Коммуникационные системы на кристалле MARVELL


PDF версия

Статья знакомит читателя с коммуникационными системами на кристалле компании Marvell, признанного лидера на рынке интегрированных сетевых процессоров и ведущего поставщика микроэлектронных компонентов для пакетной коммутации.

Введение

Компания Marvell Technology Group Ltd — один из безусловных лидеров на рынке высокоскоростных Ethernet-трансиверов, интегрированных се-
тевых микроконтроллеров (МК) и современных интегральных высокопро-изводительных коммутаторов. В пятнадцатилетней истории Marvell можно отметить два поворотных момента, благодаря которым компания занимает сегодня ведущие позиции в области интегрированных сетевых продуктов. В октябре 2000 г. Marvell приобрела компанию Galileo Technology, специализировавшуюся на разработке Ethernet-коммутаторов. Затем в течение полутора лет были инкорпорированы еще две компании — SysKonnect и RADLAN, работавшие в области сетевых технологий и сетевого программного обеспечения (ПО).

Вторым важным шагом или, правильнее сказать, рывком на передовые позиции в пакетной коммутации стала передача Marvell в 2006 г. компанией Intel технологии встроенных процессоров линейки Xscale, благодаря чему Marvell получила возможность привносить в свои коммутаторы интеллект и создавать сложные и высокопроизводительные интеллектуальные системы на кристалле. Компания в полной мере использовала приобретенный потенциал и уверенно вышла в лидеры современной микроэлектронной индустрии.

В настоящее время Marvell ежегодно поставляет на рынок более миллиарда микросхем, но остается при этом так называемой fabless-компанией, т.е. компанией без собственных производственных мощностей, что подчеркивает ее сосредоточенность на разработке самых современных продуктов и, в первую очередь, интегрированных сетевых МК и интегральных коммутаторов на кристалле.

Следует отметить, что Marvell выпускает несколько семейств МК, но за рамками этой статьи останутся прикладные МК, ориентированные на универсальные компьютерные применения, главным образом в смартфонах, планшетных и им подобных компьютерах с операционными системами Linux, Android или Windows CE. Предметом дальнейшего рассмотрения станут интегрированные сетевые продукты и полуфабрикаты, активно встраиваемые в устройства пакетной коммутации как самой компанией Marvell, так и другими фирмами, и работающие, как правило, под управлением операционных систем реального времени, например, VxWorks или зачастую в весьма специфических операционных средах.

Последующее обсуждение не затронет, вероятно, наиболее известные и востребованные на рынке многофункциональные высокоскоростные Ethernet-трансиверы, которые вряд ли можно отнести к разряду систем на кристалле. Зато к таковым, безусловно, относятся интегральные коммутаторы семейства Link Street уровня небольшого офиса SOHO (Small Office/Home Office), которые включают эти фирменные трансиверы, а также пакетные коммутаторы семейства Prestera, представляющие собой самые мощные системы на кристалле из имеющейся сегодня на рынке микроэлектроники для пакетной коммутации.

Интегрированные сетевые микроконтроллеры

Все интегрированные сетевые МК компании Marvell базируются на полученном от корпорации Intel процессоре Xscale, переработанном инженерами компании во встраиваемое ядро с фирменным брендом Sheeva. С архитектурной точки зрения ядро Sheeva реализует базовую архитектуру ARM v5TE, хотя в самых последних изделиях компании анонсирована архитектура ARM v6/7.

На рынок интегрированных сетевых МК Marvell вышла с семейством Kirkwood, включающим около десятка моделей. Модели несколько различаются производительностью и наборами периферийных контроллеров, но характеризуются общими для всего семейства свойствами:

– процессорными ядрами Sheeva, одним или двумя, с кэшами L2 объемом 256 Kбайт;

– встроенным контроллером 32-разрядной памяти DDR2 с ECC;

– 8-разрядной локальной шиной с интегрированным контроллером NAND-флэш;

– наличием сопроцессора безопасности (security engine);

– 2 адаптерами TDM;

– 2 адаптерами UART;

– 4-канальным контроллером независимого прямого доступа IDMA (Independent DMA).

