Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №2

Процессорные платформы VIA: функциональность, компактность, надежность

Архипов Андрей


Часто можно встретить приложения, в которых необходимо использовать платформы с мощными х86 процессорами и широким набором периферии при минимальных габаритах и, что особенно важно, отсутствии ненадежных и громоздких охлаждающих вентиляторов. Это, к примеру, банкоматы, игровые автоматы, справочные и платежные терминалы, а также мощные промышленные контроллеры. Требования к таким системам достаточно велики — как правило, это функционирование в небольшом замкнутом объеме, при широкой амплитуде изменений температуры окружающей среды. При этом должна обеспечиваться максимальная надежность устройства. О процессорных платформах для таких применений и пойдет речь в данной статье.

Немного истории

Для начала вспомним рынок персональных компьютеров. Место «процессорного лидера» с 1978 года, когда был создан первый 8086 процессор, и практически по сей день занимает компания Intel. Сейчас ее догоняет (а в некоторых случаях уже перегоняет) компания AMD. Были попытки других компаний занять первое место среди производителей процессоров для персональных компьютеров, но эти попытки особым успехом не увенчались. Бренд под названием VIA Technologies также вряд ли можно встретить среди основных производителей процессоров для персональных компьютеров, но пользователям хорошо известно это название — несколько лет назад компания VIA была на втором месте по производству чипсетов для материнских плат (опять же после компании Intel). И по сей день материнские платы для персональных компьютеров на чипсетах VIA имеют весьма большой спрос.

Как производитель x86-совместимых процессоров, компания VIA заняла свою нишу в области встраиваемых и компактных систем. В настоящее время очень многие устройства работают на базе мощных x86-совместимых платформ. Здесь зачастую требуются специфические требования к процессорной платформе. Два основных требования — это, как правило, компактность платформы и отсутствие на ней охлаждающих вентиляторов. Компанией VIA разработаны высокопроизводительные процессоры малых размеров для подобных применений, а также системы на кристалле: совокупность процессора и широкого набора периферии в одном корпусе микросхемы. Кроме того, для процессоров собственной разработки компания VIA предлагает чипсеты северного и южного мостов с массой периферийных интерфейсов, в том числе с интегрированной высокопроизводительной видеоподсистемой. Все представленные ниже процессорные платформы поддерживают большинство x86-совместимых операционных систем (Microsoft Windows, Linux, Open BSD) и средств разработки программного обеспечения.

Процессор VIA Eden

Самым компактным процессором с наименьшим током потребления среди всех процессоров VIA в линейке является процессор Eden (рис. 1). Основные его характеристики приведены в таблице 1.

Процессоры VIA Eden и VIA Eden-N
Рис. 1. Процессоры VIA Eden и VIA Eden-N
Таблица 1. Процессор VIA Eden

Ясно, что при достаточно хорошей производительности у этого процессора суммарное тепловыделение (процессор + чипсет) в среднем составляет всего около 3 Вт, благодаря использованию современной 0,13-микронной технологии. Что позволяет использовать этот процессор в компактных устройствах с пассивным охлаждением и питанием от батарей.

Кроме того, процессоры могут быть в корпусах двух типов — EBGA и FCBGA. Следует отметить, что последний имеет размеры всего 15×15 мм, что делает идеальным применение процессора в таком корпусе в мобильных приложениях, требующих компактности монтажа. Сегодня этот х86 процессор является самым маленьким среди аналогов с такой же производительностью (1 ГГц). Кроме того, рабочая температура процессора может быть достаточно высокой — до 85 °С, что немаловажно при тяжелых условиях эксплуатации.

Ядро процессора Eden шестого поколения (6×86) полностью совместимо со всеми операционными системами для платформы х86, в том числе Windows XP иWindows CE (для встраиваемых приложений). Частота шины процессора составляет 133 МГц. Процессор поддерживает инструкции MMX и SSE, имеет мощную аппаратную поддержку шифрования информации по алгоритму AES. При частоте процессора 1 ГГц скорость шифрования может достигать 12,5 Гбит/с, что в 8 раз быстрее, чем при использовании 3 ГГц Pentium 4 с программной реализацией алгоритма (около 1,5 Гбит/с). Также на кристалле имеется два генератора случайных чисел. Это существенно облегчает построение на базе этого процессора устройств, требующих программной защиты данных и активной работы с мультимедийными приложениями.

Тепловыделение процессора составляет от 2,5 до 7 Вт в зависимости от тактовой частоты (табл. 2).

