CC BY
48Компоненты и технологии, № 3'2004
Элементная база компании IDT
для систем цифровой связи
Телекоммуникационная индустрия, занимающаяся вопросами передачи и обработки информации, получила огромный толчок для своего развития и заняла уже довольно значительный сектор мировой экономики. Причем тенденции последних лет показывают, что эта доля продолжает неуклонно увеличиваться. Быстрое развитие телекоммуникационного рынка требует нового и более совершенного оборудования, а значит, и новой элементной базы. На мировом рынке появляется все больше фирм, специализирующихся на производстве элементной базы для телекоммуникационного оборудования. Одной из таких фирм, пока плохо известных на российском рынке, является американская корпорация IDT.
Михаил Петров
Фирма IDT была основана в мае 1980 года и специализируется на разработке и производстве интегральных схем, предназначенных для использования в высокоскоростном оборудовании связи. В настоящий момент элементная база IDT используется практически всеми ведущими мировыми производителями оборудования для сетей передачи данных, такими, как Alcatel, Cisco, EMC, Ericsson, Fujitsu, IBM, Lucent, Motorola, NEC, Nokia, Nortel и Siemens.
Хотя, как и любой из производителей, фирма IDT гордится своими самыми высокотехнологичными разработками и именно с них начинает все свои презентации и обзоры, мы пойдем в противоположном направлении — от простого к сложному...
Предположим, что перед вами стоит задача разработки какого-либо электронного прибора, предназначенного для использования в системах связи. Это может быть и компактная цифровая АТС, и простейший коммутатор домашней или офисной компьютерной сети, и высокоскоростной маршрутизатор мультисервисной региональной или глобальной сети связи.
Трудно даже представить, что ваше устройство не будет содержать одного, а может быть, даже и нескольких микропроцессоров. А раз так, то уж, наверное, не обойтись без высокоскоростной многоразрядной шины, предназначенной для связи микропроцессора с запоминающим устройством, системами ввода-вывода или для связи между собой отдельных блоков в составе прибора. А где есть шина, там наверняка нужны и приемопередатчики. И вам никак не обойтись без цифровых логических микросхем.
Цифровые логические микросхемы
Ориентирование продукции компании IDT на рынок цифровой связи наложило свой отпечаток на выпускаемые логические микросхемы. За основу производственной программы взяты семейства низковольтных КМОП-микросхем LVC/LVCH, усовершенствованных низковольтных ALVC/ALVCH и высокоскоростных КМОП-микросхем FCT. Но среди продукции IDT вы не найдете ни стандартных логических элементов, ни счетчиков, ни многих других изделий. Фирмой выпускаются только микросхемы, предназначенные для формирования сигналов на многоразрядных шинах. Это широкий набор различных приемопередатчиков с буферными регистрами или без них, отдельные буферные регистры и коммутаторы цифровых шин. Для повышения плотности монтажа основной упор сделан на многоразрядные устройства с разрядностью от 8 до 32 бит. Идеально приспособлены для использования в быстродействующем телекоммуникационном оборудовании новые КМОП-микросхемы со сверхнизковольтным питанием семейства AUC. Они обеспечивают работу при напряжении питания от 0,8 до 2,5 В и идеально согласуются по логическим уровням с современными высокопроизводительными микропроцессорами.
Запоминающие устройства FIFO
При необходимости обеспечения связи между отдельными микропроцессорами, устройствами цифровой обработки сигналов или же в любом другом месте схемы, где требуется передача данных
Компоненты и технологии, № 3'2004
между отдельными элементами, работающими с разными тактовыми частотами и различной разрядностью шины, может оказаться незаменимым использование запоминающего устройства типа FIFO. Среди выпускаемых компанией IDT устройств этого класса можно подобрать микросхему, удовлетворяющую практически любому вашему требованию.
Особенности запоминающих устройств FIFO:
• Объем от 512 бит до 9 Мбит с возможностью каскадирования.
• Максимальная рабочая частота 250 МГц в режиме DDR обеспечивает пропускную способность до 20 Гбит/с. Тактовая частота может устанавливаться независимо для входного и выходного портов.
• Ширина шины от 4 до 72 бит. Возможно независимое программирование ширины шины для входного и выходного регистров. Выпускаются также запоминающие устройства с параллельным входом и последовательным выходом и наоборот.
