i dati senza ausilio di un computer. Nell’articolo sarà presentata una panoramica sullo standard e le sue possibili evoluzioni.

Diverse aziende promuovono lo standard sotto i loro marchi:

Apple – FireWire
Sony – i.LINK
Yamaha – mLAN
Texas Instruments – Lynx

Firewire è il marchio di fabbrica che Apple Computer ha attribuito al bus seriale orientato alle comunicazioni multimediali, introdotto dall’azienda nel lontano 1986. Questa supporta due diverse modalità di trasferimento dati: asincrona e sincrona. La modalità asincrona avviene quando il dato spedito viene ricevuto dall’altra parte del cavo. Nel caso in cui la linea non fosse libera, viene nuovamente inviato. La modalità sincrona prevede un invio di dati attraverso il flusso continuo in tempo reale. In questa modalità si possono acquisire dati dagli apparecchi digitali come fotocamere e videocamere. Le caratteristiche distintive erano, oltre all’alta velocità di trasmissione e alla sincronizzazione necessarie per informazioni audio-video, ia relativa economicità, il riconoscimento automatico dei nodi connessi e l’hot swap, cioè la possibilità di connettere e disconnettere il dispositivo “a caldo”.

I successo della nuova interfaccia fu tale che venne adottata su licenza anche da altri produttori e divenne una valida alternativa allo standard USB. Ad esempio, Sony mise a punto una versione conosciuta ancora oggi con il nome di i-Link. Da standard “de facto” la FireWire divenne, nei 1995, uno standard “de jure”, L’organo di standardizzazione IEEE (Institute of Electricaì and Electronics Engineers) fissò le relative specifiche con il nome di 1 394-1995[1 ], Attualmente, con 1 394 ci si riferisce a tre diverse varianti della FireWire:

• 1394a-2000, FireWire 400 è una revisione dello standard originale che prevede velocità di 100, 200 e 400Mbps (in realtà i valori esatti sono 98.304, 196.608, o 393.216 Mbps, di solito indicati con le sigle S100, S200 e S400). La lunghezza del cavo è limitata a 4,5 metri e fino a 16 cavi possono essere collegati tramite dei dispositivi che provvedono a rigenerare il segnale per arrivare a una lunghezza massima consentita dalle specifiche di 72 metri (4.5m x 16 dispositivi).Tramite i fili d’alimentazione il cavo può trasportare fino a 1,5 A di corrente e la tensione da 8 a 30 volt non regolati. In questo modo il cavo FireWire può essere l’unico cavo che collega due dispositivi. La versione senza le linee di alimentazione è definita standard IEEE1394.1, ( 4 poli ) è conosciuta anche come i.Link. Ci sono due forme del connettore FireWire 400: a 4 e 6 contatti. Questi sono placcati oro e resistenti alla corrosione. Attualmente esistono tre tipi di cavo: 4/4 poli,  4/6 poli, 6/6 poli. Soltanto il cavo 6/6 poli trasporta anche l’alimentazione. Normalmente il connettore a 4 poli è utilizzato da parte della telecamera digitale o dall’altro dispositivo esterno, mentre il connettore a 6 poli è utilizzato dal lato PC

 

• 1394b-2002. FireWire 800 (nome dato da Apple alla versione a 9 pin dello standard IEEE1394b) venne reso disponibile commercialmente da Apple nel 2003; questa evoluzione dello standard innalza la velocità della connessione a 786.432 Mbps ed è retrocompatibile col connettore a 6 pin della FireWire 400. Le specifiche complete del IEEE 1394b prevedono anche una connessione ottica lunga fino a 100 metri con una velocità di trasferimento di 3,2 Gbps. La modalità di trasferimento S100 supportava cavi schermati di classe 5 (CAT5) lunghi fino a 100 metri. Lo standard originale 1 394 e 1 394a usa una codifica dei dati e del segnale di controllo che permette di generare il clock in modo molto economico (basta prendere i segnali e metterli in XOR). La versione 1394b dello standard supporta questa codifica per mantenere la retro compatibilità, ma aggiunge una nuova modalità di codifica più complessa che consente di trasmettere il doppio dei dati. La nuova modalità di trasferimento rende la FireWire significativamente più veloce dello standard concorrente, USB 2.0.

 

• 1394c introdotto nel 2006,  estende il supporto a cavi schermati CAT5 per incrementare la lunghezza ed arrivare così fino a 100m anche in comunicazione a 800Mbps. Il nuovo standard permette ia coesistenza di due reti logiche (Ethernet 802,3 e FireWire 1 394) su di un unico cavo fisico.

