Bauelemente - Inova Semiconductors

Robert Kraus
Mit Volldampf
durch die Leitung
GigaSTAR – Ein „intelligentes“ Kabel für hohe Datenraten
Kaum wird eine neuer Busstandard
mit vermeintlich genügend
Bandbreite eingeführt, zeigt eine
neue Generation von Mikroprozessoren
die Grenzen dieser Systeme
auf. Der rasante Fortschritt in der
Halbleitertechnik führt zu einem
geradezu inflationären Anstieg der
Datenraten: Innerhalb der letzten
Jahre hat sich die Taktfrequenz
der Mikroprozessoren im Jahresrhythmus
verdoppelt, und die ersten
Prozessoren mit dem „Gigahertz“
als Maß für die Taktfrequenz
sind praktisch serienreif.
Fehlt nur noch die leistungsfähige
Datenübertragung dazu.
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
Nahezu alle großen System-Hersteller sind sich darin einig,
dass sich die mit immer höher getakteten Prozessoren
einhergehende Datenflut nicht mehr mit parallelen
Bussystemen bewältigen lässt, und so haben in den letzten
Jahren serielle Systeme ihren Siegeszug angetreten. Die
Frage in den Entwicklungsabteilungen lautet heute bei abgesetzten
Punkt-zu-Punkt-Übertragungen nicht mehr „parallel“
oder „seriell“, sondern welcher serielle Bus für eine
neue Entwicklung am besten geeignet ist. Mit GigaSTAR (Gigabit
Serial Transmitter and Receiver) von der in München
ansässigen Inova Semiconductors (s. nebestehenden Kasten)
steht eine neue Datenübertragungs-Plattform zur Verfügung,
die eine zuverlässige, stabile und 1,32 Gbit/s schnelle
Datenübertragung über ein spezielles geschirmtes Kupferkabel
bis zu 20 m und darüber gestattet.
Die Qual der Wahl
Aufgrund des großen Bedarfs an Hochgeschwindigkeits-
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen hat in den letzten Jahren
bei den Lösungsansätzen eine sehr rasante Entwicklung
stattgefunden. Der Anwender kann heute unter einer Vielzahl
von Übertragungstechniken auswählen – von reinen
seriellen Systemen bis hin zu Multiplex-Systemen, die 32
bis 40 bit breite Busse auf vier bis acht differentielle Kanäle
reduzieren und sie nach der Übertragung auf das ursprüngliche
Format demultiplexen. Eine große Variation
herrscht dabei auch bei den Datenraten, die von unter
10 Mbit/s bis zu 5 Gbit/s und darüber hinaus reichen.
Bei der Entscheidung für eines dieser Systeme muß der
Entwickler häufig Schwerpunkte setzen und Kompromisse
eingehen: Komfortable Software-Anbindung, niedrige
Latenzzeit, eine hohe deterministische Datenrate und
gleichzeitig eine extrem störungsarme und sichere Über-
48 Elektronik 2/2000

tragung über größere Entfernungen sind dabei Anforderungen,
die vermeintlich der Quadratur des Kreises gleichkommen.
Vor allem bei den Bussen mit Datenraten im Gigabit-Bereich
wird der Anwender oft auch mit Problemen aus der
analogen HF-Technik konfrontiert, bei der etwa der Platinenentwurf,
die Platzierung der Bausteine, die Leiterbahnführung,
die Stecker- und Kabelauswahl und nicht zuletzt
Toleranzen bei der Produktion direkten Einfluß auf die
Qualität und Stabilität der Datenübertragung haben und
sich auf die Bitfehlerrate auswirken.
Doch nicht nur die klassische HF-Technik auf der seriellen
Seite, die je nach Bussystem von wenigen Megahertz
bis hin in den GHz-Bereich reicht, erfordert solide Kenntnisse
in der analogen HF-Technik und eine sehr große Erfahrung
beim Board-Layout. Oft ergeben sich die Probleme
bereits auf der vermeintlich langsamen Parallel-Schnittstelle:
Bei einer Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s und einem
40 bit breiten Parallelbus müssen 40 Verbindungen hergestellt
werden, jede davon mit einer typischen Anstiegs- und
Abfallzeit von weniger als 1 ns.
Um die beim gleichzeitigen Umschalten entstehenden
Störspitzen auf den Versorgungsleitungen in akzeptablen
Grenzen zu halten, ist ein hoher Aufwand an Entkopplungs-
und Layout-Maßnahmen erforderlich.