• Малая потребляемая мощность при напряжении питания 2,5, 3,3 или 5 В. При этом входные и выходные логические уровни могут устанавливаться независимо, обеспечивая передачу данных между различными типами шин.
• Работа входных и выходных регистров может независимо устанавливаться в синхронном или асинхронном режиме.
• Выпускаются как однонаправленные, так и двунаправленные буферы FIFO. Отдельный интерес представляет также трехпортовое запоминающее устройство с одним двунаправленным портом чтения-записи и двумя раздельными однонаправленными портами только для чтения и только для записи.
• Запоминающие устройства выпускаются в малогабаритных корпусах, включая TQFP и BGA, что позволяет использовать их в аппаратуре с высокой плотностью монтажа.
Мультипортовые ОЗУ
В ряде случаев оптимальным способом передачи данных между различными частями схемы может служить общий массив памяти, независимо адресуемый двумя или более микропроцессорами. Семейство мультипорто-вых запоминающих устройств компании IDT состоит более чем из 150 микросхем и включает как синхронные или асинхронные двухпортовые ОЗУ, так и специализированные мультипортовые устройства с переключаемыми банками памяти или же уникальные четырехпортовые запоминающие устройства.
Особенности мультипортовых ОЗУ:
• Одновременный доступ до запоминающего устройства через два или четыре независимых порта.
• Разрядность шины данных от 8 до 36 бит. Наличие сигналов управления выборкой отдельных байтов обеспечивает возможность передачи данных между устройствами с различной разрядностью шины.
• Напряжения питания 2,5, 3,3 или 5 В. В некоторых микросхемах возможно независимое переключение напряжения питания каждого из портов.
• Объем запоминающего устройства от 8 кбит до 9 Мбит.
• Максимальная рабочая частота для синхронных устройств составляет 200 МГц, что обеспечивает скорость передачи данных до 14 Гбит/с. При этом независимое тактирование отдельных портов позволяет обмениваться данными между устройствами с различным быстродействием.
• Минимальное время доступа 8 нс для асинхронных устройств обеспечивает предельную скорость передачи данных до 9 Гбит/с.
Быстродействующие статические ОЗУ
Высокие скорости передачи и обработки информации в цифровых системах связи требуют использования быстродействующих запоминающих устройств для промежуточного хранения данных. Поэтому в производственную программу фирмы IDT было включено семейство быстродействующих статических ОЗУ. Фирмой предлагается большой ассортимент синхронных и асинхронных устройств со временем доступа от 10 нс, емкостью от 16 кбит до 9 Мбит, различной разрядностью шины (от 4 до 36 бит) и различными напряжениями питания (2,5, 3,3, 5 В).
Но быстродействия стандартных статических ОЗУ не хватает для современных высокоскоростных систем связи. Один из вариантов повышения быстродействия запоминающих устройств был предложен компанией IDT, впервые освоившей выпуск так называемых ZBT (Zero Bus Turnaround) запоминающих устройств. Особенностью микросхем этого типа стало отсутствие тактов ожидания между последовательными циклами записи и чтения. Это позволило, сохранив традиционную организацию шины, использовать ее пропускную способность на все 100%. Попытка дальнейшего увеличения скорости обмена потребовала принципиального изменения организации шины.
Первым этапом на этом пути стало освоение выпуска запоминающих устройств типа DDR с удвоенной скоростью передачи данных. В микросхемах этого типа за один период тактового сигнала возможна передача двух слов данных, что позволяет в некоторых случаях практически удвоить быстродействие ОЗУ. Ориентация производственной программы компании IDT на рынок современных систем связи в значительной мере определила ассортимент выпускаемых изделий. Основной упор был сделан на выпуск запоминающих устройств максимально возможного объема и совместимых по интерфейсу с современными схемами цифровой обработки сигналов. Поэтому в настоящий момент выпускается семейство запоминающих устройств DDR объемом только 18 Мбит, напряжением питания 1,5-1,8 В и интерфейсом HSTL. Разные микросхемы семейства DDR отличаются только различ-
ной организацией памяти (2Mx8, 2Mx9, 1Mx18, 512Kx36).