La connessione FireWire viene comunemente usata per collegàre dispositivi di archiviazione. Viene utilizzata anche in apparecchiature di acquisizione audio e video professionali per via della ampiezza di banda della connessione, della sua predisposizione a trattare flussi multimediali, della capacità di sopportare potenze maggiori e della possibilità di stabilire una connessione tra dispositivi senza il tramite di un computer. L’interfaccia FireWire è tecnicamente superiore all’interfaccia USB, ma questa è molto più diffusa per via dei brevetti. Apple e altre ditte richiedono il pagamento di brevetti per ogni implementazione della FireWire (normalmente 0,25 dollari per l’utente finale). Sebbene siano cifre ridotte, molti produttori realizzano prodotti a bassissimo margine di guadagno e quindi preferiscono utilizzare la tecnologia USB che, essendo esente dal pagamento di licenze, consente loro di ottenere prodotti più economici.

La FireWire supporta fino a 63 periferiche organizzate in una rete non ciclica (a differenza per esempio della catena SCSI). Permette una comunicazione “peer-to-peer” tra i dispositivi. Quindi i vari dispositivi possono comunicare tra loro senza dover utilizzare il computer come arbitro. Per esempio una videocamera digitale potrebbe riversare il filmato video su un hard disk esterno senza l’intervento del computer. Supporta il collegamento a caldo (Hot Swap) e la presenza di più host tramite una gestione degli IP software. Quindi una connessione FireWire può essere utilizzata per creare una rete locale tra due computer quattro volte più veloce dì una normale rete Ethernet a 100 Mbit/s. Il cavo FireWire supporta fino a 45 Watt ed è quindi in grado di alimentare la maggior parte dei dispositivi portatili.
Le reti Firewire sono caratterizzate da una topologia ad albero, con nodi intelligenti nel senso che sono in grado di scambiarsi autonomamente le informazioni necessarie ad identificare la corretta gerarchia e le modalità di trasmissione da adottare.

Le comunicazioni possono essere di tipo master-slave e peer-to-peer. Il vantaggio di questo approccio è che essendo i nodi intelligenti l’utilizzatore è sollevato dall’incombenza della configurazione della rete. Di tale funzionalità è stata dotata anche la USB con le specifiche supplementari OTG (On-The-Go).

Quasi tutte le moderne telecamere sono dotate di connessione FireWire, fin dal 1995.

Tutti i computer Apple attualmente in commercio sono dotati di FireWire come molti portatili e alcuni computer IBM-compatibili predisposti per la gestione dei segnali audio e video. La FireWire viene utilizzata anche da molti modelli del lettore di musica digitale iPod per trasferire le canzoni e caricare la batteria. La maggior parte delle televisioni digitali e dei box interattivi in grado di registrare in digitale con lo standard MPEG-2, sono dotati di porta FireWire. Questa interfaccia, adottata per Hard disk esterni, risulta mediamente più veloce dell’USB.

La figura 7 mostra un possibile scenario di utilizzo di periferiche Firewire, in cui risulta agevole l’utilizzo di una connessione peer-to-peer, senza la necessita di passare attraverso un PC.

FireWire vs USB

La tabella 3 riporta un confronto tra il protocollo FireWire ed il suo diretto concorrente USB. Dal punto di vista della trasmissione delle informazioni multimediali, Firewire risulta più prestante ma anche un po’ più costoso da implementare (a cause dei brevetti). Per questa ragione si è assistito ad uno sviluppo maggiore della connessione USB. La grande differenza tra i due standard è nell’architettura del bus. L’USB è di tipo host-based e questo significa che il dispositivo necessita del collegamento ad un PC. FireWire è, invece, peer-to-peer e quindi due dispositivi collegati con un cavo posso dialogare tra loro senza l’intervento del PC. Proprio per far fronte a questa mancanza, è stato sviluppato lo standard USB OTC che consente ad un device qualunque di rivestire il ruolo di host.

Tabella redatta il 15 Marzo 2017

La possibilità di alimentare il dispositivo attraverso il cavo è una caratteristica comune ad entrambi gli standard. La differenza è nella potenza erogata: nettamente superiore nel caso della FireWire.

