Шумахер У. Полупроводниковая электроника

Запатентованная Infineon новая архитектура построения ячеек памяти открыла новые возможности в развитии полупроводниковых технологий. В отличие от прежних решений, когда транзисторы, образующие ячейки памяти, располагались в одной плоскости (2D-ROM — двумерная архитектура), новая технология реализует их трёхмерное расположение (3D-ROM).

Таким образом, при новой технологии более высокая «плотность упаковки» ячеек памяти в полупроводниковом кристалле (при том же объёме памяти) достигается не за счёт уменьшения технологических норм, а в результате изменения конструкции путём уплотнения имеющейся структуры кристалла в 2 раза (см. Рис. 10.9). Площадь 3D-ячеек памяти может быть дополнительно уменьшена за счёт «сжатия».

Стандартная ROM-ячейка: 4F2

3D-ROM ячейка: 2F2

Как правило, конструкции разъёмов для подключения MMC-карт выполняются в соответствии с требованиями заказчиков, в зависимости от того, где эти карты используются (Рис. 10.10). Возможны различные варианты: стандартный или многоконтактный разъём, с защёлкиванием или прижимного типа. Принимая во внимание, что основным применением MMC-карт является работа в портативных устройствах, конструкция разъёмов определяется в первую очередь размерами имеющегося пространства. Контакты MMC-разъёмов должны выдерживать до 10 000 операций вставки/извлечения одной или нескольких MultiMediaCard и при этом разъём должен занимать минимум места на шине. По сравнению со стандартными чип-картами, эти контакты расположены на самом краю карты.

Рис. 10.10. Стандартный разъём для подключения MMC-карт (слева) и «мультизащёлка» в варианте для печатного монтажа (справа).

11.1.Общий обзор коммуникационных устройств и тенденции их развития

На сегодняшний день в мире насчитывается более 600 млн телефонных линий. Последние достижения в области микроэлектроники позволили дополнить эту глобальную коммуникационную сеть новыми услугами, такими как предоставление доступа в Интернет, организация видеоконференций или, например, обмен информацией с абонентами в мобильных сетях.

Сегодня абсолютно ясно, что глобальная связь должна осуществляться через Интернет. При этом следует учитывать, что пользователи заинтересованы в возможно более удобном доступе к сети. Появление ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интеграцией услуг) представляет собой значительный шаг по пути к данной цели, и быстрое развитие глобального рынка ISDN-услуг это подтверждает.

Постоянное увеличение объёмов мультимедийной информации в сети требует повышения скорости доступа к данной информации. Это означает необходимость обновления самих сетей. На смену коммутируемым линиям телефонной связи пришли новые сетевые технологии, такие как ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи) или быстрый Ethernet. Они обеспечивают очень быстрое соединение со скоростью передачи данных до 1 Гбайт/с и возможность его динамической подстройки под требования пользователя. Конечно, реализация этих технологий потребовала также разработки новых полупроводниковых компонентов.

Что касается высокопроизводительных сетей связи, предназначенных для передачи данных и голоса, то в этой области будущее наступило уже сегодня. Так, весьма многообещающим является использование ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия), VDSL (Very high speed Digital Subscriber Line — сверхскоростная цифровая абонентская линия) и SHDSL (Single pair High speed Digital

Subscriber Line — однопарная быстродействующая цифровая абонентская линия).

Стандарты и основные системные возможности

К числу наиболее многообещающих и рыночно востребованных приложений полупроводниковой электроники в сфере телекоммуникаций относятся так называемые встроенные решения (Solutions on a Chip), которые включают в себя:

интегральные микросхемы, предназначенные для цифровых и аналоговых устройств коммутации и передачи сигналов. Среди таких устройств, например, линейные карты для АТС, офисные АТС (Private Business eXchange — PBX), устройства абонентского радиодоступа (Radio In The Loop — RITL) или интегрированные устройства доступа (Integrated Access Devices — IAD);

интегральные решения и компоненты для систем ATM и других высокоскоростных сетей передачи данных;

ИС для оконечных устройств, предназначенных для цифровой передачи речи, видео и данных.

«Встроенные решения для систем связи» означают, что всё большее количество телекоммуникационных функций реализуется «в рамках» одной ИС с высокой степенью интеграции. Это, с одной стороны, снижает стоимость систем, а с другой — позволяет постоянно расширять их функциональные возможности. Хорошим примером является разработанный несколько лет назад DOCмодуль, который реализует встроенные непосредственно в чип функции офисной АТС.