Inova Semiconductors – Münchner
Start-Up in der Halbleiterbranche
Die Inova Semiconductors
GmbH, München, wurde im
Februar 1999 von Josef
Kreidl, Präsident der Inova
Computers GmbH, und
Robert Kraus, Geschäftsführer
der Inova Semiconductors
GmbH, gegründet. Die Finanzierung
des Unternehmens erfolgt
mit Venture-Kapital von
privaten wie auch institutionellen
Anlegern aus Europa
sowie mit Fördermitteln des
Freistaates Bayern (Förderprogramm
der Innovationsberatungsstelle
des Bayerischen
Wirtschaftsministeriums).
Die Inova Semiconductors
GmbH ist, ebenso wie die im
Juli 1997 von J. und A. Kreidl
gegründete und heute erfolgreich
im CompactPCI-Boardgeschäft
tätige Inova Computers
GmbH, Kaufbeuren, unter
der Inova Holding GmbH
angesiedelt. Unter dem Dach
der Holding befinden sich
auch die beiden Vertriebsgesellschaften
in den USA (Inova
Computers Inc.) und in der
Schweiz (Inova Computers
AG, Schweiz). Das Mitarbeiterteam
der Inova Semiconductors
setzt sich aus
langjährigen Halbleiterspezialisten
mit einer Erfahrung
von fast hundert Mannjahren
zusammen. Zum Team der ersten
Stunde gehören Robert
Kraus (Geschäftsführer), Roland
Neumann (Leiter Entwicklung),
Robert Meyer (Leiter
Fertigung & Qualitätssicherung)
und Michael Riedel
(Manager für System Design),
dem sich im Sommer 99 noch
Helmut Kohlsdorf (Leiter Vertrieb)
anschloss.
Inova Semiconductors kann
von Beginn an auf die bereits
vorhandene Vertriebsstruktur
der Inova-Gruppe in Deutschland,
den USA und der
Schweiz zurückgreifen.
Außerdem befindet sich zur
Zeit ein Netz von Distributoren
und Repräsentanten im
Aufbau. Strategische Kunden
werden weiterhin direkt von
der Münchner Zentrale aus
betreut (www.inova-semiconductors.de).
Elektronik 2/2000 Für schnelle Anfragen: Elektronik-Leserservice Seite 128 verwenden
49

Bild 1. Eine unidirektionale GigaSTAR-Übertragungsstrecke für eine
Datenrate von 1,32 Gbit/s besteht aus einem Sende- und einem
Empfangs-Chip mit einer geschirmten Zweidrahtleitung. Die
Chips sitzen in BGA-Gehäusen mit 12 mm Kantenlänge.
GigaSTAR – Entwicklungsziele
Ziel bei der Entwicklung des GigaSTAR-Konzepts war es,
dem Anwender ein leistungsstarkes und zuverlässiges Gigabit-Übertragungs-System
anzubieten, das aus nur einem
Sender- und einem Empfangsbaustein besteht sowie anwenderfreundlich
und trotzdem universell einsetzbar ist.
Anders ausgedrückt sollte ein „intelligentes“ Kabel („Intelligent
Piece of Wire“) für hohe Datenraten mit folgenden
Anforderungen geschaffen werden:
● störsichere, robuste Übertragungstechnik mit hoher
EMV-Verträglichkeit,
● Übertragungsreichweite bis zu 20 m,
● vollständige DC-Entkoppelung der Übertragungsstrecke,
● Durchlaufzeiten unter 50 ns/Baustein
für Echtzeit-Anwendungen,
● volltransparente Datenübertragung
(kein Protokoll für den An-
400
wender erforderlich),
mW
● einfach zu bedienendes, 36 bit
breites Parallel-Interface mit mo-
300
derater Busfrequenz (≤40 MHz),
● vollständige Integration aller
200
Funktionen in einem Baustein,
● niedrige Verlustleistung,
100
● modulares Plattform-Konzept,
skalierbar in Datenrate und Logik-Funktion.
0
Das GigaSTAR-Konzept –
Technologie-Optimierung und
intelligente Architektur
Ein „Intelligentes Stück Kabel“ für
Übertragungen im Gigabit-Bereich
erfordert ein Höchstmaß an Funktionalität
im Baustein: Auf der einen
Seite sind das eine einfach zu bedienenede
Parallel-Schnittstelle, intelli-
1 K Gatteräquivalent
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
gente Fehlererkennung, effektive Algorithmen für die Datencodierung
und eine minimale Latenzeit. In der Summe
also eine Menge an Logikfunktionen, die sich mit modernen
CMOS-Technologien optimal und ökonomisch lösen
lassen.