Cavi e connettori

I dispositivi FireWire possono essere di tipo powered o unpowered. I due conduttori presenti nel cavo possono fornire (come scritto all’inizio del paragrafo) una tensione compresa tra 8 e 30V, erogando una corrente massima di 1,5A. In questo caso il connettore presenta 6 pin. In taluni casi in cui lo spazio occupato è un elemento stringente allora è possibile utilizzare un connettore a 4 pin il quale, non presentando i due conduttori per l’alimentazione, risulta meno ingombrante. Ad esempio sui notebook è quasi esclusivamente utilizzato questo tipo di connettore. La Tabella1 e Figura3 riportano le informazioni relative al pinout delle due tipologie di cavi della FireWire 400. Con l’introduzione di FireWire 800 (standard 1 394b) è stato progettato un altro cavo, retro compatibile con quello a 6-pin, dotato di 9 conduttori Tabella 2 e Figura 5. Sei di questi pin presentano le stesse funzioni del connettore descritto sopra. Altri due sono usati per fornire una schermatura ai cavi contro le interferenze elettromagnetiche. Infine, il nono pin è riservato per usi futuri ed al momento non ha alcuna funzione.

Protocollo di trasmissione

Ogni dispositivo FireWire è identificato da un indirizzo di 16 bit, di cui i primi 10 indicano la rete ed i successivi 6 bit il nodo. Questo significa un massimo di 1023 sottoreti, ciascuna costituita da 63 nodi. L’indirizzamento della memoria in un dispositivo FireWire si basa sullo standard IEEE 1212; sono utilizzati 48 bit che consentono un indirizzamento a memoria fino a 256 TB per nodo. I dati sono trasmessi sotto forma dì pacchetti, con un’intestazione che contiene le informazioni sui nodi di partenza e di arrivo, un codice funzione e l’indirizzo di memoria interessato alle operazioni di trasferimento. Al termine del pacchetto è aggiunto un campo CRC per il controllo degli errori. La figura 7 mostra la struttura appena descritta con un carico utile di 4 byte.

All’interno di una rete FireWire i dati possono essere trasferiti fino a 16 hop (salto). Un hop si verifica quando più dispositivi FireWire sono collegati in cascata, come in figura 8, ed un device vuole trasferire informazioni ad un altro con cui non è non fisicamente collegato.

Nell’esempio riportato in figura 8 la telecamera FireWire è connessa ad un hard disk esterno, il quale a sua volta è collegato al computer A e quindi a seguire fino al computer C. Se quest’ultimo vuole accedere alla camera deve effetture 4 hop (salto).

Connettere due PC con FireWire

Il protocollo FireWire consente di connettere tra loro dispositivi dotati di tale interfaccia. Un caso tipico è quello di una videocamera digitale oppure un hard disk esterno collegati ad un PC. In realtà è anche possibile mettere in comunicazione due PC, proprio come avviene con un cavo di rete Ethernet.

Una classica rete LAN con cavo a fili intrecciati raggiunge una velocità teorica di 100 Mbps, le reti realizzate con Firewire raggiungono, invece, i 400 Mbps (nella versione 1 394a). Questo si traduce in un minor tempo necessario per trasferire file di grosse dimensioni.

Uno dei limiti risiede nella lunghezza massima del collegamento con un cavo standard. In una LAN il cavo può essere lungo svariate decine di metri, per Firewire il limite è quattro metri e mezzo. Superate queste distanze non è più garantita l’affidabilità dei segnali.

È possibile espanderle ricor­rendo a dei ripetitori di segnale o hub ma il costo totale dell’installazione aumenta.
Comunque, reti con tre o più computer richiedo­no due porte FireWire per ogni sistema interme­dio (in e out). Le reti FireWire funzionano tran­quillamente sotto Linux e Mac OC, mentre per Windows esiste solo il supporto per IPv4 (Internet Protocol version 4) e non per IPv6.
Quando sì adotta una rete FireWire piuttosto che una Ethernet si pone, però, il problema della sicu­rezza dei dati, poiché per raggiunge un dispositi­vo è necessario passare attraverso tutti quelli intermedi. Nel caso dell’Ethernet si utilizzano gli switch e questi impediscono il monitoraggio dei dati che transitano da un host all’altro (a meno di usare tecniche di port mirroring).
In definitiva, se non si pongono problemi relativi alla sicurezza dei dati, allora la connessione trami­te FireWire può rappresentare una valida alterna­tiva al collegamento Ethernet.

