Rohm Semiconductor GmbH
Standard und trotzdem individuell
Rohm nutzt die Vorteile der PICMG-konformen Systemarchitektur der Intel Atom E600 Prozessor SoCs mit PCI Express v 1.0 und bietet aufbauend darauf ein modulares System aus standardisierte ICs an. Diese enthalten definierte Funktionalität, die jedoch flexibel auf die jeweiligen Lösungsanforderungen zugeschnitten werden kann.
Der Einsatz zunehmend komplexer Industrieanwendungen wie anspruchsvolle Industriesteuerungen und Automatisierungstechniken erfordern hohe Leistungsfähigkeit und die Verarbeitung großer Datenmengen bei gleichzeitiger Ausfallsicherheit und wenig Wartungsaufwand. Dies verlangt auf der einen Seite hochleistungsfähige Prozessoren, auf der anderen Seite muss bei den Kosten eine wirtschaftliche Lösung – angefangen beim Design, über die Implementierung bis zur Instandhaltung – angestrebt werden. Um dies zu bewerkstelligen, greifen System-Entwickler auf Standardplattformen als Hauptbestandteile ihres Designs zurück.
In der Intel Atom E600 SoC Serie finden Designer nicht nur einen besonders leistungsfähigen RISC-Prozessor, sondern auch Entwicklungsflexibilität, vereinfachte Designmöglichkeiten, Portabilität und Zuverlässigkeit sowie neben einer Vielzahl von I/O Optionen vor allem ein effizientes Power Management. Rohm Semiconductor und sein Tochterunternehmen Oki Semiconductor haben für diese neue Plattform mehrere Chipsets bestehend aus Power Management IC (PMIC), Clock Generator IC (CGIC) und Input-Output-Hub IC (IOH) entwickelt, die genau auf die Intel Plattformspezifikation angepasst sind (Bild 1).
Bild 1: Blockschaltbild der Intel Atom E600 SoC Serie.
Die Firma nutzt dabei die Vorteile der PICMG-konformen Systemarchitektur der Intel Atom E600 Prozessor SoCs mit PCI Express v 1.0 und bietet aufbauend darauf ein modulares System aus standardisierte ICs an. Diese enthalten definierte Funktionalität, die jedoch flexibel auf die jeweiligen Lösungsanforderungen zugeschnitten werden kann.
Mit seinem Chipset verfolgt Rohm Semiconductor ein modulares Konzept für Stromversorgung, Taktgebung und Anbindung: Die vom System benötigten Spannungen und Clocks werden vom PMIC und CGIC aus der Versorgungsspannung (entweder 5 V oder 12 V) und einem Quarz (25 MHz) erzeugt. Die notwendigen Schnittstellen stellt der IO-Hub dem Atom-Prozessor zur Verfügung. Je nach Bedarfsfall können nur einzelne Bausteine dieses Chipsets oder als Komplettlösung alle drei ICs eingesetzt werden.
Das wenig externe Komponenten benötigende PMIC hat neben der Spannungsversorgung auch das Sequencing zur Aufgabe. Durch die Bereitstellung im separaten CGIC haben die integrierten Schaltregler mit ihrer Schaltfrequenz keine negativen Einflüsse auf die Taktsignale. Durch diese Trennung werden nicht nur die Störungen minimiert, sondern der Entwickler ist auch flexibler in seinem Boardlayout, da die Bausteine und ihre externen Komponenten besser auf dem Board verteilt werden können.
Spannungsversorgung
Das System PMIC übernimmt neben der kompletten Spannungsversorgung – für den Prozessor, den eingesetzten IO-Hub (Intel Plattform Controller Hub EG20T oder einen der OkiSemiconductor IOHs ML7223(V) bzw. ML7213, den DDR2 Speicher und die zur BIOS-Speicherung dienenden SPI-Flash-Chips, die an den Intel Chip angeschlossen sind – auch das automatische Power Sequencing. Der Baustein kontrolliert somit auch die komplexe Ablaufsteuerung der einzelnen Spannungen beim Hoch- und Herunterfahren (Wechsel von einem Betriebsstatus in den anderen). Bei anderen x86-Prozessor-Plattformen übernimmt dies ein externer Mikrocontroller, der somit hier eingespart bzw. vereinfacht eingesetzt werden kann.
