CC BY
186Аппаратные мосты USB и PCI/PCI-E
компании MosChip
Сергей ДОЛГУШИН
dsa@efo.ru
Данный обзор знакомит читателей с продукцией компании MosChip. Компания MosChip была основана в 1999 году в Индии и является дизайн-центром, который занимается разработкой кристаллов и программного обеспечения. В 2001 году была приобретена компания NetMos Technology, в 2003 — компания Verasity Technologies, что позволило MosChip выйти на рынок карт расширения для шины PCI и IP-безопасности. В настоящее время компания MosChip серийно выпускает 17 типов микросхем и осуществляет заказную разработку кристаллов и программного обеспечения.
Основная деятельность MosChip сосредоточена на разработке и производстве микросхем для компьютерной периферии. Массовыми продуктами остаются микросхемы аппаратных мостов на шины USB и PCI. В настоящее время запущены в производство сетевой процессор USB MCS8140 и аппаратный мост на шину PCI Express MCS9901.
Обзор продукции MosChip начнем с USB-мостов, наиболее интересными из которых являются мосты USB — Serial и USB — Ethernet.
Мосты USB — Serial
Аппаратные мосты USB — Serial являются популярным решением для приложений USB — RS-232/422/485 или оснащения приборов интерфейсом USB, что обусловлено простотой аппаратной и программной реализаций. Микросхемы USB — Serial от MosChip ориентированы на использование в приложениях, требующих более одного последовательного канала передачи. Мосты выпускаются в двухпортовой (MCS7820) и четырехпортовой (MCS7840) модификации. Для реализации многопортового преобразователя USB — Serial целесообразно использовать именно MosChip как наиболее экономически и схемотехнически выгодное решение.
Серьезным аргументом в пользу выбора микросхем MCS7820/40 может служить поддержка высокоскоростного режима (highspeed) обмена данными по шине USB, что позволяет обеспечить скорость передачи по всем каналам UART до 6 Мбит/с. Минимальная скорость составляет 50 бит/c. Значение скорости может быть задано любым в данном диапазоне. При сравнении по скорости нужно помнить, что данные скорости обме-
на указаны для цифровых выходов рассматриваемых микросхем. Для физических интерфейсов RS-232/422/485 скорости будут определяться выходными преобразователями физического уровня.
Последовательные интерфейсы микросхем MosChip обеспечивают весь набор управляющих сигналов, которые необходимы для работы со стандартным оборудованием по интерфейсу RS-232: RTS, CTS, DTR, DSR, DCD и RI. Решения MosChip кроме интерфейса RS-232 позволяют реализовать и RS-422/485. В фирменной документации приводятся стандартные схемы включения, кроме того, MosChip дополнительно приводит схемы включения, реализующие автоматическое оп-
ределение и выбор соответствующего интерфейса RS-232/422/485.
Имеются драйверы для ОС: Windows 98/ME/2000/Server 2003/XP/Vista, Windows CE.NET 5.0, MAC OS, Linux. Для микросхем с поддержкой USB 2.0 драйверы имеют сертификат WHQL для Windows XP.
Мост USB — Ethernet
Мост USB — Ethernet MCS7830 — простое решение, реализующее виртуальный Ethernet-порт. Одно из возможных приложений — реализация дополнительного Ethernet-порта для отладочных целей при разработке Ethernet-приложений.
Рис. 1. Виртуальное сетевое соединение MCS7830
Микросхема MCS7830 имеет встроенный Ethernet-контроллер 10/100 (MAC+PHY) с поддержкой полнодуплексного режима обмена, совместимый с IEEE 802.3. Кроме того, предусмотрена возможность подключения внешних микросхем MAC и PHY в случае использования в качестве линии передачи оптоволоконного кабеля. Для этих целей используется интерфейс MII (Media Independent Interface), который доступен у микросхем, выполненных в 128-выводных корпусах. Для 80-выводных корпусов данная возможность недоступна. С учетом распространения волоконно-оптических линий передачи микросхему MCS7830 можно рассматривать как простой вариант адаптера USB для соединения по волоконно-оптической линии. Также можно реализовать «USB-удлинитель» для соединения двух компьютеров, что позволит избежать ограничений на длину кабеля в стандарте USB. При реализации такого удлинителя необходимо учитывать, что для ОС такое соединение будет считаться виртуальным сетевым (рис. 1).
Для MCS7830 разработаны драйверы для следующих ОС: Windows 98/ME/2000/Server 2003/XP (32, 64)/Vista (32, 64), Windows CE, MAC OS, Linux. Для тестирования возможностей микросхемы MCS7830, драйверов и утилит можно воспользоваться оценочной платой MCS7830CQ-BCD, внешний вид которой приведен на рис. 2.