Таблица 2. Тепловыделение процессора VIA Eden

При напряжении питания ядра процессора Eden на платформе VE1400, равном 1,05 В, суммарное тепловыделение (процессор + чипсет) в среднем составит всего около 3 Вт. Это почти в три раза меньше, чем у конкурирующих изделий. К примеру, для платформы TM 5800 с процессором Transmeta этот показатель составит порядка 6 Вт, а для платформы MX440 на базе процессора Intel ULP — 5,73 Вт.

Таким образом, процессор Eden хорошо подходит для использования в компактных устройствах с пассивным охлаждением и питанием от батарей.

Процессор VIA С3

Процессор VIA С3 — это, прежде всего, большая производительность: по сравнению с процессором Eden с максимальной тактовой частотой 1 ГГц и частотой шины 133 МГц, C3 может работать с тактовой частотой вплоть до 1,4 ГГц, а частота шины может достигать 200 МГц.

Этот процессор построен на базе ядра Nehemiah с использованием усовершенствованной технологии CoolStream™, которая обеспечивает необходимую производительность для выполнения даже самых требовательных цифровых мультимедийных приложений, при этом сохраняются низкое энергопотребление и тепловыделение.

Параметры процессора VIA C3 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Процессор VIA C3

Процессор выпускается в двух вариантах: для стационарных и мобильных систем (соответственно C3-М и С3-М LV). Версия С3-М (рис. 2) отличается большей производительностью, но имеет больший ток потребления и рассеиваемую мощность. Процессоры могут поставляться в корпусе EBGA, версия С3-М также может быть доступна в корпусе CPBGA, что позволяет использовать этот процессор совместно со стандартными материнскими платами, имеющими процессорный слот Socket 370.

Процессоры VIA C3-M и VIA C3-M LV
Рис. 2. Процессоры VIA C3-M и VIA C3-M LV

Это значительно расширяет область применения данного процессора, поскольку такой процессорный слот — не редкость в сфере промышленных компьютеров и универсальных материнских плат для встраиваемых приложений. Несмотря на большую выделяемую мощность по сравнению с процессором Eden, VIA C3 остается сильным конкурентом для своих соперников в области встраиваемых систем по части тепловыделения: во многих случаях этот процессор может использоваться с пассивным охлаждением, что немаловажно.

В процессоре VIA С3 применена запатентованная технология PadLock™ — мощная аппаратная поддержка шифрования информации по алгоритму AES — и два генератора случайных чисел для обеспечения программной защиты информации. Также имеется поддержка мультимедийных инструкций MMX и SSE.

Процессор VIA С7

Процессор VIA C7 (рис. 3) имеет самую большую производительность в линейке процессоров VIA.

Процессор VIA C7
Рис. 3. Процессор VIA C7

Процессор имеет шину с частотой 800 МГц, скорость ядра при этом может составлять до 2 ГГц. И в этом случае процессор отличается своим малым тепловыделением. К примеру, при тактовой частоте 1,5 ГГц процессор выделяет порядка 12 Вт (рис. 4).

Выделяемая мощность процессора VIA C7
Рис. 4. Выделяемая мощность процессора VIA C7

На рис. 5 показано сравнение процессора VIA C7 с процессором Intel Pentium-M по производительности на один ватт мощности. Для объективности сравнение проводилось при помощи нескольких популярных тестовых программ.

Производительность на ватт VIA C7 и Pentium-M
Рис. 5. Производительность на ватт VIA C7 и Pentium-M

Кроме низкого тепловыделения при максимальной загруженности процессора, в VIA С7 применен ряд технологий, обеспечивающих пониженное потребление процессором электроэнергии в режиме неполной загрузки. Так, например, технология VIA TwinTurbo™ позволяет переключаться в режим пониженного энергопотребления за очень короткое время, что практически не отражается на выполнении задач, а в моменты простоя потребление тока процессором очень мало.

В процессоре VIA С7 применена новая перспективная технология выращивания кристаллов — 90 нм SOI (Silicon-on-insulator, или кремний-на-диэлектрике). Это позволяет увеличить производительность на 15% при уменьшении потребляемой мощности на 20% по сравнению с традиционной технологией.

На кристалле размещен и мощный математический сопроцессор, позволяющий ускорить вычисления с плавающей точкой, а также увеличить производительность мультимедиаприложений.

Процессор поддерживает инструкции MMX, SSE, SSE2 и SSE3, увеличивающие производительность приложений при работе с 3D графикой и мультимедиа.