Чтобы оправдать средства, вложенные в создание компонентов такой высокой степени интеграции, необходимо обеспечить широкий рынок сбыта для подобной продукции, что, в свою очередь, требует разработки соответствующих промышленных стандартов. Одним из наиболее показательных в этом отношении примеров является сеть ISDN, первые интегральные микросхемы для которой были разработаны более 10 лет назад.

ный контроллер MUNICH32X Infineon является самым быстродействующим устройством для сетей передачи данных и входит в состав практически каждого сетевого маршрутизатора в мире.

Сети связи будущего должны иметь инфраструктуру, объединяющую системы передачи данных и телефонной связи, с использованием ATM и других высокоскоростных систем. Компания Infineon в настоящее время разрабатывает новые технологические решения, благодаря которым системы связи, рассчитанные на обслуживание нескольких миллионов абонентов, можно будет создавать с использованием всего лишь пары сотен ИС. Слияние телекоммуникационных и информационных сетей особенно ярко проявляется при организации межсетевого взаимодействия. Здесь определяющую роль играют технические характеристики и возможности тех или иных систем. Разработанные Infineon программные симуляторы представляют собой один из примеров реализации этих возможностей. Использование симулятора позволяет заказчику начать «виртуальную» разработку системы ещё до того, как будут доступны соответствующие полупроводниковые компоненты.

11.1.5.Интегральные микросхемы оконечных устройств связи

Подразделение оконечных коммуникационных устройств Infineon производит широкий спектр ИС, предназначенных для передачи голоса, данных и видео. Главным образом, они применяются в цифровых телефонах и автоответчиках, в базовых станциях беспроводных телефонов, а также в персональных компьютерах и системах видеосвязи. К числу новинок здесь можно отнести однокристальные телефонные модули, INCA (Integrated Network Communications Architecture — интегрированная сетевая архитектура для учрежденческой связи) и различные устройства семейства Linecard Transceiver (трансиверы линейных карт телефонной связи).

Растущий обмен информацией через Интернет и развитие системы удалённой (надомной) работы в существенной степени

определяют быстрый рост требований к пропускной способности каналов передачи. Аналоговые модемы способны удовлетворить этим требованиям лишь при определённых условиях. Шаг вперёд, по сравнению с ними, представляют собой устройства ISDN, обеспечивающие достаточную скорость передачи данных при вполне приемлемой цене. Компания Infineon — одна из немногих, кто стоял у истоков развития технологии ISDN, а сегодня производит в широком ассортименте ISDN-модули. Применение продукции Infineon, благодаря её модульной архитектуре и стандартизации интерфейсов, предоставляет пользователям оптимальную свободу и гибкость при разработке своих собственных устройств, повышая тем самым их конкурентоспособность.

Одним из базовых элементов этой стратегии является развиваемая Infineon модульная ISDN-ориентированная архитектура (IOM-2). В рамках этой архитектуры могут быть спроектированы как различные модули с высокой степенью интеграции, так и пассивные или активные ISDN-ком- поненты со встроенными функциями аудио, видео или факс-модема. Основной упор здесь делается на разработку комплексных системных решений, которые смогут впоследствии с успехом применяться в сотнях различных проектов по всему миру.

В последующих разделах дано описание некоторых модулей, выбранных из очень широкого спектра ISDN-продукции.

Высокоскоростное соединение с сетью Интернет может быть, однако, реализовано лишь с использованием технологии DSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия). В настоящее время разработано немало стандартных DSL-протоко- лов, а в будущем их количество, несомненно, ещё более возрастёт, что приведёт к дальнейшему увеличению скорости передачи данных. Доступные на сегодняшний день DSL-протоколы передачи данных представлены на Рис. 11.1.

Краткое описание этих методов передачи данных дано в разделе 11.10. Стандартный протокол ADSL2, сменивший устаревший ADSL, рассматривается более подробно.

Симметричные

Асимметричные

11.2.IDSN: от телефонной станции к абоненту

Широкий выбор полупроводниковых компонентов с высокой степенью интеграции гарантирует возможность реализации практически безотказной системы связи в сети ISDN. При использовании «интеллектуальных» сетевых оконечных устройств цифровое и аналоговое оконечное оборудо-

вание могут работать рядом друг с другом (совместно).

Благодаря более высокой степени интеграции, ISDN-микросхемы второго поколения производства Infineon требуют минимального количества внешних компонентов и поддерживают ряд дополнительных функций. Например, фидер S-интерфейса ISDN (ISDN-S Interface Feeder — ISFC) предназначен для работы в качестве входного фор-

мирователя сигналов (feeder circuit) для S-интерфейса, заменяя собой большие реле и трансформатор. Другое устройство, однокристальный контроллер сетевого окончания ISDN (ISDN Network Termination Controller — INTC), совмещает в себе трансиверы U- и S-интерфейсов, контроллер HDLC (High-level Data Link Control — высокоуровневое управление каналом передачи данных) и порт IOM-2, обеспечивая тем самым возможность непосредственного подключения кодек-фильтра.