Le due modalità di trasmissione

Le modalità di trasmissione dati supportate da FireWire sono sincrona (o isocrona) e asincrona.
I trasferimenti isocroni assicurano che i dati ven­gano trasmessi entro un intervallo di tempo pre­definito. Per realizzare questo il protocollo di comunicazione prevede una multiplazione a divi­sione di tempo (TDM), allocando un certo nume­ro di time slot per ogni ciclo di trasmissione.
L’insieme di questi intervalli temporali costituisce un canale messo a disposizione dalla periferica che ne ha fatto richiesta. Si tratta di una alloca­zione temporale dinamica che permette l’instau­razione di più trasferimenti sincroni simultanei, ovviamente se la banda lo permette. Tipiche applicazioni sono segnali audio-video.
In quanto tale la trasmissione sincrona necessità di un segnale di clock che scandisca i bit trasmessi.
Per garantire la corretta ricostruzione del clock i dati sono inviati in gruppi di 32 bit, detti quadlet (cioè 4 byte) ed abbinati al segnale di temporiz- zazione mediante una tecnica detta DS (Data Strobe). Questa tecnica prevede che un segnale di strobe venga generato effettuando un OR esclusivo (XOR) tra i dati ed il clock. Sul cavo, ed esattamente su TPA e TPB, sono inviati rispettiva­mente i dati ed il segnale di strobe. Il ricevitore deve semplicemente effettuare un XOR dei due segnali ricevuti per rigenerare il clock. Questo riduce notevolmente i costi poiché una porta logica XOR è molto più semplice da realizzare di un circuito ad aggancio di fase (PLL).

La trasmissione asincrona è molto utile per il tra­sferimento di grandi quantitativi di dati, come per esempio il trasferimento di file da un disco esterno ad un PC. In questo caso si predilige maggiormente l’accuratezza dell’informazione a discapito del tempo. È prevista, infatti, la ritra­smissione dei pacchetti per eventuale presenza di errori, rilevati tramite CRC. Tutte le informazioni di controllo e i parametri di configurazione dei dispositivi viaggiano sul bus utilizzando questa modalità.

 

Il Firewire senza fili si avvicina [2]. L’associazione delle industrie che si occupa dello standard inventato da Apple ha approvato le specifiche per la trasmissione di dati wireless.
FireWire è ormai pronto per il wireless. La IEEE 1394 Trade Association, il gruppo di produttori che sostiene la tecnologia di trasferimento dati ad alta velocità inventata da Apple ma ormai divenuta uno standard industriale, ha infatti annunciato di avere definito le specifiche neces­sarie per applicarla al mondo del “senza fili”.
A rendere possibile il FireWire senza fili è un nuovo PAL (Protocol Application Layer) che mette in comunicazione l’infrastruttura IEEE 1 394 con lo standard IEEE 802.5.3, un protocollo wireless specificata- mente pensato per il video. L’interazione tra queste tre componenti conduce alla trasmissione via etere del segnale FireWire rendendo possibile lo studio di nuovi disposi­tivi, in particolare nel campo vìdeo. Tra questi, ad esempio, schede capaci di interconnettere varie peri­feriche digitali come set top box e registratori DVD.
I vantaggi di sfruttare la connettività 802.15.3 rispetto a 802.11b o “g” più che nella velocità (attual­mente ferma a 55 Mbps) è nel sistema con cui vengono trasmessi i dati. Lo standard 802.15.3 è infat­ti pensato per il peer-to-peer, ovvero per connettere punto a punto e non per indirizzare i dati attra­verso un punto d’accesso. Una futura versione di 802.15.3, la versione “a”, ha la potenzialità di arri­vare in futuro a 400 Mbps offerti dalla FireWire tradizionale.
James Snider, direttore della 1 394 Trade Association, è molto ottimista sui tempi con cui arriveranno sul mercato i primi prodotti. “Le specifiche sono state rilasciate sei mesi prima del previsto” ha detto Snider ad alcune testate americane. Alcune piccole società stanno già lavorando per rilasciare sul mer­cato sistemi basati su di esse. Snider pensa anche che non ci saranno eccessivi problemi di conviven­za con il Wireless USB che impiegherà lo stesso protocollo.
La 1 394 Trade Association collaborerà con la WiMedia Alliance [4], un gruppo di società che operano nel campo della connettività wireless nella PAN (Personal Area Network), ovvero nelle reti senza fili da scrivania. La WiMedia Alliance sta studiando un sistema per costruire un protocollo che fondi la con­nettività USB e FireWire wireless intorno alle specifiche UWB (Ultra Wide Band), la banda larga wire­less che ha velocità superiori a quelle possibili a 802.15.3.

Riferim enti utili
[1] www.1394ta.org

[2] www.1394ta.org/Press/2004Press/may/5.10.a.htm

[3] www.1 394.net/

[4] www.wimedia.org

[5] developer.apple.com/hardwaredrivers/firewire/index.htrni

Aggiornato 01-12-2024