Традиционно процессор VIA С7, как и остальные процессоры VIA, имеет мощную аппаратную поддержку шифрования информации по алгоритму AES. Скорость шифрования у этого процессора может достигать 25 Гбит/с, что примерно в 160 раз больше, чем скорость чтения информации с жесткого диска. Кроме того, процессор имеет поддержку алгоритмов шифрования информации SHA-1 и SHA-256, а также инструкции, позволяющие ускорить алгоритмы шифрования с открытым ключом (таких как RSA).

В дополнение нужно отметить наличие двух генераторов случайных чисел производительностью до 20 млн случайных бит в секунду и аппаратной защиты от нежелательного исполнения кода (атак вирусных программ).

Процессор выполнен в корпусе NanoBGA малого размера (всего 21×21 мм), что позволяет конструировать на его базе весьма компактные устройства.

Платформа VIA CoreFusion

Кроме процессоров компания VIA производит однокристальные процессорные платформы, которые носят названия VIA CoreFusion. Сегодня доступно два таких продукта: VIA CoreFusion Mark и Luke (рис. 6). Примечательно, что для названий своих платформ VIA использует имена евангелистов в порядке их следования вНовом Завете. В одном корпусе этих микросхем объединены процессор VIA Eden-N, северный мост VIA CN400 и интегрированный графический чип S3 Graphics UniChrome Pro (2D/3D AGP8X графическое ядро).

Процессорная платформа VIA CoreFusion Luke
Рис. 6. Процессорная платформа VIA CoreFusion Luke

Это позволяет создавать универсальные многофункциональные контроллеры с минимальным количеством компонентов и, следовательно, с минимальными габаритами. Спецификация платформы VIA CoreFusion Luke приведена в таблице 4.

Таблица 4. Спецификация процессорной платформы VIA CoreFusion Luke

Судя по этим данным, платформа VIA Luke имеет весьма функциональный и мощный интегрированный видеоконтроллер на шине AGP с аппаратным ускорением MPEG2 и MPEG4, а также интерфейс для видеозахвата. Что делает идеальным применение этой платформы в системах видеонаблюдения и в устройствах для работы в real-time видео. Из обязательных внешних компонентов требуются модуль динамической DDR памяти и микросхема южного моста. Платформа имеет сравнительно высокую степень интеграции по сравнению с известными аналогами (табл. 5), а также хорошую гибкость конфигурации периферии, особенно при использовании компонентов, производимых компанией VIA (табл. 6).

Таблица 5. Сравнение встроенной периферии платформы VIA Luke с аналогами
Таблица 6. Гибкость периферии платформы VIA Luke

Платформа VIA Mark принципиально отличается от VIA Luke поддержкой шины ISA. Производитель гарантирует полную поддержку этой шины как минимум до 2010 года.

Платформа имеет полный комплект драйверов WHQL для операционных систем Windows CE и Linux, а также обеспечивается программной поддержкой BIOS. Данная платформа идеальна для портативных устройств с LCD-дисплеями, поскольку имеет интерфейс LVSD, а также полную поддержку различных разрешений подключенного дисплея в средствах разработки.

Чипсеты производства компании VIA

Компания VIA производит достаточно большую линейку чипсетов для самых различных платформ и применений. Для процессоров AMD Opteron/Athlon64/Athlon64 FX разработаны северные мосты VIA серии K8, для Athlon XP/Duron — VIA K7. Для платформы Intel Pentium IV и Celeron предназначены северные мосты серии VIA P4. Эти мосты в рамках данной статьи рассматриваться не будут.

Для процессоров VIA C3, VIA C3-M, VIA Eden и VIA C7 (а также для Intel Pentium III и Celeron ) служат северные мосты VIA серии С. Это семейство представлено тремя моделями: VIA CN400, VIA CN700 и VIA CLE266. Следует отметить, что мосты CN400 и CN700 работают на шине V4, разработанной компанией VIA. Чип CLE266 предназначен для работы на системной шине Intel Pentium IV. Соответственно, процессоры VIA есть и в двух исполнениях системной шины — V4 и P4. Процессор VIA C7 поддерживается только мостом CN700: этот мост может работать с частотой шины 533/400 МГц. Отличительной особенностью данных микросхем является встроенный высокопроизводительный видеоконтроллер S3 Graphics UniChrome™ IGP с аппаратной поддержкой алгоритмов MPEG2/4 и HDTV интерфейсом. Видеоконтроллер поддерживает такие аппаратные функции, как двухмониторный режим, Video De-blocking, адаптивный De-interlace и аппаратный поворот дисплея. Также имеется возможность подключения внешнего графического адаптера через шину AGP 8x.