Использование совместно с цифровыми линейными картами восьмиканального U-трансивера позволяет сэкономить место на схемной плате и, соответственно, снизить её стоимость. Контроллер на базе DSPпроцессора может обслуживать до трёх таких восьмиканальных U-трансиверов. Помимо обслуживания 24 каналов, он также осуществляет ряд дополнительных функций, таких как режим конференции или музыкальная заставка на время удержания вызова. Встроенный контроллер питания управляет подачей напряжения от аккумуляторных батарей на U-линию, а также осуществляет такие важные функции, как ограничение тока и защита от перенапряжения. Эта новая ИС заменяет большое количество дискретных компонентов, использовавшихся ранее на цифровых линейных картах.

11.2.1. Функциональная структура ISDN

ISDN — это цифровая сеть, основанная на использовании сквозных соединений (end-to-end connection — соединение непосредственно между двумя конечными точками сети) и поддерживающая широкий

спектр услуг, среди которых передача голоса и данных. Все абонентские устройства, независимо от того, телефон ли это, компьютер, факсимильный аппарат или, скажем, телевизор, получают информацию из телекоммуникационной сети и посылают её туда в виде цифровых потоков данных (bit streams). Таким образом, различные устройства осуществляют доступ к одной и той же сети по одной и той же абонентской линии.

На Рис. 11.2 приведена функциональная схема ISDN. Четыре функциональных блока между абонентским оконечным устройством и сетью можно объединить в так называемый соединительный элемент доступа (Access Connection Element — ACE).

Местная ISDN-станция (Local Exchange — LE) включает в себя локальное оконечное оборудование (Local Termination — LT), предназначенное для работы с абонентским шлейфом, и оконечную станцию телефонной сети (Exchange Termination — ET), которая «отвечает» за функции коммутации собственно с сетью ISDN.

Сетевое окончание (оконечное оборудование сети) типа 1 (NT1) физически завершает соединение между пользователем сети (абонентом) и локальным оконечным оборудованием (LT). Оно управляет подачей питания, осуществляет контроль линии связи, преобразование протоколов обмена сигналами, а также мультиплексирует каналы B и D. Сетевое окончание типа 2 (NT2) задействуется опционально (т.е. в случае необходимости). Это оборудование предназначено для работы в локальных сетях или с офисными АТС и, как правило, не используется в домашних сетях.

ISDN-ориентированный модульный интерфейс IOM-2 (ISDN-Oriented Modular) представляет собой проводной интерфейс и может использоваться при соединении между любыми приёмопередающими ИС, кроме ИС, предназначенных для первичных соединений. Он включает в себя две однонаправленные линии передачи данных, а также линии кадровой синхронизации и синхронизации данных. Используя один интерфейс, можно управлять и программировать до восьми цифровых приёмопередающих модулей через одну ИС контроллера. На Рис. 11.4 приведена структура субканала интерфейса IOM-2.

125 мкс

FSC

DCL

DD

DU

B1 и B2 Содержат голосовые и пакетные данные

(2 x 64 Кбит/с) в соответствии со структурой ISDN

DСодержит сигнальную информацию или пакетные данные (16 Кбит/с)

Рис. 11.4. Формат кадра при передаче данных через интерфейс IOM-2, при управлении до 8 приёмопередающими модулями с помощью одной микросхемы контроллера.

Интерфейс IOM-2 позволяет значительно сократить количество линий, поскольку каждый из трансиверов (приёмопередатчиков) программируется через канал MONITOR (Контроль), что не требует его постоянного подключения к микроконтроллеру. Один интерфейс IOM-2 может обслуживать, например, восемь линий связи U-типа. Соответственно, в состав контроллера линейной карты (ELIC) может входить четыре интерфейса

IOM-2, благодаря чему обеспечивается подключение к одной цифровой линейной карте до 32 абонентов сети ISDN.

11.2.2. Цифровые линейные карты

Цифровая линейная карта, согласно модели ITU, функционирует как блок LT (локального оконечного оборудования) сети ISDN (см. Рис. 11.2). Она осуществляет коммутацию между PCM-магистралью (магистральной линией связи с импульсно-ко- довой модуляцией сигнала) и абонентскими линиями (абонентским шлейфом), реализует поддержку протокола доступа к D-каналам (если используется архитектура с распределёнными D-каналами) и подаёт напряжение питания на U-линии связи (Рис. 11.5).