Stabile Gigabit-Übertragungsstrecken erfordern aber andererseits
auch zuverlässige Leitungstreiber, die Signale
über größere Entfernungen sicher und störfest übertragen
können, sowie hochwertige PLLs im Gigahertz-Bereich, mit
welchen sich Daten und Takt aus dem Bitstrom sicher und
präzise regenerieren lassen. Treiber und PLLs sollten dabei
möglichst resistent gegen Störungen sein, um eine niedrige
Bitfehlerrate zu erreichen. Das alles sind Aufgaben, für die
auch heute noch die bipolare ECL-Technologie die besten
Voraussetzungen bietet. Eine der grundsätzlichen Entscheidungen
beim Entwurf des GigaSTAR-Konzeptes war deshalb
der Einsatz von zwei unterschiedlichen Technologien:
● Eine robuste, zuverlässige Submicron-Bipolar-Technologie
für alle Hochfrequenz-Schaltungen im Gigahertz-Bereich
und für die differenzielle „Current Mode-Logik“-
Ausgangsstufe zur sicheren und störfesten Übertragung
der seriellen Daten.
● Eine leistungsfähige 0,35-µm-CMOS-Technologie mit
insgesamt rund 10 000 Gatterfunktionen, um den geforderten
hohen Funktionsumfang, eine niedrige Verlustleistung
und hohe Anwenderfreundlichkeit zu erreichen.
Beide Chips sind in einem kompakten, nur 12 mm
× 12 mm großen Plastik-BGA-Gehäuse untergebracht
(Bild 1). Dank der guten thermischen Eigenschaften dieses
BGA-Gehäuses und der niedrigen Gesamt-Verlustleistung
von jeweils knapp 1 W lässt sich der GigaSTAR-Link im erweiterten
Temperaturbereich bis zu +85 °C Umgebungstemperatur
einsetzen. Die Chip-Temperaturen steigen dabei
nicht über 110 °C – eine Garantie für eine hohe Langzeit-Zuverlässigkeit
der Bausteine.
1 25 90 350 1200 MHz 4400
CMOS-Chip:
Komplexe Schaltung
mit hoher Packungsdichte
und niedriger Verlustleistung
....................
...................
....................
...................
Frequenz
Bipolar-Chip:
HF-optimale Ausgangsstufen
mit niedriger elektromagnetischer
Abstrahlung,
minimale Eigenstörungen auf dem Chip
50 Elektronik 2/2000
...................
..................
..................
...................
Bipolar
Si-Ge-Bipolar
CMOS
Bild 2. Jeder GigaSTAR-Baustein besteht intern aus zwei Dies, einem CMOS-Chip für die
Anwenderschnittstelle und einem Bipolar-Chip zur Übertragungsstrecke hin. Die Datenübertragung
zwischen den Chips findet bei der für beide Technologien günstigen Übertragungsfrequenz
von 350 MHz statt.

Dämpfung
Frequenz
Bild 3. Dämpfungs-Charakteristik des Übertragungskabels: Höhere
Übertragungsfrequenz geht mit stärkerer Kabeldämpfung einher.
Die Schnittstelle zwischen beiden Welten – anwenderorientierte
Funktionalität einerseits und zuverlässige Übertragungstechnik
andererseits – wurde in Form einer proprietären
differenziellen Verbindung buchstäblich in die
Mitte des GigaSTAR-Bausteins gelegt und mit einer Übergabefrequenz
um die 350 MHz optimal auf die Leistung der
jeweiligen Technologie abgestimmt (Bild 2).
Die enge Zusammenarbeit von Inova Semiconductors
mit Herstellern modernster Halbleiter- und Gehäusetechnologien
wie Chartered Semiconductors,
Austria Mikro Systeme International AG
(AMS) und Amkor stellt dabei sicher, daß
Innovationen wie etwa die neue SiGe-Prozess-Technologie
kurzfristig in die Giga-
STAR-Entwicklung einfließen können.
Dank des modularen Konzepts mit zwei
Chips in einem Gehäuse lassen sich schnell
neue Derivate mit anderen Anwenderschnittstellen
realisieren. Die Anpassung
der GigaSTAR-Plattform an eine bestimmte
Systemarchitektur erfordert nur eine Neuentwicklung
des Logikteils und nicht des gesamten
Bausteins mit den Design-Risiken
im HF-Bereich.
Besonderes Augenmerk legten die Entwickler
auch auf eine möglichst effektive
Codierung des seriellen Datenstroms, der
unabhängig von den anliegenden Daten DCbalanciert
sein muss, um eine kapazitive
Ankopplung des Kabels oder eines Optik-
Moduls zu ermöglichen. Beim GigaSTAR
kommt eine proprietäre Codierung zum
Einsatz, die für ein 36 bit breites Datenwort
mit nur 4 bit Overhead oder umgerechnet
0,89 bit/byte auskommt. Auf diese Weise
stehen bei einer Übertragungsrate von
1,32 Gbit/s etwa 90 % (entspr. 1,18 Gbit/s)
für die eigentlichen Nutzdaten zur Verfügung.