Кроме того, все МК содержат в разных сочетаниях трехскоростные MAC-адаптеры Ethernet TEMAC (Three-speed Ethernet MAC), а также контроллеры последовательных шин USB 2.0, PCIe и SATA II. Отличительные характеристики отдельных моделей семейства приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики моделей семейства Kirkwood

Модель

Ядер Sheeva

Рабочая частота

TEMAC

PCIe

USB 2.0

SATA II

Корпус

88F6180

1

0,6…0,8 ГГц

1

1

1

0

TSBGA-244

88F6192

1

800 МГц

2

1

1

2

LQFP-216

88F6280

1

1,0 ГГц

1

0

1

0

LQFP-128

88F6281

1

1,0…1,2 ГГц

2

1

1

2

HSBGA-288

88F6282

1

1,6…2,0 ГГц

2

1

1

2

HFCBGA-304

88F6283

1

600 МГц

2

1

1

2

HFCBGA-304

88F6321

2

0,6…0,8 ГГц

2

1

1

1

FCBGA-655

88F6322

2

0,6… 0,8 ГГц

3

2

2

1

FCBGA-655

88F6323

2

0,6…1,0 ГГц

3

2

3

1

FCBGA-655

Относительно недорогие (ориентировочные цены в России — 20—70 долл.),
но достаточно производительные и снабженные сетевыми и прочими периферийными адаптерами МК семейства Kirkwood находят широкое применение в домашних шлюзах и точках доступа в сети, мини-серверах (plug computers) и сетевых терминалах.

Следующее поколение интегрированных сетевых МК — Discovery Innovation — использует те же процессорные ядра Sheeva и отличается от семейства Kirkwood в основном количественно. Эти количественные отличия, полученные, вероятно, за счёт более жёстких проектных норм, заключаются в:

– увеличении размера кэшей L2;

– удвоении до 64 разрядов разрядности шины памяти DDR2;

– расширении до 32 разрядов локальной шины.

Все три имеющиеся модели семейства МК Discovery Innovation выпускаются в корпусе FCBGA-655 и имеют по два контроллера PCIe, три контроллера USB, четыре адаптера UART и два адаптера TDM. Индивидуальные характеристики моделей этого семейства приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики моделей семейства Discovery Innovation

Модель

Частота, ГГц

Ядер

Кэшей L2, Кбайт

TEMAC

SATA II

MV76100

0,6… 0,8

1

256

2

1

MV78100

0,8…1,2

1

512

2

2

MV78200

0,8…1,0

2

2×512

4

2

На рисунке 1 показана структурная схема самого мощного в семействе Discovery Innovation — двухъядерного МК MV78200. В структуре МК следует обратить внимание на системный crossbar — внутренний коммутатор, обеспечивающий существенно бóльшую суммарную пропускную способность при обмене данными внутри кристалла по сравнению с традиционными параллельными шинами.

Рис. 1. Структурная схема процессора MV78200

МК семейства Discovery Innovation предназначены в основном для реализации уровня управления (control plane) коммутаторов и маршрутизаторов, но они могут успешно применяться в одноплатных компьютерах, производительных многофункциональных принтерах, системах видеонаблюдения и других областях. Обобщенный пример использования прибора MV78200 в качестве универсального МК в самых разных приложениях показан на рисунке 2.

Рис. 2. Обобщенный пример использования МК MV78200

Другой типичный пример применения сетевых МК компании Marvell — реализация технологии SMB (Server Message Block) в разделенных сетевых серверах. Например, все тот же высокоинтегрированный прибор MV78200 позволяет совместить в себе сразу два традиционных устройства: сетевой шлюз и приложение SMB, традиционно реализуемое на универсальном компьютере. В частности, на одном ядре МК может функционировать точка доступа в сеть с маршрутизацией (AP/router) в среде VxWorks, а на другом могут исполняться различные приложения, такие как почтовый шлюз, Web 2.0, брандмауэр и другие средства сетевой безопасности в среде Linux. Примерная схема такого рода устройства показана на рисунке 3.