Шина микроконтроллера

Микроконтроллер

Рис. 11.5. Структурная схема цифровой линейной карты (алгоритм 2B1Q/4B3T), осуществляющей коммутацию между PCM-ма- гистралью и абонентскими линиями (абонентским шлейфом).

11.2.3.Контроллер расширенной линейной карты (ELIC)

Контроллер ELIC (ИС PEB20550H) осуществляет мультиплексирование четырёх D-каналов и имеет конфигурируемый интерфейс CFI (Configurable Interface) для подключения трансивера. Контроллер может работать в режимах «4 канала PCM» или «4 канала IOM-2». В режиме IOM-2 могут быть заданы различные тактовые частоты и скорости передачи данных; при этом

возможна коммутация до 32 цифровых или 64 аналоговых линий. Кроме того, в зависимости от заданной скорости передачи данных, для осуществления связи ИС с PCMмагистралью может быть задействовано до четырёх дополнительных программируемых PCM-интерфейсов. Максимально возможные скорости передачи данных, таким образом, составляют 4 2 Мбит/с, 2 4 Мбит/с или 1 8 Мбит/с. Используя матрицу 128 128, контроллер ELIC может осуществлять подключение любого канала передачи голоса или данных (которые кодируются временными слотами по 8 бит каждый) между интерфейсами CFI и PCM. Контроллер также поддерживает канал MONITOR и обеспечивает передачу кодов управления/индикации (C/I) в соответствии с протоколом для интерфейса IOM-2. Наконец, данная микросхема содержит встроенный HDLC-контроллер, служащий для передачи сигнальной информации между линейной картой и комбинаторной логической схемой. В качестве альтернативы контроллеру ELIC может применяться EPIC (Extended PCM Interface Controller — контроллер расширенного PCM-интерфейса), который выполняет те же функции, за исключением HLDC-контроллера.

11.2.4.Контроллер ISDN-станции с D-каналом (IDEC)

Контроллер IDEC (ИС PEB 2075) оптимизирован для обработки сигнальной информации, передаваемой по D-каналу, которая осуществляется на цифровой линейной карте. С этой целью ИС PEB 2075 содержит четыре встроенных независимых HDLC-контроллера, что обеспечивает возможность обрабатывать информацию D-каналов четырёх абонентских линий одновременно. Каждый канал содержит контроллер LAPD (Link Access Protocol, Channel D — протокол доступа к каналу связи, D-канал) и 64-байтную быстродействующую FIFO-память на каждое направление передачи. Чтобы снизить расходы на программное обеспечение, основной упор сделан на поддержку коммутационных функций 2-го уровня согласно модели OSI/ISO. За счёт этого, а также других характеристик контроллера удаётся существенно снизить динамическую загрузку микропроцессорной системы. С помощью протоколов кана-

11.2.7. Сетевое окончание

В настоящее время существует два основных типа сетевых окончаний. Стандартное сетевое окончание NT1 преобразует двухпроводной U-интерфейс в четырёхпроводной S0-интерфейс. Это устройство 1-го (физического) уровня, которое обеспечивает передачу информации по B- и D-каналам между локальной станцией и абонентским оконечным оборудованием (TE). Помимо этого, стандартное NT1 подаёт питание на оконечное оборудование, а также предотвращает конфликты доступа, когда несколько абонентов пытаются «занять» один и тот же D-канал. Сигнал, поступающий на U-интерфейс, кодируется одним из двух кодов (2B1Q или 4B3T). Компания Infineon Technologies производит ИС, поддерживающие как тот, так и другой код.

Сетевое окончание второго типа (NT2) представляет собой «интеллектуальное NT» (см. Рис. 11.7). Помимо стандартных функций NT1, оно обеспечивает возможность подключения для тех пользователей, кто хотел бы оставить свои старые аналоговые оконечные устройства, но при этом иметь возможность доступа к ISDN. Интеллектуальное сетевое окончание соответствует стандартному NT1, но дополнительно имеет микропроцессор, кодек-фильтр и схему

интерфейса абонентской линии (Subscriber Line Interface Circuit — SLIC).

11.2.8.Контроллер интеллектуального сетевого окончания (INTC)

На Рис. 11.8 показан контроллер PEB 8191H, который совмещает в себе функции S- и U-трансиверов, а также содержит HDLC-контроллер.

Рис. 11.8. Контроллер «интеллектуального» сетевого окончания INTC (PEB 8191), совмещающий функции S0- и U-трансиверов.

Он обрабатывает линейный код 2B1Q в соответствии с рекомендациями ETSI ETR 080 1995 и ANSI T1E1.601 1992 и реализует протокол S/T-интерфейса в соответствии с рекомендацией 1.430 ITU. При использовании параллельного или последовательного