Технология CompactPCI

DSP технологии на базе стандарта CompactPCI

### 4 поколение DSP - базовые технологии для систем компьютерной телефонии

В течение 1998-1999 годов в DSP технологиях произошел поворот от анонсирования новейших архитектур к массовому производству кристаллов. Уровень производительности, демонстрируемый компаниями-производителями современных DSP (Texas Instruments www.ti.com , Analog Devices www.analog.com , Motorola www.mcg.mot.com , Lucent www.lucent.com ), позволяет говорить о реализации следующего, 4 поколения цифровых систем обработки сигналов. Телекоммуникационные применения в настоящее время являются основными на рынке приложений DSP.

Современное состояние рынка телекоммуникаций и особенно систем компьютерной телефонии характеризуется несколькими важными показателями, которые оказывают сильное влияние на применяемые и развиваемые технологии. К этим рыночным показателям можно отнести:

- Резкое уменьшение времени, отводимого на разработку систем. Увеличение конкуренции, вызванное последствиями глобальной демонополизации рынка; агрессивная политика сравнительно небольших start-up компаний, обладающих know-how в новейших технологиях; - все это приводит к увеличению значимости фактора "time-to-market" и делают время выхода готовых систем на рынок главным параметром в конкурентной борьбе.
- Уменьшение стоимости разработок. Наличие большого количества "полуготовых" решений и увеличение роли системных интеграторов делает необходимым сокращение стоимости разработок.
- Увеличение риска при менеджменте проектов.Уменьшение сроков и стоимости разработок не оставляет ресурсов для отладки, устранения ошибок, усовершенствования опытных образцов систем. Новые модули и системы должны быть работоспособны и конкурентоспособны "с первого раза". Темпы развития отрасли не оставляют времени между окончанием разработки и распространением систем на рынке.
- Необходимость узкой специализации. Высокая конкуренция делает необходимым концентрировать ресурсы компаний на главных "изюминках" и тех технологиях и решениях, в которых компания является лидером рынка.

Все вышеперечисленные факторы важны при 20-25% ежегодном росте телекоммуникационного рынка, вызванного резким увеличением количества новых приложений и требованиями к гибкости и пропускной способности сетей передачи информации. К основным приложениям на телеком рынке и рынке систем компьютерной телефонии, требующим существенных DSP ресурсов, можно отнести:

- Передача голоса по сетям IP. (VoIP приложения). Требует сжатия голоса по спецификациям G729.A/G723.1;
- Обработка речи. Задачи по распознаванию речи, запись и воспроизведение для систем голосовой почты, диспетчерских систем, call-centers;
- Концентраторы доступа. Применение таких технологий, как ADSL, и использование цифровой обработки в высокоскоростных маршрутизаторах и шлюзах;
- Системы эхокомпенсации. Использование высококачественных цифровых фильтров;
- Многоканальные модемы. Увеличение числа каналов, одновременно обрабатываемых одним кристаллом DSP, - значительное повышение плотности в модемных концентраторах;
- Базовые станции для мобильной связи. Сжатие информации, поддержка различных протоколов;
- Обработка, сжатие и передача видеоизображений. Весь спектр приложений, работающих с видео, традиционно требует значительных DSP ресурсов.

Для всех прикладных алгоритмов, используемых в современных системах компьютерной телефонии, необходимы значительные вычислительные мощности. Именно DSP технологии позволяют в настоящее время реализовать многоканальные системы, требующие производительности в тысячи MIPS и MFLOPS. В таблице 3 приведена краткая информация по новейшим интегральным компонентам DSP технологий. Все эти кристаллы спроектированы с использованием новейших принципов построения вычислительных систем (RISC архитектуры с многоуровневым конвейером, технологии VLIW и SIMD).

Несомненным лидером рынка является Texas Instruments (TI). Доминируя на рынке DSP, процессоры от TI составляют 45%(!) общего объема. Анализ показывает, что на сегодняшний день преобладающей (и наиболее востребованной) на рынке является 16 разрядная архитектура с фиксированной точкой.