Рис. 3. Пример реализации технологии SMB на МК MV78200

Недавно Marvell анонсировала еще одно семейство сетевых МК повышенной производительности — Armada XP — с максимальной частотой процессорного ядра 1,6 ГГц. В семействе пять моделей, некоторые параметры которых отражены в таблице 3. Более подробные характеристики семейства Armada XP пока не объявлены.

Таблица 3. Характеристики моделей семейства Armada XP

Модель

Ядер

Кэш L2, Мбайт

Шина DDR, разр.

Локальная шина, разр.

TEMAC

PCIe

MV78130

1

1

32

16

3

1

MV78230

2

1

32

16

3

1

MV78160

1

1

64

32

4

1

MV78260

2

1

64

32

4

2

MV78460

4

2

64

32

4

2

Ethernet-коммутаторы семейства Link Street

Характерная и весьма привлекательная особенность Ethernet-коммутаторов семейства Link Street — встроенные Ethernet-трансиверы, вследствие чего приборы этого семейства действительно представляют собой самодостаточные коммутаторы на кристалле. В этом обширном семействе можно выделить три поколения:

– коммутаторы Fast Ethernet (FE);

– комбинированные коммутаторы FE и Gigabit Ethernet (GE);

– универсальные коммутаторы GE.

В поколении коммутаторов FE выпускалось несколько моделей, неуправляемых и управляемых, различавшихся числом внешних портов FE (от 3 до 10) и некоторыми другими особенностями, в числе которых могли быть поддержка виртуальных локальных сетей VLAN (Virtual LAN) по стандарту 802.1Q, качества обслуживания и протокола управления SNMP. Только в этом поколении семейства Link Street имеется единственный прибор 88E6218, позиционируемый как маршрутизатор или шлюз, со встроенным процессорным ядром, работающим на частоте 150 МГц.

В следующем поколении Link Street к портам FE были добавлены два-три порта GE, которые могли быть использованы либо в качестве портов выхода в сети высшего уровня LAN или WAN (uplinks), либо для объединения (stacking) нескольких приборов в один многопортовый FE-коммутатор, как показано на рисунке 4 на примере прибора 88E6095, имеющего восемь портов FE и три порта GE.

Рис. 4. Объединение коммутаторов на примере прибора 88E6095

Некоторые приборы Link Street поколения GE со встроенными трансиверами приведены в таблице 4.

Таблица 4. Некоторые GE-коммутаторы семейства Link Street

Модель

Порты 1000Base-T

Дополнительные MAC-интерфейсы

Особенности

88E6121

2

1×GMII

88E6122

2

1×GMII + 3×SGMII

88E6123

2

1×GMII

Jumbo frames

88E6165

5

1×GMII

88E6350

5

2×GMII/RGMII

AVB, 802.1Q

У всех них помимо интерфейсов Ethernet 1000Base-T (числом 2 или 5) предусмотрены дополнительные порты (от 1 до 4) с различными MAC-интерфейсами: параллельными GMII/RGMII или последовательными SGMII. Упрощенная схема 7-портового GE-коммутатора 88E6350/88E6350R в виде набора основных функциональных блоков показана на рисунке 5.

Рис. 5. Набор функциональных блоков коммутатора 88E6350/88E6350R

Каждый из семи внешних портов коммутатора 88E6350/88E6350R включает TEMAC с 30 счётчиками RMON и специализированный процессор кадров с поддержкой AVB (Audio/Video Bridging). Пять портов прибора имеют встроенные трехскоростные Ethernet-трансиверы для витой пары с поддержкой 802.1AS/1588 и четырьмя светодиодами индикации состояния. Остальные два порта оканчиваются MAC-интерфейсами, что позволяет подключать к коммутатору оптические трансиверы и/или управляющий МК со встроенным Ethernet MAC. Это могут быть, в частности, рассмотренные выше сетевые МК Marvell или аналогичные МК других фирм, например, коммуникационные МК PowerQUICC компании Freescale Semiconductor.