Die Spannungsversorgung durch das PMIC wird durch eine IMVP6-konforme 20-Kanal System-Spannungsversorgung (1-Kanal DC/DC Controller + 4-Kanal DC/DC Regler + 8-Kanal LDO + 6-Kanal Lastschalter + 1-Kanal VTT für DDR-Speicher) sichergestellt.
Bild 2: Block Diagramm der Power Management IC.
Der integrierte Power Controller (Bild 2) optimiert die Spannungsversorgung dabei in jedem Zustand – von S0 über S3 bis S4/5, also auch im Sleep- und Hibernate/Off-Modus. Die verschiedenen Funktionen wie Ein- und Ausschalten und verschiedenen Reset-Funktionen werden mit einem Power- und einem Reset-Button realisiert, es gibt darüber hinaus aber auch die Möglichkeit, ein Wake-up über Ethernet durchzuführen (Wake-on-LAN durch Magic Packet). Die einzig benötigte Versorgungsspannung liegt entweder bei 5 V (4,5 bis 5,5 V) oder 12 V (8 bis 19 V).
Die integrierten Schutzmechanismen wie der Under-Voltage-Lock-Out, die Over-Current-Protection, die Over-Voltage-Protection, die Short-Circuit-Protection und der Thermal-Shut-Down garantieren im Störfall ein Abschalten, um die Zuverlässigkeit des Systems zu garantieren. Auch den Anforderungen nach größerer Miniaturisierung wird entsprochen: Mit ihrem kompakten Design sind die systemoptimierten PMICs eigenständig und kommen mit wenigen externen Komponenten und daher mit sehr wenig Platz auf der Leiterplatte aus. Vier der fünf Schaltregler sind mit integrierten, hocheffizienten Feldeffekttransistoren ausgestattet, um den Baustein kompakt zu halten.
Um ein einfaches Board-Design bei gleichzeitig hoher Dichte zu bewerkstelligen, werden sowohl das Stromversorgungs-IC als auch der CGIC im kompakten, quadratischen QFN-Gehäuse geliefert. Die Anschlüsse sind auf der Gehäuseunterseite angebracht. Das dort befindliche ThermalPad leitet Wärme zur Leiterplatte ab und verhindert so ein Überhitzen. Ein störungsfreier Betrieb ist für die Standard-Industrie-Temperaturspanne von -40° bis 85° Grad ausgelegt.
Takterzeugung und Verteilung
Da sie durch fünf integrierte PLLs jede notwendige Clock, die vom Intel Chip und dem eingesetzten IO-Hub, wie auch den externen Bausteinen wie SATA, USB oder PCIe und andere (Bild 3).
Bild 3: Block Diagramm der Taktgenerator IC.
(Intel CK505 konform) benötigt wird, liefern können, sind die ROHM CGICs ideal für E600-basierte Designs. Eine sehr gute Frequenzgenauigkeit wird durch die patentierte PLL-Technologie sichergestellt. Um die elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) deutlich zu vermindern und ein störungsarmen Betrieb zu gewährleisten, ist in den Clocks für CPU, PCIe und SATA eine optionale Spread-Spectrum-Modulationstechnik eingebaut. Die Sequenzkontrolle wird, wie bereits erwähnt, vom ROHM PMIC mit übernommen. Die Versorgungsspannung beträgt 3.3V und kann von einem der PMICs geliefert werden. Die Bausteine sind im Standard-Industrie-Temperaturbereich von -40° bis +85°C einsatzfähig und unterstützen darüber hinaus PCI Express.
I/O-Flexibiltät
Ein entscheidendes Kriterium für Entwickler ist die größtmögliche Flexibilität der angebotenen Schnittstellen. OKI Semiconductor bietet dafür zwei Typen von I/O-Hubs, den ML7223(V) und ML7213 im robusten, kompakten 23mm x 23mm x 1.73mm Gehäuse mit hoher Integration, die eine zuverlässige Signal-Verbindung und flexible Konfigurationsmöglichkeiten liefern und die Prozessor-Last deutlich reduzieren.