Среди чипов южных мостов можно выделить VIA VT8251, VIA VT8237A/R Plus и VIA VT8235. Эти микросхемы обладают значительной степенью интеграции различных интерфейсов.

Все перечисленные микросхемы южных мостов имеют встроенные контроллеры USB 2.0 (до 8 портов), PCI, Audio (6-ти канальный интегрированный AC'97 кодек или 8-канальное HDAudio на PCI шине), Fast Ethernet 10/100 Мбит, а также контроллер IDE.

Отличительной особенностью моста VT8251 является наличие 2 каналов универсального высокоскоростного интерфейса Express PCI, уже получившего широкое распространение.

Мосты VIA VT8251 и VIA VT8237A/R Plus имеют интегрированные контроллеры SATA. Эти контроллеры имеют по четыре порта со скоростью передачи данных до 3 Гбит/с (master) и 1,5 Гбит/с (slave), поддерживают разветвители и «горячее» подключение устройств, а также в них применена технология NCQ (Native Command Queuing), позволяющая дисковому контроллеру выполнять до 32 команд без прерывания (обычно прерывание осуществляется после каждой команды), оптимизировать последовательность выполнения и уменьшить время выполнения запросов, что позволяет сократить число позиционирований головки диска при чтении или записи информации. Это ускоряет скорость передачи данных, а также увеличивает ресурс дискового накопителя. В этих дисковых контроллерах применена аппаратная поддержка RAID (уровни 0, 1, 0+11, 5 и JBOD), что позволяет пользователю настраивать систему на оптимальное соотношение надежности хранения информации и быстродействия системы, в зависимости от поставленной задачи. Конфигурация RAID может быть динамически изменена с помощью программного интерфейса.

Наличие такого широкого спектра интегрированной периферии в микросхемах северного и южного мостов позволяет обойтись практически без применения внешних интерфейсных микросхем в конечном устройстве.

Универсальные контроллеры на базе процессорной платформы VIA

Блок-схема универсального контроллера с использованием процессора VIA C3 или VIA Eden на чипсете VIA CN400 + VIA VT8237 приведена на рис. 7. В случае, когда требуется максимальная компактность устройства, вместо процессора и северного моста целесообразно применить однокристальную процессорную платформу VIA Luke CoreFusion. При необходимости использования шины Express-PCI и расширенной поддержки RAID вместо южного моста VT8237 необходимо применить VT8251.

Блок-схема универсального контроллера на платформе VIA
Рис. 7. Блок-схема универсального контроллера на платформе VIA

На блок-схеме видно, что подобный контроллер имеет все необходимые интерфейсы, при этом содержит достаточно малое количество электронных компонентов. Компанией VIA на основе описанных компонентов производятся готовые контроллеры в двух форм-факторах: Mini-ITX и Nano-ITX (соответственно, 170×170 и 120×120 мм). К примеру, на рис. 8 изображен компактный контроллер VIA EPIA-N в формате Nano-ITX.

Контроллер VIA EPIA-N
Рис. 8. Контроллер VIA EPIA-N

Имея размеры всего 120×120 мм, контроллер EPIA-N обладает процессором с частотой до 1 ГГц, не требующим охлаждающего вентилятора. В контроллере использована процессорная платформа VIA Luke CoreFusion и микросхема южного моста VT8237R, которые размещены на восьмислойной печатной плате. Контроллер имеет встроенный видеоадаптер с аппаратной поддержкой MPEG2/4 кодирования видео, входом для захвата видео и видеовыходом. Контроллер использует модули оперативной памяти DDR266/333/400 формата SODIMM размером до 1 Гб. Для подключения периферийных устройств может быть использован разъем Mini-PCI. Контроллер имеет интерфейсы IDE (2 канала UDMA 133/100/66) и SATA для подключения дисковых накопителей, интерфейс Ethernet 10/100 (драйвер физического уровня VT6103), а также 6-канальный AC`97 кодек (VT1617A).

На плате контроллера имеются разъемы интерфейсов USB, LVDS/DVI (совместно с картой расширения), PS/2, VIP, LPC/SIR.

Для повышения надежности работы контроллер оборудован WatchDog таймером и системой мониторинга режима работы.

Контроллер EPIA-N имеет рабочий температурный диапазон 0...+50 °С, но возможны поставки контроллеров VIA с рабочим температурным диапазоном –40…+70 °С для промышленного использования.