Сетевой USB-сервер
Новинка прошлого года — микросхема MCS8140 — представляет собой сетевой USB-сервер (рис. 3). Микросхема построена на базе ядра ARM926EJ-S, работающего на частоте 170 МГц и обеспечивающего производительность до 1,1 MIPS на 1 МГц. MCS8140 содержит четыре USB-порта с поддержкой высокоскоростного режима передачи, которые предназначены для интеграции различных USB-устройств в локальные сети по сети Ethernet. Встроенный 32-разрядный PCI хост-контроллер, рассчитанный на частоту 33 МГц, поддерживает подключение двух PCI-устройств, совместимых со стандартом PCI 2.2/2.3. Это позволяет подключать такие внешние PCI-устройства, как Wi-Fi 802.11x, аудиоконтроллеры, контроллеры PCI-SATA и PCI-IDE. Аппаратный блок шифрования микросхемы поддерживает алгоритмы DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1 и SHA-256.
Ethernet-контроллер MCS8140 содержит уровни MAC и PHY. В микросхеме предусмотрена возможность использования внешней микросхемы физического уровня, что дает возможность использовать в качестве канала связи волоконно-оптические линии.
На данный момент производитель предлагает четыре варианта программного обеспечения: Networked USB / USB Server, Network Attached Storage, Print-Server, Serial over IP. При необходимости вышеуказанное программное обеспечение может быть изменено в соответствии с требованиями разрабатываемого приложения, компания MosChip готова предоставить Linux BSP (board support package), включающий собственно Linux 2.6 и базовые драйверы, необходимые для загрузки ОС в процессор. Также предоставляется программный пакет ARM Tool Chain для компиляции и генерации исполняемого кода и портирования его на платформу MCS8140. Данные средства разработки также могут
быть использованы для разработки собственных приложений для MCS8140. Программные средства предоставляются при заключении соглашения о конфиденциальности. Исходные проекты приложений производитель готов предоставить при подписании лицензионного соглашения.
Разработанные компанией MosChip базовые приложения для MCS8140 являются законченными продуктами и решают следующие задачи:
• Network Attached Storage (NAS) — MCS8140 выступает в роли USB-сервера, к которому могут быть подключены накопители на жестких дисках с интерфейсами IDE/SATA или интерфейсом USB (USB Flash Drive или любые другие, входящие в класс устройств «mass storage devices»). Поддерживаются различные файловые системы — FAT16, FAT32, NTFS, EXT2, EXT3. Интерфейс — IDE или SATA — определяется типом внешней карты расширения, подключаемой по интерфейсу PCI к процессору MCS8140. Кроме того, PCI-интерфейс может использоваться для подключения карт расширения стандарта 802.11g для работы в беспроводных сетях Wi-Fi. Встроенный аппаратный блок шифрования обеспечивает возможность защищенного обмена компьютера и сервера NAS, могут использоваться алгоритмы шифрования 3DES, AES 128/192/256 и аутентификации MD5, SHA1. NAS-сервер не требует установки специализированных драйверов на стороне клиента. Конфигурирование подключенных устройств хранения данных осуществляется через веб-интерфейс.
• Networked USB/USB Server (в данном случае USB-сервер) поддерживает устройства USB разных классов: веб-камеры, принтеры, USB-накопители, сканеры, HID-устройства, аппаратные мосты USB — Serial/ Parallel на базе микросхем FTDI, MosChip и Prolific. Основным отличием USB-сервера от NAS-
Сетевое устройство хранения данных
USB-сервер
PCI
Рис. 3. Блок-схема MCS8140
сервера является принцип включения USB-устройства в сеть. В данном случае протокол USB виртуально передается по сети. Эта особенность требует установки на удаленном компьютере специальной утилиты «USB over IP» (рис. 4). С ее помощью происходит подключение USB-устройств к данному компьютеру. Драйвера этих устройств также должны быть установлены.
• Serial over IP — преобразователь Ethernet — Serial. На базе микросхемы MCS8140 реализуется протокол TCP/IP, микросхемы MCS7820/7840 (подключаются к USB-портам MCS8140) реализуют последовательные интерфейсы. В конфигурации с четырьмя MCS7840 можно реализовать преобразователь Ethernet в 16 последовательных портов. Используя возможности микросхемы MCS7840/20, последовательные порты могут поддерживать интерфейсы RS-232/422/485 при соответствующих схемах включения.
• Print-Server — как видно из названия, в представленной конфигурации MCS8140 выступает в качестве сетевого принт-сервера. Принт-сервер (или сервер печати) — это устройство, обеспечивающее включение принтеров с интерфейсами LPT или USB в сеть. Специализированные сетевые принтеры имеют встроенный принт-сервер. Поддерживается подключение до четырех USB-принтеров, которые конфигурируются как сетевые. Отметим, что для многофункциональных устройств поддерживается только режим принтера. Поддерживается возможность интеграции в беспроводные сети при использовании внешнего адаптера Wi-Fi, подключаемого к PCI-интерфейсу.
Мосты PCI и PCI-Express
Микросхемы аппаратных мостов на PCI-шину являются первыми серийными продуктами компании MosChip. Ранее эти микросхемы выпускались под маркой NetMos Technology. В настоящее время маркировка микросхем Nm9xxx изменена на MCS98xx.
В данную группу продуктов входит пять мостов, которые позволяют реализовать один или несколько последовательных или параллельных интерфейсов: MCS9835 — два порта UART и один параллельный порт; MCS9845 — шина ISA и два порта UART; MCS9805 — один параллельный порт; MCS9815 — два параллельных порта, MCS9820 — один порт UART.