Но и этого быстродействия оказалось недостаточно. И фирма IDT вошла в альянс разработчиков нового стандарта QDR (Quad Data Rate). В основу новой разработки было положено двухпортовое запоминающее устройство с раздельными портами чтения и записи. Само запоминающее устройство и каждый из портов чтения-записи были усовершенствованы для работы в режиме DDR. Теперь за один период тактового сигнала стало возможным осуществить два цикла записи и два цикла чтения, что и позволило в предельном случае учетверить быстродействие ЗУ. Микросхемы семейства QDR, как и устройства DDR, выпускаются фирмой IDT только объемом 18 Мбит, с теми же вариантами организации памяти (2Mx8, 2Mx9, 1Mx18, 512Kx36) и с тем же интерфейсом HSTL.
Генераторы тактовых сигналов
Оснащение современного прибора несколькими микропроцессорами, устройствами цифровой обработки сигналов и различными типами цифровых интерфейсов создает трудности не только при передаче данных между отдельными блоками. По-новому приходится и организовывать даже такую простейшую на первый взгляд схему, как обычный генератор тактовых сигналов.
Ведь если тактировать каждое цифровое устройство от своего внутреннего генератора, то как тогда осуществить передачу данных между этими устройствами? Придется для каждого узла передачи данных устанавливать буферные запоминающие устройства с асинхронным доступом. А если по ходу обработки данных их надо несколько раз передавать через такие узлы? В решении этой проблемы нет однозначного ответа.
С одной стороны, можно попытаться тактировать большинство модулей устройства от единого генератора, но при этом тактовую частоту придется выбирать по самому медленному устройству. А это вряд ли целесообразно в быстродействующей системе устройств.
С другой стороны, можно попытаться тактировать все модули от единого высокочастотного генератора с набором делителей частоты. Тогда несложно будет обеспечить синхронную передачу данных, но придется строить сложную систему разводки многочисленных тактовых сигналов по отдельным модулям. А это и лишние контакты, и лишние помехи, и неизбежные задержки распространения тактовых сигналов, которые могут стать критическими при достижении предельного быстродействия.
Фирма IDT предлагает немного другой способ построения тактовых цепей. Требуется только развести по отдельным модулям один или несколько опорных сигналов, а все остальные тактовые генераторы строить на основе цепей ФАПЧ с синхронизацией по этой опорной частоте. При этом, во-первых, нетрудно обеспечить генерацию различных, но синхронных между собою тактовых частот, а во-вторых, можно частично
Компоненты и технологии, № 3'2004
скомпенсировать задержки распространения сигнала в любой из цепей тактирования путем генерации тактовых сигналов с определенными фазовыми сдвигами.
Конкретную схему тактирования готового устройства вы, конечно же, можете выбрать сами. В ваши руки фирма ГОТ передает только необходимые для ее построения «кирпичики».
Функционально законченные тактовые генераторы
Готовые тактовые генераторы, ориентированные на использование в коммуникационных системах, устройствах цифровой передачи данных и в вычислительной технике. Такие генераторы используют обычно одну или две входных опорных частоты и обеспечивают систему несколькими (от 2 до 20) тактовыми сигналами. В зависимости от конкретного изделия это могут быть просто частоты, кратные входной, либо типовые частоты, принятые, например, в системах связи стандартов Т1 или Е1, либо программируемые тактовые частоты для отдельных модулей схемы, например, центрального процессора, шины РС1 или устройств ввода-вывода персональных компьютеров.
Программируемые устройства распределения тактовых сигналов
Особенностью микросхем этого класса является возможность внесения определенного фазового сдвига в выходные сигналы. Для некоторых устройств фазовый сдвиг жестко определяется конкретным типом микросхемы, а для некоторых может программироваться в некоторых пределах. Более того, в программируемых микросхемах возможно не просто управление фазовым сдвигом по каждому из выходных каналов в отдельности. Диапазон регулировки включает как внесение некоторой фазовой задержки, так и установку фазового опережения в каждый из выходных сигналов. Это позволяет скомпенсировать задержки распространения тактовых сигналов при передаче их в различные модули устройства.