Следует отметить, что "кремниевая" реализация больших вычислительных DSP ресурсов - необходимое, но не достаточное условие применения этих технологий на рынке телекоммуникаций. Другим важным дополнительным ресурсом является программное обеспечение "низкого" уровня, или библиотеки, реализующие наиболее часто применяемые в коммуникационной среде алгоритмы компрессии, преобразования, цифровой фильтрации и др. Все компании - производители DSP предлагают системы разработки и отладки, компиляторы и библиотеки. Часто эти программные средства предлагаются так называемыми "третьими" компаниями, специализирующимися именно на программной поддержке DSP. И здесь опять большую роль играет фактор быстрейшего выхода на рынок не просто с аппаратной реализацией, а с комплексно поддержанной системой. Как уже упоминалось выше, у пользователей и системных интеграторов нет времени на разработку базовых программных системных средств и библиотек "нижнего" уровня. Texas Instruments является лидером и всегда предоставляет целый слой программного обеспечения практически одновременно с выходом на рынок очередного DSP продукта.

Таблица 3. DSP процессоры 4 поколения
Компания | DSP процессор | Тактовая частота | Архитектура | Встроенная память | Пиковая производительность
--- | --- | --- | --- | --- | ---
Analog Devices | Hammerhead | 100 МГц | SIMD 32 плав.точка | 500 KB | 200M 16р MACs 200М FP MACs
TigerSHARC | 300 МГц | VLIW, SIMD 32 плав.точка | ??? | 2000M 16p MACs 4000 MIPS
Lucent | 16210 | 100 МГц | 16 фикс.точка | 120 KB | 200M 16р MACs
16240 | 200 МГц | 16 фикс.точка | 120 KB | 800M 16р MACs
Lucent/Motorola | Star*Core | 300 МГц | VLIW, SIMD 16 фикс.точка | ??? | 1200M 16p MACs 3600 MIPS | Texas Instruments | C62x | 200-300 МГц | VLIW 16 фикс.точка | 128-896 KB | 500M 16p MACs 2000 MIPS
C67x | 167 МГц | VLIW 32 плав.точка | 72-128 KB | 333M 16p MACs 333М FP MACs

В таблице 4 приведена более подробная информация о семействах DSP-процессоров компании Texas Instruments.

Таблица 4. DSP процессоры Texas Instruments серии TMS320C6xxx
| C6201B | C6202 | C6203 | C6211 | C6701 | C6711
--- | --- | --- | --- | --- | --- | ---
Производительность | 1600 MIPS | 2000 MIPS | 2400 MIPS | 1200 MIPS | 1 GFLOPS | 900 MFLOPS
Память | 128K | 384K | 896K | 72K | 128K | 72K |
Цена | $80-100 | $110-170 | $130-190 | $20-40 | $110-170 | $20-50
Производство | 1999 | 1999 | 3 кв 2000 | 1999 | 1999 | 2 кв 2000

Процессоры серии С62xx и C67xx являются первыми высокопроизводительными кристаллами с архитектурой Very Large Instruction Word (VLIW). Применение такой архитектуры позволяет в этих процессорах одновременно исполнять до 8 32-разрядных команд. Именно эти DSP процессоры являются наиболее применяемой базой для построения специализированных вычислительных модулей в системах компьютерной телефонии.

### DSP модули в стандарте CompactPCI

Открытый международный стандарт CompactPCI (www.picmg.org , www.compactpci.ru ) предоставил разработчикам систем компьютерной телефонии несколько важных технологических решений и позволил приступить к реальному выпуску открытых телекоммуникационных платформ и шлюзов. К главным особенностям стандарта можно отнести:

- Повышение общей системной надежности за счет применения пассивной объединительной PCI магистрали со штыревыми разъемами, использования стандарта Евромеханики с возможностью тыльного ввода/вывода;
- Наличие дополнительной шины компьютерной телефонии H.110, позволяющей коммутировать до 4096 64К телефонных потоков;
- Возможность реализации систем c "горячей заменой": модулей ввода/вывода, а в супернадежных системах - и процессорных модулей;
- Открытость, т.е. возможность использования процессорных и коммуникационных модулей различных компаний в единой системе. Стандарт гарантирует совместимость аппаратных интерфейсов.

В настоящее время целый ряд компаний выпускает различные многопроцессорные DSP CompactPCI модули, ориентированные на системы компьютерной телефонии. Типичная архитектура построения сервера компьютерной телефонии или шлюза IP-телефонии на основе стандарта CompactPCI с применением DSP модулей базируется на крейте CompactPCI и использует две шины - общесистемную - PCI, и телекоммуникационную - H.110. Типовая структура включает управляющий системный процессор, коммуникационные интерфейсы и модули DSP ресурсов. При этом шина компьютерной телефонии H.110 используется для передачи телефонных потоков между коммуникационными и вычислительными ресурсами. Системная шина PCI используется для общего контроля и управления.