Dies ist auch eine wichtige Voraussetzung
für die angestrebte hohe Übertragungs-Reichweite
von 20 m: Die bei gleicher
Netto-Datenrate niedrigere Übertragungsfrequenz
gegenüber bestehenden Codierverfahren
(s. Tabelle) resultiert in einer
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
geringeren Dämpfung und erlaubt damit größere Übertragungsreichweiten
(Bild 3).
Stabile Übertragung im Vordergrund
Die maximale serielle Datenrate wurde nicht nur wegen
der angestrebten erzielbaren Reichweite von 20 m deutlich
unter die Marke von 2 Gbit/s gelegt, sondern liegt auch in
der Forderung an die einfache Einsetzbarkeit des Produkts
begründet. Die Übertragungsfrequenz von unter 700 MHz
(NRZ-Signal) liegt noch in einem Frequenzbereich, in dem
trotz unvermeidbarer Toleranzen bei der Herstellung und
Bestückung der Systeme auch bei größeren Produktionsstückzahlen
eine gleichbleibend stabile Übertragung gewährleistet
wird.
Benötigt der Anwender eine höhere Datenrate, lassen
sich mehrere GigaSTAR-Strecken nebeneinander aufbauen
– die resultierende Netto-Datenrate lässt sich so in Vielfachen
von 1,18 Gbit/s skalieren.
„Intelligentes Kabel“ bedeutet auch, dem Anwender eine
Übertragungstechnik anzubieten, die vermeintlich Daten
von der Sende- auf die Empfangsseite transparent und
praktisch verzögerungsfrei abbildet, ohne ihn dabei mit externer
Daten-Codierung oder Protokollen zu konfrontieren.
Beim GigaSTAR werden deshalb alle für eine reibungslose
Übertragung benötigten Informationen, die der Sendebau-
Codierung Nutzdatenrate Overhead Nominal- Übertragungs-
RDCLK
PDATA (35..0)
PARITY
VALID
TX-Shifter
Shifter-
Steuerung
OSC EXTRC1 EXTRC2
1,32-GHz-
Takterzeugung
Serializer
52 Elektronik 2/2000
Takt
Framer
Header MUX-Steuerung
(Fluss-Steuerung und Erzeugung
des Headers)
RESET# PERR# PARGEN FLAGI SYNGEN
datenrate frequenz
GigaSTAR 148,5 Mbyte/s 0,89 (bits/byte), 10,00 % 1320 Mbit/s 660 MHz
8B/10B (8-bit-/10-bit-Code) 148,5 Mbyte/s 2 (bits/byte), 20,00 % 1485 Mbit/s 742,5 MHz
CMI (Coded Marked Inversion) 148,5 Mbyte/s 8 (bits/byte), 50,00 % 2376 Mbit/s 1188 MHz
Bei gleicher Nutzdatenrate steigt die Übertragungsfrequenz mit der Größe des
Overhead
SDATA
SDATA#
Bild 4. Der GigaSTAR-Transmitter setzt die parallel ankommenden Daten
(PDATA(35..0)) in serielle Daten zur Übertragung um.

SDATA
SDATA#
OSC EXTRC1 EXTRC2
1,32-GHz-
Takterzeugung
Deserializer RX-Shifter
RES
stein intern erzeugt und den als Datenblöcken (frames)
übertragenen Nutzdaten hinzufügt, vom Empfänger automatisch
und vollständig entfernt.
Diese Philosophie der einfachen Einsetzbarkeit setzt sich
auch im Konzept des Parallel-Interface fort, das verschiedene
Betriebsarten erlaubt und somit dem Entwickler ein
hohes Maß an Flexibilität beim Design der Applikationsschnittstelle
bietet.
Der Sender-Baustein (Bild 4) stellt für die Ausgangs-Puffer
der jeweiligen Applikation (Speicher,
FIFO, ASIC oder PLD) auf Anfrage einen Lesetakt
(„Read-clock“) von 33 MHz zur Verfügung, der
das bis zu 36 bit breite Datenwort und – falls verfügbar
– ein optionales Parity-Bit in den Baustein
einliest. Auf der Empfängerseite (Bild 5) steht
dann dieses Datenwort mit Parity-Bit synchron
zum generierten Schreibtakt („write-clock“) wieder
1:1 zur Verfügung. Bei einer Übertragung a)
über eine Entfernung von 20 m verstreichen dabei
zwischen dem Einlesen der Daten auf der
Sendeseite und der Ausgabe auf der Empfängerseite
gerade 160 ns, wobei das Signal alleine im
Kabel 80 ns unterwegs ist.
Takt
Deframer
FLAGO LSYNC# PERR# RESET#
Chips und Board-Level-Produkte
Um dem Anwender einen schnellen Einsatz der
GigaSTAR-Technologie zu ermöglichen, bietet
Inova neben den integrierten GigaSTAR-Bausteinen
auch zwei Board-Produkte an:
Ein Applikations-Kit (Bild 6 a) ermöglicht über
eine komfortable PC-Ansteuerung alle Arten von
Evaluierungen des GigaSTAR-Links. Über eine
gepufferte, 2 × 36 bit breite Parallel-Schnittstelle
lässt sich dieses Kit einfach an jedes System anpassen.