Усилители-распределители тактового сигнала
Для уменьшения задержек, связанных с большой емкостной или токовой нагрузкой в цепях распространения тактового сигнала, иногда бывает удобно использовать отдельные усилители для передачи тактового сигнала в различные модули устройства. Для этой цели могут служить микросхемы усилителей-распределителей. Основными требованиями к таким устройствам являются минимальная задержка тактового сигнала в самом устройстве и незначительная разность задержки распространения сигнала в отдельных каналах устройства. Компанией ГОТ выпускается широкий спектр усилителей-распределителей тактового сигнала, причем самые быстродействующие варианты вносят задержку, не превышающую 1,75 нс с разбросом не более 25 пс между отдельными каналами. В ряде случаев усилители-распределители одновременно осуществляют преобразование между логическими уровнями на входе и выходе устройства.
Буферные усилители тактового сигнала с нулевой задержкой
Даже минимальная задержка тактового сигнала в буферных усилителях может стать критической для работоспособности быстродействующих схем передачи и обработки данных. Выходом из этой ситуации является использование так называемых буферных усилителей с нулевой задержкой. На самом деле эти устройства представляют собой отдельный генератор тактового сигнала с фазовой автоподстройкой частоты и фазы выходного сигнала по входному тактовому сигналу. Предназначенные в первую очередь для подачи тактовых сигналов на несколько банков запоминающего устройства, буферные усилители с нулевой задержкой обеспечивают несколько однотипных копий тактового сигнала с минимальным временным и фазовым разбросом между ними и синхронных со входным тактовым сигналом. Для уменьшения шумов и наводок выходные цепи усилителей-распределителей в некоторых случаях оснащаются встроенными демпфирующими резисторами.
Микросхемы для систем телекоммуникации
Фирма IDT предлагает широкий набор микросхем, предназначенных для максимальной интеграции сетей передачи голоса и данных на основе единой мультисервисной платформы. Всю группу телекоммуникационных микросхем компании IDT можно разделить на три отдельных семейства:
• микросхемы, ориентированные на использование в цепях передачи данных T1/E1/J1;
• микросхемы для обработки речи с импульсно-кодовой модуляцией;
• устройства для коммутации пакетов в системах мультиплексирования с временным разделением каналов.
Микросхемы транспортного уровня T1/E1/J1
До недавнего времени в составе этого семейства выпускались 8-канальные формирователи блоков данных для цифровых линий связи и микросхемы многоканальных интерфейсов линии связи T1/E1. Если первоначально значительный упор при новых разработках делался на обеспечение максимальной степени интеграции изделий, то в последние годы стало понятно, что рыночный успех остается за изделиями, обеспечивающими максимальную гибкость в использовании. Поэтому компания IDT начала выпуск полностью функционально идентичных микросхем, но с различным числом каналов (от 1 до 8).
Еще большей гибкости удалось достичь при разработке совершенно нового семейства приемопередатчиков Super JET. Такое название они получили по первым буквам протоколов J1, E1 и T1, которые приемопередатчик может поддерживать одновременно. Высокая степень интеграции позволила совместить в одной микросхеме как 8-канальный формирователь блоков данных, так и 8-канальный интерфейс линии связи T1/E1/J1.
Причем если в предыдущих изделиях можно было только глобально переконфигурировать микросхему для работы в одном из режимов, то новые приемопередатчики SuperJET позволяют независимо сконфигурировать каждый из 8 каналов для работы в любом режиме. Как и предыдущие разработки компании IDT, новые приемопередатчики выпускаются в вариантах с различным числом каналов (1, 2, 4 и 8).
Схемы обработки звуковых сигналов
Схемы обработки звуковых сигналов предназначены для использования в современных цифровых телефонных станциях и обеспечивают преобразование сигналов между аналоговой абонентской линией и цифровыми схемами обработки и коммутации сигналов. Для этой цели служит семейство кодеков с импульсно-кодовой модуляцией. Ассортимент выпускаемых изделий охватывает диапазон от простейших кодеков A-типа и ц-типа до полностью программируемых 8-канальных кодеков с программируемым цифровым интерфейсом (PCM или GCI), программируемыми цифровыми фильтрами, встроенными программируемыми тональными генераторами (по два на каждый канал), обеспечивающими генерацию вызывного сигнала и посылок DTMF, генераторами тарификационных сигналов и четырьмя генераторами FSK, формирующими передачу номера вызывающего абонента во всех 8 каналах микросхемы.