Системный процессор представляет собой, как правило, одноплатный компьютер с встроенными сетевыми и графическими интерфейсами и возможностью подключения flash памяти 24-140 МВ (Например, модель CPX5350 компании Motorola Computer Group: PentiumII, 300-500 МГц, 128-512МБ SDRAM, AGP video, 2 канала FastEthernet, SCSI и IDE интерфейсы, набор стандартных системных интерфейсов COM1,2, USB). В коммуникационных шлюзах и серверах компьютерной телефонии на этих одноплатных компьютерах наиболее часто применяется WindowsNT и Linux. Для выхода в сети передачи данных используются встроенные FastEthernet каналы. Для подключения к ATM сетям возможно использование дополнительных интерфейсных CompactPCI модулей.

Структура построения системы предполагает использование CompactPCI интерфейсов для реализации подключения к телефонным сетям. Такие интерфейсы, как правило, позволяют подключить 4-8 каналов Е1 с поддержкой различных протоколов и сигнализаций (R2, ISDN, SS7). Важной особенностью всех интерфейсов является использование шины компьютерной телефонии H.110.

DSP модули, применяемые в таких шлюзах компьютерной телефонии, выполняют функции многоканальной обработки телефонных потоков - сжатие, фильтрация, различные цифровые преобразования. Многоканальность - основное отличие современных CompactPCI DSP модулей. Параллельность необходима при организации шлюзов с подключением 4-8-16 потоков Е1 (120-240-480 телефонных каналов). DSP модули должны обеспечивать одновременную обработку (например, компрессию) десятков и сотен каналов. В таблице 5 приведена информация по номенклатуре выпускаемых CompactPCI DSP модулей. Большинство модулей формата 6U поддерживают интерфейс шины компьютерной телефонии H.110 и позволяют дополнительно подключать PMC мезонины для организации встроенных сетевых ресурсов. В таблице приведены данные по новейшим разработкам компаний. По данным консорциума PICMG (www.picmg.org) на декабрь 1999 номенклатура выпускаемых CompactPCI DSP модулей составляет 30 наименований.

В качестве примера более подробно будут представлены технические характеристики 3 DSP модулей компании Blue Wave Systems. Эти CompactPCI модули реализованы на разных процессорах, но направлены на телекоммуникационные применения и приложения в системах компьютерной телефонии.

Таблица 5. CompactPCI DSP модули.
Компания | 3U/6U | Тип DSP | Кол-во DSP | Память | Дополн. интерфейсы
--- | --- | --- | --- | --- | ---
Analogic (www.analogic.com) | 3U | ADSP2106x | 2 | 3 MB |
BittWare (www.bittware.com) | 3U | ADSP21160 | 4 | 64-512MB | PMC
6U | ADSP21160 | 8 | 128-512MB | 2 PMC
Blue Wave Systems (www.bluews.com) | 6U | TMS320C6201 | 4 | 16-64 MB | PMC, H.110
6U | TMS320C6202 | 8 | 32-128MB | PMC, H.110
6U | TMS320C6701 | 4 | 16-64 MB | PMC, H.110
6U | TMSC54x | 20 | 40 MB | PMC, H.110
Gespac (www.gespac.com) | 3U | TMS320C6201 | 2 | 12 MB | PC-MIP
Radisys (www.radisys.com) | 6U | TMS320C6201 | 4 | 32 MB | H.110
Spectrum Signal Processing (www.spectrumsignal.com) | 6U | TMS320C6202 | 8 | 32 MB | H.110
6U | TMS320C6701 | 4 | 16 MB | PMC
Real-Time Digital (www.real-time-digital.com) | 6U | Lucent 16210 | 32 | 16 MB | H.110

CPCI/C6400
6U CompactPCI модуль, возможность "горячей замены", интерфейс шины H.110;
4 DSP процессора TMS320C6201, 200 МГц, 16MB SDRAM на каждый процессор;
Пиковая производительность 6400 MIPS;
Возможность одновременного сжатия до 88 каналов по G.729A;
Возможность одновременной обработки до 56 каналов V.90;
Встроенный управляющий процессор Motorola MPC860 PowerQUICC;
Возможность коммутации до 192 телефонных каналов по H.110. (интерфейсная схема Lucent T8100);
Возможность подключения PMC мезонина.

CPCI/C6400F
6U CompactPCI модуль, возможность "горячей замены", интерфейс шины H.110;
4 DSP процессора TMS320C6701, 167 МГц, 16MB SDRAM на каждый процессор;
Пиковая производительность 4 GFLOPS;
Встроенный управляющий процессор Motorola MPC860 PowerQUICC;
Возможность коммутации до 192 телефонных каналов по H.110. (интерфейсная схема Lucent T8100);
Возможность подключения PMC мезонина.

CPCI/C5420
6U CompactPCI модуль, возможность "горячей замены", интерфейс шины H.110;
20 DSP процессора TMS320C54x, 100 МГц, 2MB SDRAM на каждый процессор;
Пиковая производительность 4000 MIPS;
Возможность одновременного сжатия до 40 каналов по G.729A + эхокомпенсация;
Возможность поддержки 120 каналов передачи голоса/fax/данных по IP одновременно;
5 встроенных управляющих процессоров Motorola MPC860 PowerQUICC;
Возможность коммутации до 192 телефонных каналов по H.110. (интерфейсная схема Lucent T8100);
Возможность подключения PMC мезонина.

Все перечисленные DSP модули могут использоваться в рамках открытой модульной телекоммуникационной архитектуры ComStruct.

### Программно-аппаратный набор ComStruct - пример модульной архитектуры для телекоммуникаций

В настоящее время вышеперечисленные требования рынка систем компьютерной телефонии требуют новых подходов к созданию законченных систем. Одним из наиболее передовых является построение систем на основе модульных программно-аппаратной структур. Компания Blue Wave Systems (www.bluews.com) предлагает комплекс ComStruct, который может служить основой построения различных открытых телекоммуникационных платформ и систем компьютерной телефонии. В частности, компанией Telogy Networks на основе ComStruct реализованы шлюзы для передачи голоса/fax/данных по IP-сетям.

Программно-аппаратный набор ComStruct может быть представлен как объединение трех основных компонентов:

- Аппаратное обеспечение на основе CompactPCI DSP модулей с использованием новейших процессоров серии TMS320C62xx. Эти модули, кратко представленные выше, имеют высокую вычислительную "плотность" в пересчете на слот и ориентированы на применение в системах компьютерной телефонии;
- Системное программное обеспечение, реализованное в виде пакета FACT (Framework Architecture for Communications Technologies) для управления и контроля телекоммуникационными ресурсами;
- Набор алгоритмов и библиотек для приложений "высокого" уровня, позволяющий минимизировать стадии разработки прикладного программного обеспечения.

Основные технические параметры DSP модулей были приведены выше. Следует подчеркнуть, что все представленные модули имеют однотипную структуру, предназначены для многоканальной цифровой обработки потоков данных и голоса и используют для коммуникаций шину компьютерной телефонии H.110.

Программное обеспечение FACT специально разработано для облегчения процессов создания и дальнейшего усовершенствования систем. В отличие от первых систем компьютерной телефонии, изготавливаемых как законченное решение "под ключ", пакет FACT предоставляет полный доступ к алгоритмам и имеет открытый программный интерфейс. Основные составляющие пакета FACT:

- Высокоуровневый API интерфейс к ресурсам DSP;
- FACT services для системного управления, организации передачи данных, работа с памятью и пр.;
- Драйверы для работы с DSP модулями;
- Встроенные в каждый используемый DSP модуль программные средства.

Применяя подход к построению систем на основе аппаратных и программных модулей, архитектура ComStruct позволяет использовать одни и те же структурные компоненты для реализации различных телекоммуникационных приложений. К наиболее часто применяемым приложениям можно отнести:

- Передача голоса по сетям передачи данных (Voice over Network);
- Базовые станции мобильной связи (Mobile communications);
- Обработка речевой информации и распознавание речи;
- Системы записи и архивации речевой информации.

Применение модульной программно-аппаратной архитектуры ComStruct позволяет успешно использовать современные DSP технологии для быстрого выхода на рынок систем компьютерной телефонии с готовыми системами, оптимизирует затраты на разработку и сохраняет возможности для дальнейшего наращивания функциональности. Используя уже отработанные программные и аппаратные компоненты, системные интеграторы и производители собственного оборудования могут обеспечить гарантию инвестиций и снизить общий риск при менеджменте проектов.

Приведенные характеристики современных интегральных DSP, а также модулей на их основе показывают возможности построения многоканальных шлюзов/серверов компьютерной телефонии. Стандарт CompactPCI является объединительной основой создания таких открытых телекоммуникационных платформ. Только на базе таких открытых технологий возможно создание современных масштабируемых систем с подключением значительных вычислительных DSP мощностей и использованием разнообразных телекоммуникационных ресурсов.

НАЗАД СОДЕРЖАНИЕ ВПЕРЕД