Der ML7223(V) ist via 2 PCI Express Lanes mit dem E600 verbunden. Während die Standard-Schnittstellen (USB, SATA, SD-Host, Video-Input) über die erste PCI-Express Lane angeschlossen sind, sorgt die zweite Lane für dedizierte Bandbreite zur QoS (Quality of Service)-Sicherung der Netzwerkfunktionen. Zusätzlich sind neben dem Gigabit-Ethernet-MAC auch ein IPsec Hardware-Beschleuniger und ein Audio-CODEC zur Echo- und Rauschkompensation implementiert. Mit einer Betriebstemperaturspanne von -40 bis zu +85° entspricht das IC wie seine Kompanion-Chips der geforderten Standard-Industrie-Temperaturspanne. Canbus-Anbindung ist über PCI Express oder USB-Interface möglich, das sowohl Host- wie Slave-Funktionalität bietet. Beim ML7213 verbindet eine PCI Express x1-Lane den Hub mit dem Intel Prozessor. Die integrierte MediaLBSchnittstelle unterstützt MOST-Netzwerke, ein SDVO-Wandler konvertiert die SDVO-Signale des Intel E600 Prozessors in digitale RGB Daten zur direkten Ansteuerung eines sekundären Displays (Bild 4).
Bild 4: Blockschaltbild des IO-Hubs.
Durch die unterschiedlichen seriellen Schnittstellen (SPI, I2C, UART) und eine breite Auswahl an Audio-Schnittstellen (2 x TDM, 6 x I2S) besteht hier eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Um Kamera basierte Applikationen – z.B. in Bereichen wie Sicherheitstechnik (IP-Kameras) – ohne Umwege über andere Schnittstellen zu unterstützen, stellen beide IO-Hubs einen digitalen Video-Eingang (RAW, BT.656) zur Verfügung. Des weiteren kann der interne Bus (P-HUB) bei beiden IO-Hubs über Standard-CMOS Signale herausgeführt werden, um so Zusatzfunktionen über kostengünstige FPGAs oder ASICs realisieren zu können, was bei einer Anbindung über PCI-Express nicht möglich ist.
Die interne paketbasierte P-HUB Architektur beinhaltet zudem eine einzigartige und flexible QoS-Methode, um Echtzeitdienste zu priorisieren. Das Ziel ist es, Kosten und Stromverbrauch weitgehend zu reduzieren. Die IO-Hubs benötigen daher kein externes Workspace-RAM, und Entwicklungskosten werden durch die Wiederverwendbarkeit der Peripherie-Treiber des Intel PCH EG20T und die Unterstützung der IO-Hubs durch den Intel Bootloader deutlich vermindert. Die Kompatibilität zwischen den Bausteinen – und damit auch ein hohes Maß an Investitionssicherheit – bleibt garantiert. Der Stromverbrauch des Gesamtsystems wird durch einen flexiblen CPU Interrupt Algorithmus reduziert.
Schlussbemerkung
Durch die plattformspezifische Paketlösung von Rohm/Oki können Anwender alle Vorteile der Intel Atom E600 Prozessorserie nutzen. Sie ermöglicht eine einfache und schnelle Entwicklung von Industrie-Anwendungen und bietet durch die verschiedenen Bauteilserien ein perfekt auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnittenes Chipset. Auch wenn sich die verschiedenen Embedded-Anwendungen gerade in den benötigten Schnittstellen erheblich unterscheiden, ergeben sich durch die Flexibilität in der Verwendung der verschiedenen IO-Hubs gute Lösungsangebote. Ein Referenzboard mit Development Kit ist verfügbar. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die für Industrie-Applikationen erforderliche Verfügbarkeitsgarantie und langfristige Unterstützung, die mit der Intel E600-basierten Architektur gewährleistet werden kann.
Finn Lange
(sb)