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
Das so genannte Piggyback-Board
(Bild 6 b), ein Bestandteil des Applikations-
Kits, gibt es auch als eigenständiges Produkt.
Dieses bietet dem Anwender eine
vollständige und einfach einzusetzende Implementierungsmöglichkeit
eines Giga-
STAR-Links mit 2 × 1,32 Gbit/s (Voll-Duplex).
Das nur 64 mm × 59 mm große,
steckbare Piggyback-Board läßt sich über
eine 2 × 36 bit breite Schnittstelle (3,3 V
CMOS-Pegel) mit einer Taktfrequenz von
moderaten 33 MHz einfach in eine Applikation
einbinden.
Schnittstellen anpaßbar
und skalierbar
Die in diesem Artikel vorgestellten Bausteine
sind die ersten Produkte der als
Datenübertragungsplattform konzipierten
GigaSTAR-Baureihe. Innerhalb der Sendeund
Empfänger-Bausteine sind Anwenderschnittstelle
und Übertragungstechnik in
separate Technologien aufgeteilt, so dass
sich diese Verbindungslösung flexibel in andere Systemumgebungen
einbinden lässt.
Die hochdichte CMOS-Technologie ermöglicht die problemlose
Realisierung selbst komplexerer System-Schnittstellen.
Somit lassen sich künftige GigaSTAR-Produkte beispielsweise
direkt an bestehende Standards in Computer-,
54 Elektronik 2/2000
WRCLK
PDATA(35..0)
PARITY
Bild 5. Der GigaSTAR-Receiver empfängt die seriellen Daten und wandelt sie
zurück ins parallele Format.
b)
EPP
PLD
OE#
.................
.................
PDATA (35...0)
OE
RDCLK
OSC
66 MHz
PDATA (35...0)
WRCLK
36
36
Tx-
FIFO
Rx-
FIFO
36
36
GigaSTAR-
Sender
INGT165B
GigaSTAR-
Empfänger
INGR165B
GigaSTAR
INGT165B
Sender
GigaSTAR
INGR165B
Empfänger
SDATA
SDATA#
Bild 6.a) Applikations-Kit mit Sende- und Empfangspufferspeichern (FIFOs)
auf der 170 × 100 mm 2 großen Platine. Das PLD adaptiert das paralle GigaSTAR-Interface
an die EPP-Schnittstelle (Enhanced Parallel Port) eines PC.
b) Blockschaltung des Piggyback-Boards (64 × 59 mm 2 ), das Teil des Applikationskits
ist. Für eine bidirektionale Verbindung sind auf beiden Seiten
der Übertragungsstrecke jeweils ein Empfänger- und ein Sendebaustein erforderlich.

Telekommunikations- und Industrie-Anwendungen anpassen,
um damit den Datendurchsatz bei Hochleistungsrechnern
zu erhöhen.
Unabhängig davon kann auch die Übertragungskapazität
den System-Bedürfnissen angepaßt werden: Mit der heute
bereits verfügbaren Silizium-Germanium-Bipolar-Prozesstechnik
ist es möglich, integrierte Mehrkanal-Systeme mit
noch niedrigerer Verlustleistung zu realisieren.
Die Integration einer komplexen System-Schnittstelle etwa
mit vier Übertragungskanälen und einer Gesamtbandbreite
von über 5 Gbit/s lässt sich mit der GigaSTAR-Plattform
mit rund 3 W Verlustleistung problemlos in einem
Gehäuse realisieren, ohne dass dabei Abstriche hinsichtlich
der Übertragungssicherheit und -reichweite gemacht werden
müssten.
Von Telecom-Anwendungen
bis zur Industrie-Elektronik
Zum potentiellen Kunden- bzw. Anwenderkreis der
GigaSTAR-Produkte gehören sowohl die Großindustrie
wie auch mittelständische High-Tech-Firmen z.B. der Telekommunikations-,
Unterhaltungselektronik- und Massenspeicher-Branche,
die sich mit Produkten auf dem Welt-
Auf dem Markt gibt es heute
eine ganze Reihe von seriellen
Buskonzepten, die für unterschiedliche
Anwendungen
konzipiert sind und vielfach
Übertragungsraten im Gigabit-
Bereich anbieten oder zumin-
dest ankündigen. Alle seriellen
Systeme lassen sich prinzipiell
nach Systemparametern wie
Protokoll, Übertragungsmedium,
Datenrate, Latenzzeit,
Bitfehlerrate, maximale Übertragungs-Entfernung
und anderen
Kenngrößen unterschei-
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
markt behaupten wollen und sich deshalb vom Wettbewerb
abheben müssen.