В этом году компания MosChip начала производство аппаратного моста MCS9901 на шину PCI-Express (рис. 5). На одном кристалле реализована возможность создания четырех типов интерфейсов: один порт USB 2.0 в режиме хоста, до четырех последовательных портов, одного параллельного и ISA.
Интерфейс PCI-E соответствует спецификации «PCI Express Base Specification, Revision 1.0a».
Интерфейс IEEE1284
I шина ISA I
MCS9901
4х
последов.
интерфейс
хост USB 2.0
RX DMA
ТХ DMA
ї
і Ведущий I I Ведомый I
с
ї
Генератор
XTL
Контроллер
l2C
12С
EEPROM
1х PCIe интерфейс
□
Рис. 5. Аппаратный мост PCI-E MCS9901
Он рассчитан на работу с одним соединением (1xlane) и поддерживает четыре PCI-E функции D1, D2, D3hot и D3cold.
Четыре независимых последовательных интерфейса UART, функционально совместимых с 16C450/550/Extended 550, обеспечивают скорости передачи от 50 бит/с до 16 Мбит/с. На их базе могут быть реализованы физические интерфейсы RS-232/422/485.
Последовательный интерфейс MCS9901 реализован на базе стандарта IEEE 1284. Поддерживаются следующие режимы работы: Nibble Mode, Byte Mode, Enhanced Parallel Port (EPP 1.9), Extended Capability Port (ECP), FIFO mode (Buffered SPP mode).
Шина ISA работает на частоте 8 МГц, имеет 8-разрядную шину.
MCS9901 содержит USB хост-контроллер, соответствующий спецификации USB 2.0, который поддерживает подключение до 127 периферийных устройств в режимах high-speed, full-speed и low-speed. Из дополнительных возможностей можно отметить наличие 8 линий ввода/вывода общего назначения (GPIO). Направление и состояние каждой линии ввода/вывода задается и считывается во внутренних регистрах микросхемы.
На базе микросхемы MCS9901 предлагается отладочная плата, представляющая собой карту расширения для персональных компьютеров на четыре последовательных порта (рис. 6). На внешние разъемы выводятся сигналы последовательных каналов как с TTL-уровнями, так и уровнями, соответствующими физическому интерфейсу RS-232. В первом варианте достигается максимальная скорость обмена 16 Мбит/с, в режиме RS-232 — до 1 Мбит/с. Также на плате есть доступ к линиям ввода/вывода общего назначения.
Рис. 6. Оценочная плата на базе микросхемы MCS9901
В заключение обзора стоит упомянуть о конкурирующих решениях. Из представленных на российском рынке можно выделить двух производителей — это компании FTDI и Oxford Semiconductor.
Компания FTDI предлагает микросхемы аппаратных мостов USB — Serial, которые отлично зарекомендовали себя как с аппаратной, так и программной точки зрения. В линейке FTDI есть одно- и двухпортовые решения — со встроенной EEPROM и с внешней. В сравнении с FTDI микросхемы USB — Serial MosChip имеют некоторые преимущества. Наличие двух или четырех последовательных каналов у микросхем MosChip может существенно сократить себестоимость изделия даже по сравнению с реализацией на базе новых микросхем FTDI со встроенной EEPROM. Скорость обмена до 6 Мбит/с по каждому из последовательных каналов конвертеров
интерфейсы
MosChip выгодно отличает их от 1 Мбит/с FTDI. Таким образом, себестоимость реализации двух и более последовательных каналов и высокая скорость обмена ставят микросхемы MosChip на первое место в определенных приложениях.
Компания Oxford Semiconductor является конкурентом MosChip в области производства мостов для шины PCI-E. Oxford выпускает несколько таких мостов с последовательными и параллельными интерфейсами. Но микросхема MCS9901 компании MosChip универсальна. В зависимости от требований приложения могут быть активированы те или иные последовательные или параллельные
интерфейсы. Микросхемы Oxford не имеют таких интерфейсов, как ISA и USB. Они выполнены в корпусе BGA, MCS9901 — в корпусе QFP. Единственным преимуществом микросхем Oxford является расширенный температурный диапазон — от -40 до +85 °С, MCS9901 рассчитана на работу в коммерческом диапазоне температур.
Продукция компании MosChip хорошо известна на мировом рынке производителей карт расширения для персональных компьютеров. Более десяти крупных производителей используют описанные выше микросхемы в серийно выпускаемой продукции. Компания MosChip рассчитывает, что их идеи
и решения могут заинтересовать и российских производителей. Например — производство промышленных преобразователей Ethernet — Serial на базе микросхем MCS8140 и MCS7840. В настоящее время такая продукция востребована в промышленной автоматике. Программно-аппаратное решение MosChip позволит в короткие сроки получить готовый конкурентоспособный продукт. Добавив к аппаратно-программной части пыле- и влагозащищенный конструктив, можно получить решение, которое превзойдет по характеристикам преобразователи таких производителей, как Moxa или VSCOM, а по цене будет существенно ниже. ■