Механизм коммутации с поддержкой протокола резервирования потоков SRP (Stream Reservation Protocol) по стандарту 802.1Qat обеспечивает бесконфликтную коммутацию кадров налету при максимальных скоростях. Приоритетные очереди организуются во внутренней буферной памяти объемом 1 Мбит и управляются контроллером очередей со встроенным шейпером в соответствии со стандартом 802.1Qav. Таблицы MAC-адресов и тегов VLAN по 802.1Q хранятся в отдельных внутренних памятях, объём которых достаточен, соответственно, для хранения 1024 MAC-адресов и обслуживания 64 VLAN.

Прибор 88E6350/88E6350R относится к категории управляемых коммутаторов. Управление может осуществляться двояко: либо по любому порту Ethernet с использованием дополнительных специфических фирменных возможностей этих портов, которые компания Marvell не раскрывает в открытых публикациях, либо по стандартному последовательному интерфейсу управления трансиверами SMI (Serial Management Interface), который в приборе 88E6350/88E6350R также используется для настройки прочих блоков через их специальные программно доступные на SMI-регистры.

В простейшем варианте для реализации законченного 5-портового неуправляемого GE-коммутатора прибор 88E6350/88E6350R достаточно обрамить пятью внешними разъёмами RJ-45 со встроенными трансформаторами и обеспечить необходимое прибору питание. Добавлением двух внешних трансиверов для витой пары или оптоволоконного кабеля можно увеличить число GE-портов коммутатора до семи. Наконец, подключение прибора любым из портов к некому МК позволяет благодаря соответствующему ПО реализовать не только управляемый, но и маршрутизирующий коммутатор, в том числе с обеспечением ряда функций сетевой безопасности. Если учесть, что микросхемы семейства Link Street недороги (прибор 88E6350/88E6350R стоит в России около 20 долл.), то неудивительно, что на них реализовано большинство имеющихся на рынке коммутаторов класса SOHO.

Пакетные коммутаторы семейства Prestera

Пакетные коммутаторы семейства Prestera (Marvell называет их пакетными процессорами) в целом выполняют те же функции, что и коммутаторы Link Street, т.е. пакетную коммутацию «на лету», но с тремя существенными отличиями:

– на порядок с большей суммарной пропускной способностью;

– отсутствием встроенных трансиверов;

– наличием встроенного свободно программируемого процессорного ядра (не обязательно).

Коммутаторы семейства Prestera могут иметь порты GE и 10 Gigabit Ethernet (XGE) при суммарной пропускной способности до 480 Гбит/с. Отсутствие в них встроенных трансиверов, вероятно, продиктовано, с одной стороны, ограничениями рассеиваемой кристаллами мощности, а с другой — тем, что скорость портов XGE предполагает на них соответствующие внешние оптические трансиверы. Зато наличие в некоторых моделях семейства встроенного свободно программируемого достаточно производительного процессорного ядра позволяет говорить уже не только об управляемых коммутаторах с полнофункциональной поддержкой control plane, но и о маршрутизаторах на кристалле.

Характеристики некоторых моделей постоянно расширяющегося семейства Prestera представлены в таблице 5. На рисунке 6 показана типичная конфигурация высокопроизводительного управляемого коммутатора на основе прибора Prestera 98DX4122, обеспечивающая 24×GE портов downlinks, 4×XGE портов uplinks и два дополнительных порта, GE и UART (консольный порт), которые относятся к встроенному в 98DX4122 МК и служат для управления коммутатором.