Typische Einsatzbereiche der GigaSTAR-Technik finden
sich überall dort, wo es auf die sichere und störungsfreie
Übertragung großer Datenmengen in hoher Geschwindigkeit
zu einem akzeptablen Preis-Leistungs-Verhältnis ankommt.
Dazu zählen u.a. die (Echtzeit-)Bilderkennung und
-verarbeitung wie etwa bei Bankautomaten oder Zugangssicherungssystemen
mit Fingerabdruck- bzw. Iris-Erkennung
(High-Speed-Scanning), zukünftige DVI-Anwendungen
(Digital Visual Interface), Hochgeschwindigkeits-
Drucker, medizinische Diagnostik, industrielle Steuerungen
(Robotik, Echtzeit-Achsensteuerung), Vermittlungssysteme
(schnelle Switches in der Telekommunikation) sowie
schnelle Massenspeicher.
Funktion des GigaSTAR-Links
Serielle Buskonzepte im Markt
den, doch alleine auf dieser
Basis einen Vergleich anzustellen,
würde heißen, Äpfel mit
Birnen zu vergleichen.
Die Bedeutung der einzelnen
Parameter hängt immer stark
von der jeweiligen Applika-
tion ab: So ist es etwa für viele
Consumer-Anwendungen bei
kürzeren Entfernungen unerheblich,
wenn Sende- und
Empfangssystem über Signal-,
Masseleitungen oder den
Schirm des Bus-Systems elektrisch
miteinander verbunden
Die GigaSTAR-Verbindung ist für die Einrichtung zuverlässiger
und schneller Datenübertragungssysteme mit minimaler
Latenzzeit konzipiert. In den Sender- und Empfängerbausteinen
sind sämtliche Funktionen des Datentransfer-Managements
einschließlich der Hochfrequenz-Blöcke
integriert. Beide Bauelemente verfügen über ein anwender-
sind. In industriellen Anwendungen
und räumlich ausgedehnten„Panel-Link“-Systemen,
bei denen Rechner und
Monitore getrennt voneinander
aus dem Netz versorgt
werden, kann es allerdings zu
GigaSTAR FibreChannel FireWire USB (Version 1.0)
Nominal-Datenrate [Gbit/s] 1,32 1,0625 0,4 0,0015/0,012
Netto-Datenrate [Gbit/s] 1,188 0,8 abhängig von Konfi- abhängig von Konfi-
guration und Topologie guration und Topologie
Übertragungs-Reichweite [m] >20 >20 4,5 3
(Punkt-zu-Punkt mit Kupferkabel)
AC-Entkopplung ja ja nein nein
Parallel-Schnittstelle 36 bit@33 MHz 8/16bit@100/50 MHz, baustein-abhängig baustein-abhängig
Topologie
10/20bit@100/50 MHz
● Punkt-zu-Punkt ja ja ja ja
● Bus nein nein ja ja
Kenndaten von seriellen Bussen (aktuelle Implementierung)
Störungen oder sogar zu unzulässig
hohen Potentialausgleichsströmen
kommen. Bei
Echtzeit-Steuerungssystemen
und schnellen Computer-
Backup-Systemen (Memory-
Mapping) stehen dagegen
eher minimale Latenzzeit und
eine sehr hohe Datentransferrate
im Vordergrund.
Generell lassen sich serielle
Buskonzepte aber in zwei
große Hauptgruppen unterteilen:
die klassischen schnellen
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
ohne Übertragungsprotokoll
und die Systeme mit einem
komplexeren Arbitrierungsprotokoll,
die für Netz-Topologien
mit Bus-Brücken und -Knoten
entwickelt wurden, aber auch
für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
eingesetzt werden können.
Vertreter der ersten Gruppe
sind GigaSTAR (1,32 Gbit/s)
und FibreChannel (1,06
Gbit/s), zur zweiten Gruppe
gehören etwa der FireWire
(0,4 Gbit/s) und der Universal
Serial Bus (0,0015/0,012
Gbit/s). Bei FireWire und USB
wurden in letzter Zeit leistungsfähigere
Standards verabschiedet:
Die Datenrate bei FireWire
(IEEE1394) wird in absehbarer
Zeit von derzeit 400
auf 800 Mbit/s steigen, die
nächste Version 2.0 des USB-
Standards weist bereits Datenraten
bis 480 Mbit/s aus.
Elektronik 2/2000 55

PORT A
D35
D0
freundliches 36-bit-Parallel-Interface mit standardmäßigen
Logikpegeln (3,3 V CMOS), um eine möglichst einfache Anpassung
an beliebige Applikationen zu ermöglichen.