Для обеспечения функциональной законченности семейства звуковых микросхем в последнее время компанией IDT был освоен выпуск микросхем интерфейса абонентской линии (SLIC). Программируемые интерфейсы абонентской линии допускают работу с напряжениями питания линии от -19 до -58 В и позволяют работать с длинными телефонными линиями. Это расширяет область их применения от небольших офисных АТС до городских телефонных станций.
Коммутаторы ИКМ-сигналов
Семейство цифровых коммутаторов сигналов предназначено для использования в цифровых телефонных станциях. В минимальной конфигурации цифровой коммутатор работает с четырьмя входными и четырьмя выходными потоками со скоростью передачи 2,048 Мбит/с каждый и обеспечивает независимую коммутацию любого из 128 входящих цифровых каналов 64 кбит/с в любой из 128 выходящих каналов.
Самый же современный цифровой коммутатор работает с 64 входными и 64 выходными потоками со скоростью передачи до 32,767 Мбит/с каждый и обеспечивает произвольную коммутацию сигналов на матрице 32768x32768 каналов.
Микросхемы для использования в глобальных сетях связи
Бурное развитие глобальной компьютерной сети Интернет при одновременном росте пропускной способности каналов связи привел к значительным изменениям в сфере услуг, предоставляемых операторами связи.
Компоненты и технологии, № 3'2004
Появилась техническая возможность передачи по Интернету не только текстовой или графической информации, но и голосовой связи, музыки и даже телевизионного изображения. А это в свою очередь потребовало кардинального изменения алгоритма работы сетей связи.
Ведь текстовые и графические данные можно было просто разбить на отдельные блоки, которые могли передаваться по различным маршрутам и с различным временем доставки до конечного пользователя. В конце концов, даже потеря отдельных блоков данных легко компенсировалась путем повторения запроса на передачу недостающих блоков.
Иначе обстоит дело с непрерывными по своей природе потоковыми данными типа звука или изображения. Ведь несвоевременная доставка или потеря отдельных блоков данных не позволит на приемной стороне восстановить весь поток, что сведет на нет саму идею передачи такой информации.
Поэтому от операторов связи потребовалось не только обеспечить доставку до заказчика определенного объема данных, но и гарантировать каждому потребителю потоковых данных выделение определенной минимальной полосы пропускания канала связи и определенной максимальной задержки передачи данных. А это в свою очередь потребовало кардинального изменения в оборудовании связи. Теперь отдельные пакеты данных из общего потока приходится анализировать в реальном масштабе времени на предмет различного характера передаваемых данных и в зависимости от результатов анализа устанавливать приоритеты обслуживания и маршруты для дальнейшей передачи пакетов.
Для решения задач подобного рода потребовалась разработка новых типов сетевых коммутаторов и маршрутизаторов, а это в свою очередь потребовало и разработки новой элементной базы. Что же предлагает компания IDT для разработчиков сетевого оборудования нового поколения?
Интегральные коммуникационные процессоры семейства Interprise Микросхемы этого семейства можно условно разбить на две отдельных ветви.
Во-первых, это универсальные коммуникационные процессоры с интерфейсом PCI. Такие устройства предназначены для построения на их основе быстродействующих Ethernet-коммутаторов, оборудования WAP и VPN. В настоящий момент компания IDT является ведущим мировым производителем интегральных управляющих процессоров для Ethernet-коммутаторов 2-го уровня.
Микропроцессоры этого типа построены на основе MIPS-ядра и оснащены:
• интегральным контроллером внешнего запоминающего устройства SDRAM;
• контроллером статического ЗУ или устройств ввода-вывода;
• программируемыми контроллерами прерываний и прямого доступа к памяти;
• интерфейсом SPI;
• встроенным UART;
• 32-битными таймерами.
Для минимизации издержек при построении готового устройства каждый процессор этого типа содержит внутренний контроллер шины PCI, что позволяет легко наращивать конфигурацию системы за счет использования многочисленных периферийных устройств, выпускаемых для компьютерного рынка.
Вторым направлением интегральных коммуникационных процессоров IDT являются микросхемы, предназначенные для построения периферийных устройств сетевого доступа. Повторяя в основном внутреннюю структуру универсальных коммуникационных процессоров, микросхемы этого типа содержат также встроенный Ethernet-контроллер, а в ряде устройств также интерфейсы USB и ATM. Одна из микросхем семейства содержит даже встроенный аппаратный модуль шифровки данных.