Таблица 5. Характеристики некоторых моделей семейства Prestera

Модель

Портов XGE

Портов GE

Пропускная
способность, Гбит/с

Уровень
коммутации

Ядро,

МГц

Корпус

98DX240

24

24

L2

HSBGA-458

98DX3026

4

24

64

L2+

333

HSBGA-617

98DX4122

4

24

64

L3+

800

HSBGA-617

98DX8110

10

100

L3+

FCBGA-1138

98CX8234

32

16

336

L3+

HFCBGA

98CX8248

48

480

L3+

HFCBGA

Цены на коммутаторы Prestera по сравнению с коммутаторами Link Street значительно выше и увеличиваются пропорционально увеличению суммарной пропускной способности приборов. Например, микросхема 98DX4122 с коммерческим диапазоном рабочих температур стóит в России около 500 долл. и до 600 долл. — с расширенным. Кроме того, для создания законченного коммутатора любой прибор семейства Prestera необходимо не только запитать и окружить разъёмами, но и дополнить несколькими трансиверами. В частности, для коммутаторов Prestera в конфигурации на рисунке 6 понадобится шесть счетверённых и один обычный трансивер витой пары плюс четыре оптических трансивера. И, тем не менее, даже при этих условиях сверхвысокая интеграция и широкие функциональные возможности систем на кристалле компании Marvell обеспечивают законченному устройству хорошую конкурентоспособность на телекоммуникационном рынке. Так, коммутатор Quidway S5300 китайской компании Huawei Technologies, реализованный на микросхемах 98DX4122 и 88E1340 компании Marvell, оказывается, по некоторым неофициальным оценкам, в полтора раза дешевле функционально сопоставимого коммутатора Catalyst компании Cisco Systems.

Рис. 6. Типичная конфигурация коммутатора на основе прибора Prestera 98DX4122

Некоторые вопросы разработки

Marvell — одна из самых закрытых фирм, заботливо, может быть даже чересчур заботливо, охраняющая свои ноу-хау. Для получения технической информации и использования её продуктов с компанией необходимо заключить специальное соглашение о неразглашении этих ноу-хау, причём уровень соглашений и, соответственно, степень доступности информации могут быть разными. Тем не менее предполагается, что при соответствующем статусе соглашения пользователь может получить в своё распоряжение все необходимые для разработки средства.

В плане аппаратных средств Marvell для всех без исключения своих приборов класса систем на кристалле предоставляет либо аппаратную платформу разработки DB (Development Board), либо эталонную разработку RD (Reference Design). Для многих приборов имеется и то, и другое. На сайте компании www.marvell.com в открытом доступе имеется справочник самых ходовых продуктов компании (Product Selector Guide в формате PDF), в котором для каждого продукта класса систем на кристалле указаны соответствующие ему DB и/или RD.

В отношении фирменных программных средств ситуация менее ясна. Безусловно, инженеры компании разработали большой объем ПО, необходимого для работы, в частности, пакетных коммутаторов Link Street или Prestera, но неочевидно, что Marvell готова поделиться этой информацией с пользователями. Однако, поскольку все функции data plane уже реализованы фирменными средствами внутри микросхем Link Street и Prestera, то пользователю при проектировании коммутатора, маршрутизатора, шлюза или устройства сетевой безопасности на основе этих микросхем остаётся только позаботиться о необходимых ему функциях control plane. Обычно эти функции реализуются в среде Linux или ей эквивалентной и могут быть либо куплены в готовом виде у сторонних поставщиков ПО, либо самостоятельно разработаны. То же самое относится и к интегрированным сетевым МК.

Надо отдать должное компании Marvell: не имея собственного производства, она всегда ориентируется на новейшие технологии, и её последние микросхемы выпускаются с проектными нормами 65 нм. С другой стороны, используемое компанией процессорное ядро Sheeva потребляет очень небольшую мощность благодаря как архитектуре ARM, так и низковольтному (до 1,0 В) питанию ядра. Всё это позволяет удерживать потребляемую даже самыми высоко интегрированными приборами компании мощность в пределах 2…3 Вт (большинство микросхем потребляет не более 2,5 Вт). Такое энергопотребление предоставляет разработчику приятный выбор между умеренной легко реализуемой принудительной вентиляцией и радиаторами охлаждения без вентиляции.

Все свои приборы Marvell старается выпускать в предельно компактных корпусах. Последние разработки компании поставляются в корпусах BGA с шагом выводов 0,65 и даже 0,5 мм, а в корпусах TQFP — с шагом выводов 0,4 мм. Это позволяет проектировать малогабаритные устройства, что особенно ценно в мобильных приложениях. Правда, всё это как-то теряет смысл при использовании радиаторов охлаждения. Например, размер микросхем коммутатора 98DX4122 — 27×27 мм, а счетверённого GE-трансивера 88E1340 — 12×12 мм, т.е. собственно коммутатор с шестью трансиверами занимают на плате около 16 см2, в то время как суммарная площадь радиаторов охлаждения к ним в упоминавшемся выше коммутаторе Quidway S5300 составляет около 200 см2. Но несмотря на использование относительно громоздких радиаторов охлаждения коммутаторы компании Huawei компонуются в типовые шасси 19“×1U и вполне конкурентоспособны, в том числе по габаритным показателям, сохраняя все преимущества отказа от вентиляторов внутри корпуса.