Die Verbindung gestattet am Parallel-Interface eine Dauer-Übertragungsrate
bis zu 148,5 Mbyte/s. Dies entspricht
einem seriellen Bitstrom mit einer Nutzdatenrate von maximal
1,188 Gbit/s. Mit zusätzlichen Bits zur Synchronisation,
Paritätsprüfung und DC-Balancierung der Übertragung ergibt
sich eine maximale Bitrate durch die seriellen I/O-
Blöcke von 1,32 Gbit/s. Die Effizienz der Übertragung beträgt
somit 90 %. Mit einer Signallaufzeit für Sender und
Empfänger von je 40 ns berechnet sich die typische Gesamt-
Latenzzeit der GigaSTAR-Verbindung wie folgt (Bild 7):
t pd = (2 × 40 ns) + (4 ns/m × Kabellänge [m])
Dies entspricht 160 ns bei einer 20 m langen Verbindung
über STP-Kupferkabel (Shielded Twisted Pair).
Das Taktsystem
Die serielle Bit-Taktfrequenz von 1320 MHz wird durch
interne PLL-Stufen erzeugt. Sender und Empfänger benötigen
einen externen Referenztakt von 66 MHz. Eine fortlaufende
Phasenangleichung im Empfänger sorgt für die Synchronisation
des Empfangstaktes zum Sendetakt.
Das parallele Datenformat
Sowohl der Sender- als auch der Empfänger-Chip des
GigaSTAR-Systems sind, wie bereits erwähnt, mit einem
36-bit-Parallel-Interface ausgestattet. Die maximal 33 MHz
betragende Frequenz an dieser Schnittstelle entspricht einer
Periodendauer von 30 ns für die Signale WRCLK und
RDCLK. Die Übertragung eines extern generierten Paritätsbits
synchron zum parallelen Datenwort ist optional möglich.
Steht ein externes Paritätsbit zur Verfügung, so prüft
der Sender das Signal, bevor es übertragen wird. Liegt kein
externes Paritätsbit vor, generiert der Sender dieses Signal
automatisch. Sender und Empfänger besitzen Ausgänge
zur Anzeige von Paritätsfehlern.
Das serielle Datenformat
Der serielle Datenstrom ist ohne Gleichanteil und ermöglicht
so den Einsatz einer kapazitiven (AC-)Kopplung, wodurch
die vollständige Gleichstrom-Trennung der Verbin-
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
GigaSTAR GigaSTAR
Sender
INGT165
~
t = max. 20 m
tpd = 40 ns tpd = 4 ns/m . l(m)
Empfänger
INGR165
tpd = 40 ns
dung erreicht wird. Die Gleichtaktunterdrückung der seriellen
Daten gewährleistet eine eigene Codierung im Senderbaustein.
Kabel öffnet die Augen
B
D35
D0 PORT
Bild 7.
Eine komplette
Übertragungsstrecke
von 20 m
weist etwa eine
Signallaufzeit von
160 ns auf. Jeweils
40 ns benötigt das
Signal durch einen
Baustein und 80 ns
auf der Strecke
über das Kabel.
Keineswegs zu unterschätzen sind die hochfrequenten
Übertragungseigenschaften des Kabels, so dass dieses als
wichtige Komponente des Systems von Beginn an in die
Produktentwicklung miteinbezogen wurde. Zur Datenübertragung
über die weite Entfernung von rund 20 m sind
außer an die elektrischen Eigenschaften auch hohe Anforderungen
sowohl an die mechanische Stabilität des Kabels
als auch an eine sichere, verschraubbare Steckverbindung
für die Anbindung an das System zu stellen.
All diese Eigenschaften vereint ein sogenanntes Shielded-Twisted-Pair-Kabel
(geschirmte und verdrillte Zweidrahtleitung),
das mit angegossenen Sub-D-Steckern (DB-9)
bereits fertig konvektioniert in verschiedenen Längen angeboten
wird und standardmäßig über zwei Leitungspaare
verfügt. Mit zwei Leitungspaaren pro Kabel können so Hinund
Rückkanal in einem System realisiert werden (Vollduplex-Übertragung).
Bereits bei den Chip-Simulationen wurden die HF-Parameter
des Kabels konsequent berücksichtigt. Die entsprechenden
Daten haben die Kabelspezialisten von W.L. Gore
& Associates [1] in aufwendigen Charakterisierungen in
ihren US-Labors ermittelt.
Für die anvisierte Entfernung von 20 m war neben einer
möglichst konstanten HF-Impendanz von 100 Ω (differenziell)
inklusive der Steckverbindungen auch ein niedriger
Gleichstromwiderstand von großer Bedeutung, wobei das
STP-Kabel mit einem größeren Leiterquerschnitt hier deutliche
Vorteile gegenüber konventionellen Koaxial-Kabeln
wie etwa einem RG-174 zeigt.
Erste Feldversuche mit GigaSTAR-Bausteinen zeigten,
dass die simulierten Werte nicht nur erreicht, sondern z.T.
noch übertroffen werden konnten:
Bild 8 zeigt den differenziellen Pegel am Empfänger-Baustein
in Abhängigkeit von der Leitungslänge mit einem
Standard-STP-Kabel von Gore. Für diese Messungen wurde
ein Datenmuster gewählt, das für die Kabel-Übertragung
besonders anspruchsvoll ist: Auf eine Folge von
„Nullen“ bzw. „Einsen“, bei der das Kabel seinen maximalen
Spannungshub erreicht, folgt eine kurze „Eins-Null-
Eins“-Sequenz mit maximaler Datenrate, die der Empfän-
56 Elektronik 2/2000

ger noch sicher erkennen muß. Das Kabel wird dabei – nur
durch Kondensatoren entkoppelt – direkt von den zwei differenziellen
Ausgängen des GigaSTAR-Sendebausteins
INGT165B getrieben. Der Pegel am Eingang des Kabels beträgt
dabei rund 800 mV SS .
Wie die Messungen zeigen, wird das Signal nach 10 m
Leitungslänge nur um rund 40 % auf 460 mV gedämpft
und selbst nach der spezifierten Maximallänge von 20 m
stehen mit rund 270 mV immer noch fast 35 % des Eingangspegels
zur Verfügung. Bei einer Eingangsempfindlichkeit
des Empfängers von unter 150 mV beträgt die verbleibende
Pegelreserve immer noch 120 mV oder 80 % bezogen
auf die Eingangsempfindlichkeit.
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
Wurden diese Messungen noch mit Gores STP-Kabel und
einer einfachen externen Leitungskompensation (R-L-Kombination)
durchgeführt, so steht nun mit „Eye Opener Plus“
ein neuentwickeltes STP-Kabel von Gore zur Verfügung.
Durch die Verwendung verschiedener Materialien für den
Hin- und Rückleiter ändert sich der LC-Belag linear mit der
Länge: Das Kabel kompensiert sich damit selbst.
Erste Messungen mit den GigaSTAR-Bausteinen und
dem „Eye Opener Plus“-Kabel bestätigten die Vorteile dieser
neuen Konstruktion: Selbst nach 30 m Kabellänge liegt
hier der Pegel bei der maximalen Datenrate von 1,32 Gbit/s
noch bei knapp 340 mV und ist damit deutlich höher als
beim Standardkabel nach 20 m.
Elektronik 2/2000 Für schnelle Anfragen: Elektronik-Leserservice Seite 128 verwenden
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a)
c)
Neben weiteren Untersuchungen an den „Eye Opener
Plus“-Kabeln wird Inova Semiconductors auch eine neue,
kompakte Steckverbindung charakterisieren und sie bei
Eignung für die GigaSTAR-Applikations- und Piggyback-
Boards alternativ zum heutigen Sub-D-Stecker anbieten.
Der so genannte Micro-D-Stecker ist bei annähernd gleichen
mechanischen und elektrischen Daten gegenüber dem
heutigen Sub-D-Stecker um mehr als die Hälfte kleiner und
erlaubt damit speziell für Mehrkanal-GigaSTAR-Systeme
eine deutlich höhere Packungsdichte der Anschlüsse. gs
Literatur
[1] Mehr Informationen zu Kabeln von W.L.Gore unter:
www.gore.com/electronics
[2] www.inova-semiconductors.de
Bauelemente
Schnittstellen-ICs
Bild 8. Dämpfung des Signals auf der Übertragungsleitung: a) diff. Pegel 478 mV nach 5 m; b) diff. Pegel 460 mV nach 10 m;
c) diff. Pegel 312 mV nach 15 m; d) diff. Pegel 272 mV nach 20 m.
Robert Kraus war schon während seines
Studiums der Nachrichtentechnik
für verschiedene Zeitschriften als freier
Fachjournalist für Audio/Videound
Computertechnik tätig und konzipierte
in seinem Ingenieurbüro professionelle
Beschallungs- und Lichtanlagen
für die Bühnen- und Filmtechnik.
Nach Abschluß des Studiums arbeitete
er bei Motorola und war dort
in den letzten 14 Jahren in verschiedenen
Funktionen des Halbleiter-Bereichs tätig, davon 10 Jahre
im Management für die Bereiche Produkt-Entwicklung, -Fertigung
und Marketing. Neben einigen Sonderprojekten war er zuletzt
als Senior Manager verantwortlich für das weltweite System-
Engineering für Standardkomponenten im Automobil-Bereich,
bevor er im März 1999 die Geschäftsleitung der Inova
Semiconductors GmbH übernahm.
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b)
d)