IP-сопроцессоры
Для правильного перенаправления поступающих на сетевой маршрутизатор пакетов данных требуется в реальном масштабе времени проанализировать информацию о каждом входящем пакете и на основании этого анализа принять решение о последующем его перенаправлении на следующие маршрутизаторы. Для решения этих задач предназначены так называемые IP-сопроцессоры, выпускаемые компанией IDT.
Казалось, что может быть проще — читаешь заголовок пакета, несущий информацию о характере передаваемых данных и адресах отправителя и получателя, и перенаправляешь пакет куда надо. Но положение сильно осложняется тем, что по глобальным сетям передаются пакеты с различными протоколами передачи данных. И соответствующие им заголовки могут иметь различную длину, различное смещение относительно начала пакета и различную внутреннюю структуру. Поэтому анализ надо вести по полям переменной длины, переменного расположения и переменного содержания.
Максимально разгрузить центральный сетевой процессор от решения задач, связанных с анализом заголовков поступающих пакетов, призваны выпускаемые компанией IDT процессоры сетевого поиска (Network Search Engines). Работа этих устройств основывается на использовании ассоциативного запоминающего устройства большого объема, предназначенного для хранения шаблонов заголовков и дополнительной информации, необходимой для правильной маршрутизации соответствующих каждому шаблону пакетов. Заголовок поступающего пакета сравнивается с информацией, хранимой в базе данных, и при определенной степени совпадения из базы делается соответствующая выборка с информацией о способе дальнейшей обработки пакета данных. Гибкая структура запоминающего устройства с сохранением информации в отдельных базах данных с переменной шириной полей обеспечивает выполнение поиска для различных по своей структуре заголовков. Максимальная глубина анализа заголовка может достигать 576 бит. Высокое быстродействие системы, достигаю-
щее 250 млн поисковых запросов в секунду, позволяет при помощи одного прибора обрабатывать в реальном масштабе времени несколько цифровых потоков ОС-192.
Но не всегда можно обойтись простым анализом заголовков. Современные глобальные сети передачи данных построены на основе разнородных транспортных протоколов, и по мере прохождения маршрута информация об исходном пакете данных может быть многократно инкапсулирована в различные транспортные протоколы. Поэтому для извлечения информации о характере данных требуется достаточно глубокий анализ поступивших пакетов. Решение этой задачи в реальном масштабе времени требует использования специализированных микросхем анализатора протоколов.
Выпускаемые ГОТ анализаторы протоколов семейства РАХ.роЛ позволяют в реальном масштабе времени анализировать заголовки пакетов данных, поступающих со скоростью до 2,5 Гбит/с. Эти микросхемы обеспечивают большую глубину анализа, что позволяет найти определенные поля даже в многократно инкапсулированных заголовках, сравнить их на соответствие с регулярными выражениями и на основе анализа сопроводить каждый пакет данных своим тэгом, используемым сетевым процессором, для принятия решения о последующей маршрутизации пакета. При этом могут обрабатываться не только заголовки сетевых и транспортных протоколов 2-4 уровней, но и заголовки уровня приложений. Таким образом, например, становится возможным выделение из пакета данных НТТР-заголов-ков для организации распределенной нагрузки на кластеры крупных web-серверов.
Схемы управления потоком данных
После принятия решения о необходимой маршрутизации поступившие в сетевое устройство пакеты данных должны быть распределены по отдельным очередям и временно сохранены в ожидании последующей отправки по раздельным маршрутам. Специальные микросхемы управления потоками данных позволяют сформировать и сохранить от 1 до 32 отдельных очередей на отправку с раздельным управлением глубиной и параметрами каждой очереди. Суммарный объем одного буферного запоминающего устройства достигает 5 Мбит. Возможность каскадирования микросхем увеличивает допустимое количество отдельных очередей до 256. Работая на частотах до 200 МГц в режиме БОИ, запоминающие устройства такого типа могут обеспечивать пропускную способность до 16 Гбит/с.
В заключение хотелось бы отметить, что сотрудники компании ГОТ в тесной взаимосвязи со своими стратегическими партнерами, среди которых все известные мировые производители телекоммуникационного оборудования, внимательно следят за новыми тенденциями на рынке средств связи, пытаясь проанализировать направления дальнейшего развития и первыми обеспечить производителей новых типов оборудования соответствующей элементной базой. МИ