Литература

1. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные процессоры компании Freescale Semiconductor//Электронные компоненты, № 8, 2007.

2. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные микроконтроллеры Freescale Semiconductor: из прошлого в будущее//Электронные компоненты, № 7, 2008.

3. В. Егоров. Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности//Электронные компоненты, № 7, 2009.

4. В. Егоров. Архитектурные инновации в многоядерных ИКМ QorIQ//Электронные компоненты, № 10, 2010.

Справочные страницы. Соответствие единиц мощности дБм и Вт (окончание)* начало в статье :POL-преобразотель:Один на всех

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

33,0

2,00

41,6

14,50

50,1

102,00

54,4

275,00

58,7

741,00

63,0

2000,00

33,2

2,09

41,8

15,10

50,2

105,00

54,5

282,00

58,8

759,00

63,1

2040,00

33,4

2,19

42,0

15,80

50,3

107,00

54,6

288,00

58,9

776,00

63,2

2090,00

33,6

2,29

42,2

16,60

50,4

110,00

54,7

295,00

59,0

794,00

63,3

2140,00

33,8

2,40

42,4

17,40

50,5

112,00

54,8

302,00

59,1

813,00

63,4

2190,00

34,0

2,51

42,6

18,20

50,6

115,00

54,9

309,00

59,2

832,00

63,5

2240,00

34,2

2,63

42,8

19,10

50,7

117,00

55,0

316,00

59,3

851,00

63,6

2290,00

34,4

2,75

43,0

20,00

50,8

120,00

55,1

324,00

59,4

871,00

63,7

2340,00

34,6

2,88

43,2

20,90

50,9

123,00

55,2

331,00

59,5

891,00

63,8

2400,00

34,8

3,02

43,4

21,90

51,0

126,00

55,3

339,00

59,6

912,00

63,9

2450,00

35,0

3,16

43,6

22,90

51,1

129,00

55,4

347,00

59,7

933,00

64,0

2510,00

35,2

3,31

43,8

24,00

51,2

132,00

55,5

355,00

59,8

955,00

64,1

2570,00

35,4

3,47

44,0

25,10

51,3

135,00

55,6

363,00

59,9

977,00

64,2

2630,00

35,6

3,63

44,2

26,30

51,4

138,00

55,7

372,00

60,0

1000,00

64,3

2690,00

35,8

3,80

44,4

27,50

51,5

141,00

55,8

380,00

60,1

1020,00

64,4

2750,00

36,0

3,98

44,6

28,80

51,6

145,00

55,9

389,00

60,2

1050,00

64,5

2820,00

36,2

4,17

44,8

30,20

51,7

148,00

56,0

398,00

60,3

1070,00

64,6

2880,00

36,4

4,37

45,0

31,60

51,8

151,00

56,1

407,00

60,4

1100,00

64,7

2960,00

36,6

4,57

45,2

33,10

51,9

155,00

56,2

417,00

60,5

1120,00

64,8

3020,00

36,8

4,79

45,4

34,70

52,0

158,00

56,3

427,00

60,6

1150,00

64,9

3090,00

37,0

5,01

45,6

36,30

52,1

162,00

56,4

437,00

60,7

1170,00

65,0

3160,00

37,2

5,25

45,8

38,00

52,2

166,00

56,5

447,00

60,8

1200,00

65,1

3240,00

37,4

5,50

46,0

39,80

52,3

170,00

56,6

457,00

60,9

1230,00

65,2

3310,00

37,6

5,75

46,2

41,70

52,4

174,00

56,7

468,00

61,0

1260,00

65,3

3390,00

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *