Цифровые СБИС производства AMCC

Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) ? компания, основанная в 1979 году, штаб-квартира и основные производственные ресурсы расположены в Сан-Диего, штат Калифорния, США. У фирмы есть торговые и консультационные представительства во многих транах мира. Потребителями продукции AMCC являются такие известные производители, как Siemens, Nokia, Alcatel, 3Com, Cisco Systems, Lucent Technologies и Nortel Networks.

AMCC известна сложными цифровыми СБИС, содержащими несколько устройств на одном кристалле. Основными направлениями деятельности корпорации являются разработка, изготовление и реализация интегральных микросхем для различных задач:

• передачи, обработки информации и управления в оптоволоконных и кабельных сетях (SONET, ATM, Gigabit Ethernet);
• интерфейса шины PCI;
• устройств хранения данных (RAID);
• цифрового видео.

Основные группы и примеры изделий АМСС представлены ниже.

ATM/SONET/SDH/DWDM — приемопередатчики, управляющие процессоры, фреймеры, оптоэлектроника, терминаторы и многое другое. S19201 «INDUS» — многофункциональное устройство обработки сигналов стандарта SONET/SDH, применяется в коммутаторах АТМ, мультиплексорах SONET, тестовом оборудовании; S3057 — мультискоростной передатчик ATM/SONET/SDH; S3055 — передатчик OC-48; S4804 «RHINE» — фреймер, управляющий процессор и обработчик пакетов ATM/SONET.

Fibre Channel. S2070 — приемопередатчик для оптоволоконной сети (1,062 Гб/c) и Gigabit Ethernet (1,25 Гб/c) на одном кристалле; S2102 — два независимых приемопередатчика для Gigabit Ethernet или оптоволоконной сети.

Gigabit Ethernet. S2204 — счетверенный приемопередатчик, имеет интерфейс коаксиального кабеля, витой пары и оптоволоконный. Применение: рабочие станции, магистрали Ethernet, коммутируемые сети, оборудование передачи данных; S2060 — приемопередатчик, отвечает спецификации IEEE 802.3, скорость — 1,25 Гб/c, 10-разрядное слово; S2070 — оптоволоконный и Gigabit Ethernet приемопередатчик для объединительных плат, соединений «точка-точка» и других приложений.

PCI. Контроллеры шины PCI различных типов: target, slave, master. ИС типа target/slave AMCC S5920, более сложные S5933 и S5935, работающие как bus master.

RAID. S2073 — пятипортовый повторитель для цепей FC-AL, используется в полноскоростных массивах дисков (1,0625 Гб/c).

Передача видео. Схема восстановления тактовой частоты S3086 обеспечивает сигналы синхронизации в диапазоне скоростей передачи 30 Мб/с 2,7 Гб/с. Приложения: телевидение высокого разрешения (HDTV), Gigabit Ethernet, Fast Ethernet, Fibre Channel, ATM/SONET/SDH, FDDI цифровое телевидение (DTV).

Последовательные объединительные платы. S2002 — сдвоенное объединительное устройство. Диапазон передачи (0,98–1,3 ГГц) включает: скорости Gigabit Ethernet (1062 МГц) и Fibre Channel (1250 МГц). Особенности: двойной приемопередатчик, встроенное кодирование/декодирование (8/10 бит) для двух параллельных 8-разрядных каналов, интерфейсы: витая пара, коаксиальный и оптоволоконный. Области использования: оборудование магистралей Ethernet, передачи данных и коммутируемых сетей.

Матричные коммутаторы. S2090 — дифференциальный матричный коммутатор на 69 входов и 3,2 Гб/c для коммутаторов Internet, DWDM-систем, цифрового видео и других высокоскоростных приложений.

Рассмотрим некоторые решения, предлагаемые AMCC.

Интерфейс PCI и его реализация

Концепция локальной шины PCI разрабатывалась с целью устранения «узкого места» ввода—вывода персонального компьютера, увеличения скорости обмена внешних устройств с процессором и ОЗУ, намного меньшей, чем скорость системной шины. По существу, периферия была (и сейчас осталась) самым медленным звеном обмена данными в ПК. Локальная шина PCI явилась стандартным решением, не зависящим напрямую от возможностей центрального процессора. В настоящее время существуют 32- и 64-разрядные стандарты PCI, производительность в режиме блочных передач которых составляет до 528 Мбайт/с для 64-битной 66-мегагерцовой и 132 Мбайт/с для 32-битной 33-мегагерцовой версии PCI. Приложения на основе шины PCI применяются и в области встраиваемых промышленных магистрально-модульных систем (ММС), не предназначенных для реализации в настольных (офисных) компьютерах. Возможность использования PCI в качестве системной широковещательной шины, пригодной для создания широкого класса надежных промышленных встраиваемых приложений, была положена в основу стандарта CompactPCI, но это отдельная тема для другой статьи.

Различные фирмы заняты в настоящее время разработкой устройств с интерфейсом локальной шины РСI, производимых как серийно, так и в небольших объемах. Интерфейс РСI реализуют тремя способами.

Первый вариант. Для серийного производства пользовательских PCI-устройств, например, видеокарт, мультимедиа или сетевых карт, а также внутренних модемов, западные фирмы используют заказные интегральные схемы, реализующие на одном кристалле собственно специфическое приложение и контроллер шины РСI. Стоимость подготовки производства заказной ИС исчисляется десятками тысяч долларов США, что неприемлемо для мелкосерийного производства.

Второй вариант реализации интерфейса PCI состоит в установке отдельной ИС контроллера шины PCI на плате устройства. Примерная стоимость ИС контроллера (например, АМСС S5920) — около $ 30. Отдельная СБИС контроллера PCI реализует автоматы состояний управляющих сигналов шины, набор регистров, ответственных за конфигурационное пространство, и предоставляет разработчику пользовательский интерфейс. Достоинство такого подхода в том, что разработчик не тревожится за выполнение требований спецификации шины PCI со стороны системного интерфейса, поскольку СБИС контроллера обеспечивает гарантированные временные характеристики. Таким образом, конструктор приложения может забыть о передаче данных по шине PCI и сконцентрироваться на разработке основных функций своего творения. В то же время, для согласования контроллера с пользовательским устройством, например, через буфер FIFO, приходится использовать высокоскоростную логику дополнительного управления, поскольку пользовательская часть стандартных СБИС-контроллеров не позволяет напрямую сопрягать произвольные устройства, например, современные процессоры цифровой обработки сигналов (DSP). В качестве сопрягающих компонентов в большинстве случаев применяются микросхемы программируемой логики. Пример такого решения — совокупность контроллера PCI AMCC S5920, внешней конфигурационной EEPROM объемом 16 К от Atmel, внешнего FIFO 1 K × 16 (высокоскоростное ОЗУ с управлением через CPLD) и интерфейсная CPLD от Xilinx XC95288. Недостаток такого подхода — избыточное количество корпусов ИС: контроллера PCI, FIFO и логики, достоинство — низкая стоимость.

Третий вариант. Интерфейс PCI строится на ИС программируемой логики. Сейчас большинство производителей ПЛИС поставляет библиотеки построения интерфейса PCI или средства их генерации (пример, GUI для LogiCORE PCI), служащих дополнениями средств разработки. Стоимость таких библиотек достаточно высока (до $ 20 000 за LogiCORE 64-битной 66-мегагерцовой PCI) и использовать их предполагается для серийного производства или образцов.

Итак, наиболее приемлемым в отечественных условиях является вариант с однокристальным контроллером PCI.

Контроллер PCI AMCC S5920

Однокристальный интерфейс шины РСI предназначен для связи приложений разработчика (мультимедиа-карт, портов ввода-вывода, накопителей и др.) с шиной. Стоимость микросхемы S5920, которая относится к классу ведомых PCI-устройств target/slave, значительно ниже активных устройств типа bus master. Особенности этой ИС:

• поддержка стандарта PCI 2.2;
• скорость передачи до 132 Мбайт/с;
• частота работы с шиной PCI 33 МГц;
• совместимость с Plug-n-Play;
• частота приема данных от приложения разработчика до 40 МГц;
• 8/16/32-разрядная входная шина пользователя Add-On;
• 2 пакетных буфера FIFO по 32 байта;
• возможность взаимодействия с внешней BIOS;
• поддержка последовательной двухпроводной шины энергонезависимой памяти;
• 160-контактный корпус PQFP.

Сигнал с шины PCI («локальная шина PCI», рис. 1) частотой 33 МГц с помощью S5920 преобразовывается в легко используемый 8/16/32-разрядный сигнал, который снимается шиной пользователя и поступает к требуемому устройству («приложение разработчика», рис. 1).

Независимая шина (Add-On Bus) позволяет поддерживать тактовую частоту до 40 МГц для приложения пользователя.

ИС S5920 позволяет работать с несколькими конфигурациями прикладного устройства, для чего используется до четырех блоков памяти или участков ввода-вывода с переменным объемом — транзитных областей Pass-Thru («Pass-Thru/Add-On», «Pass-Thru/PCI», рис. 1). Данные из них могут быть выведены прямо на шину пользователя Add-On, либо помещены в два 32-разрядных буфера FIFO («FIFO 32», рис. 1). Для настройки системы используются режимы упреждающей выборки и состояния ожидания программируемого FIFO.

Канал данных Pass-Thru поддерживает активный и пассивный режимы работы шины Add-On: в активном режиме участие внешних компонентов минимально, активизируется внутренняя логика, запуск шины пользователя и чтение-запись данных производится независимо от внешнего управления; пассивный же режим обязывает разработчика запускать для передачи данных шину Add-On извне.

Дополнительные данные и задаваемые пользователем команды и состояния размещаются в двух 32-разрядных регистрах mailbox («Mailboxes/status», рис. 1). Каждый такой регистр может быть проверен на наличие или отсутствие содержимого на уровне байтов при помощи регистра статуса «Mailboxes/status», передача данных возможна как регистровой операцией, так и аппаратно.

Внешние выводы (контакты) данных и стробирующие выводы регистров mailbox позволяют производить прямое аппаратное чтение-запись и передачу прерывания шине PCI от шины Add-On, контакт для прямой передачи прерывания между шинами Add-On и PCI обеспечивает гибкость разработки прикладных устройств.

Микросхема S5920 поддерживает двухпроводное энергонезависимое ОЗУ («последовательное ОЗУ», рис. 1), последнее позволяет модифицировать конфигурацию оборудования, которая считывается во время инициализации при включении питания; также ОЗУ может содержать BIOS устройства («BIOS расширения», рис. 1).

Контроллер PCI AMCC S5933 «MatchMaker»

Более сложный, чем S5920, интерфейс PCI, который может, в отличие от S5920, работать как инициатор (master). Контроллер S5933 позволит разработчику забыть об интерфейсе шины PCI. Особенности:

• совместимое со стандартом PCI 2.2 устройство типа master/slave;
• синхронный и асинхронный режимы работы шины Add-On;
• преобразование форматов с прямым и обратным порядком байтов Intel и Motorola;
• 2 FIFO по 32 байта.

Применяется в высокоскоростных сетевых адаптерах, платах сбора данных, портах ввода-вывода, цифровом видео и мультимедиа, шифровании, построении интерфейсов PCI общего назначения и любых других конструкциях.

«MatchMaker» содержит три аппаратных интерфейса: локальной шины PCI, пользовательский Add-On, двухпроводной последовательный энергонезависимой памяти nvRAM и байтовый для EPROM/Flash-шины. Перемещение данных между шинами осуществляется посредством регистров Mailbox или канала FIFO, или по определению пользователя через один или более каналов данных транзитных областей Pass-Thru. Обмен данных с шиной PCI в режиме ПДП (инициатор) происходит через канал FIFO под управлением хост-устройства, программно или аппаратно с шины Add-On, используя выделенные для этого контакты. «MatchMaker» имеет два независимых FIFO объемом 8х32 байта. Контакты сигналов ИС S5933 изображены на рис. 2. Слева — сигналы шины PCI, справа вверху — пользовательская шина Add-On, внизу — сигналы управления.

Интерфейс PCI AMCC S5935

S5935 разработана для работы с новыми наборами микросхем PCI и операционными системами, ИС была протестирована на множестве материнских плат от разных производителей, наборах микросхем PCI, различных системах BIOS PCI и операционных системах. S5935 совместима, в частности, с наборами микросхем 440BX/440GX производства Intel и операционной системой Microsoft Windows NT (c установленными Service Pack 2 и 3). Разработки на основе микросхемы S5933 будут полностью совместимы с S5935, при этом замена S5933 на S5935 необходима в случае перевода PCI-устройства на работу с новыми чипсетами или BIOS, материнскими платами или операционными системами.

Мощный и гибкий контроллер S5935 взаимодействует с интерфейсом PCI на нескольких уровнях сложности: с низшего, являясь ведомым (target) со скромными возможностями скорости передачи и заканчивая работой мастер-устройством (bus master) c пиковой производительностью для PCI по скорости в 132 Мбайт/c.

Обработка сигналов

Для работы в сетях SONET/SDH компания АМСС предлагает СБИС S19201 «INDUS» — многофункциональное устройство разделения и совмещения сигналов STS-192 стандарта SONET/SDH.

S19201, совместимая с устройствами ANSI T1.105-1995, ITU G707 и Bellcore GR-253 используется в коммутаторах АТМ, мультиплексорах SONET и различном тестовом оборудовании.

Микросхема INDUS (рис. 3) обеспечивает мультиплексирование и демультиплексирование сигналов STS-48/STM-16 SONET/SDH в STS-192/STM-64, осуществляет шифрование и дешифрование фреймов (frames) SONET/SDH. Кроме того, S19201 поддерживает передачу до четырех потоков данных STS-48/STM-16, состоящих из любой допустимой комбинации сигналов STS-48c/AU-4-16c, STS-12c/AU-4-4c, или STS-3c/AU-4 к терминаторам SONET/SDH/ATM фирмы AMCC. Совместно с S19201 в роли терминаторов STS-48/STM-16 могут быть использованы СБИС AMCC S4802 «MISSOURI» и S4804 «RHINE».

Встроенный микропроцессорный интерфейс общего назначения разрядностью в 16 бит предназначен для наблюдения и управления работой СБИС, он совместим с процессорами Motorola и Intel.

S19201 может использоваться как в SONET, так и SDH-приложениях, для чего предусмотрены два вида интерфейсов: высокоскоростной (16-бит параллельный на 622 МГц, двунаправленный) и низкоскоростной (четыре 16-битных параллельных 155-МГц интерфейса). Высокоскоростная часть S19201 может обрабатывать сигнал STS-192/STM-64 в любом направлении (мультиплексирования и демультиплексирования), низкоскоростная предназначена для четырех потоков STS-48/STM-16.

Низкоскоростная часть захватывает четыре сигнала STS-48/STM-16 (16-бит, 155 Мбит/с) в направлении мультиплексирования, далее определяет фреймы STS-48/STM-16, дешифрует данные, вычисляет ТОН-байты (или SOH-байты в режиме SDH) и мультиплексирует четыре составляющие STS-48/STM-16. Далее такой сигнал или сигнал STS-192 с выхода демультиплексора поступает на вход FRGEN192, генерируются ТОН- или SOH-байты, выполняется синхронное шифрование фрейма и данные выводятся на 16-разрядную шину.

Высокоскоростная часть микросхемы производит захват фрейма STS-192/STM-64 (в направлении демультиплексирования), дешифрует его, затем объединяет фреймы и выводит четыре составляющих сигнала через 16-разрядные параллельные интерфейсы.

ИС S19201 применяется, например, в канальной системе STS-192/AU-4-64 совместно с устройствами S4802 «MISSOURI» (как DCS структура) и S4804 «RHINE» (IP-маршрутизатор).