Пример применения контроллеров VIA

В качестве примера можно привести компактную цифровую систему видеонаблюдения, построенную на базе описанного выше контроллера VIA EPIA-N. Блок-схема такой системы приведена на рис. 9.

Охранная система видеонаблюдения на базе VIA EPIA-N
Рис. 9. Охранная система видеонаблюдения на базе VIA EPIA-N

Типичные функции, которые выполняет видеосервер системы наблюдения — получение изображения с нескольких видеокамер, осуществление длительной записи видеоизображений с выбранных камер на съемный носитель, а также вывод изображений на монитор. Большинство подобных систем имеют функцию автоматического включения записи при срабатывании подключенного датчика движения. Также может присутствовать функция акустического контроля помещений.

Все эти функции выполняет контроллер, показанный на блок-схеме. Процессорная плата VIA EPIA-N имеет встроенный графический адаптер с композитным видеовыходом, что позволяет подключать к нему напрямую контрольный монитор или телевизор, а также видеовходом для подключения аналоговых видеокамер. Когда необходимо подключить к системе несколько видеокамер, можно применить внешнюю плату видеокоммутатора, имеющего возможность управления через интерфейсы RS-232 или USB, либо сконструированную в форм-факторе Compact PCI для установки непосредственно на процессорную плату. В системе также возможно применение цифровых камер, передающих изображение, к примеру, по интерфейсу Ethernet.

Для устройства хранения видеоархивов хорошо подойдет съемный жесткий диск с интерфейсом IDE или Serial ATA: процессорная плата имеет соответствующие контроллеры. Для повышения надежности хранения информации может быть использована встроенная поддержка RAID.

Мощный процессор с аппаратным ускорением мультимедийных приложений позволяет такой системе работать с несколькими видеопотоками одновременно в реальном режиме времени. Система может выполнять роль квадратера с возможностью гибкой настройки интерфейса. Управление и настройка системы может осуществляться со специализированного пульта управления или клавиатуры с интерфейсом PS/2.

Дополнительные датчики и исполнительные устройства (например, датчик движения, сигнальные лампы, электрические замки и пр.) могут подключаться через внешний контроллер ввода-вывода с интерфейсом USB, RS-232 или Compact PCI. Аудиокодек AC'97 может быть использован для акустического контроля с возможностью записи и последующего воспроизведения.

Благодаря наличию в контроллере интерфейса Ethernet, к системе может быть подключена локальная сеть компьютеров или контроллеров для получения информации из системы и ее удаленного управления. Конфиденциальность информации в этой сети может обеспечиваться шифрованием информации в реальном режиме времени. Благодаря мощой аппаратной поддержке криптографического алгоритма AES, для процессорной платы VIA эта задача становится легко выполнимой.

Процессор системы имеет распространенную архитектуру, поэтому написание ПО для такой системы становится несложной задачей, кроме того, для архитектуры x86 разработана масса встраиваемых операционных систем, позволяющих сделать удобный и понятный интерфейс с пользователем.

Немаловажным фактором является достаточно низкая стоимость реализации подобной системы благодаря использованию универсальной процессорной платы. Для подобных приложений компания Mini-ITX выпустила на базе платы VIA EPIA-N универсальный мультимедийный ПК в корпусе очень малого размера (рис. 10)

Мультимедийный ПК Nanode на базе платы VIA EPIA-N Nano-ITX
Рис. 10. Мультимедийный ПК Nanode на базе платы VIA EPIA-N Nano-ITX

Корпус этого ПК имеет размеры 160×150×94 мм, он оснащается жестким диском объемом 20 или 40 Гб, приводом для оптических дисков, а также беспроводным интерфейсом WLAN (802.11g). Благодаря универсальности и компактности, такой ПК может использоваться во многих встраиваемых приложениях.

Заключение

Рассмотренные продукты компании VIA Technologies могут найти широкое потребление в самых различных сферах. Возможно использование как готовых контроллеров производства компании VIA, так и разработка собственных решений на базе чипов этого производителя.

Компактность позволяет встраивать описанные контроллеры в самые различные системы, а богатство встроенных интерфейсов и высокая производительность контроллеров делает их поистине универсальными. Особенно стоит подчеркнуть наличие мощной интегрированной видеосистемы с композитным видеовходом/выходом, что делает идеальным применение контроллеров в системах обработки видео в реальном режиме времени и системах отображения графической информации, а также наличие мощной аппаратной поддержки различных алгоритмов шифрования для обеспечения конфиденциальности информации.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке