Implementierung der West Bridge in schnellebigen

Implementierung der West Bridge in schnellebigen Mobiltelefon-Architekturen
By Hussein Osman, Systems Engineer, West Bridge Business Unit, Cypress Semiconductor Corp.
Mobiltelefone entwickeln sich zusehends zu multifunktionalen Geräten, in denen mehrere Technologien zusammengefasst
sind. Features wie z. B. Internetzugang, Wi-Fi, Musik-Player-Funktionalität, GPS-Navigation, eine hochwertige Digitalkamera,
Bluetooth und ein standardmäßiges PC-Interface mit der Möglichkeit, Programme zu entwickeln und hinzuzufügen, stehen zur
Verfügung. Mit fortschreitender Integration sind die Designer von Handheld-Produkten gefordert, Audio-, Video-, Internet- und
Navigations-Funktionalität in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Wie der Erfolg beispielsweise des iPhone zeigt, werden
Handys benötigt, die auf mehr Speicher zugreifen und schnellere Peripherie-Schnittstellen nutzen können, um mit dem ständig
wachsenden Umfang an Multimedia-Daten fertig zu werden.
Schon jetzt sehen sich Mobiltelefon-Designer mit der Tatsache konfrontiert, dass der Markt strikte Vorgaben macht, was den
Stromverbrauch, die Feature-Ausstattung und den Preis betrifft. Die Nachfrage nach Multimedia-Features setzt mehr Speicher
und schnellere Verbindungen voraus, was wiederum direkte Rückwirkungen auf Preis und Größe des Mobiltelefons hat und
die Palette der realistisch implementierbaren Optionen einschränkt. Eines kommt erschwerend hinzu: Während bei der
Herstellung von Prozessoren ungefähr alle zwei Jahre auf eine andere Prozessstufe übergegangen wird, ändert sich die
Speicher-Technologie alle sechs Monate. Handy-Designer müssen also den richtigen Mittelweg wählen zwischen der
Schaffung einer stabilen und ausgereiften Plattform und der Einbindung aktuellster Features der nächsten Generation, die
mehr Speicher und schnellere Interfaces voraussetzen. All dies natürlich, ohne die Gesamt-Abmessungen, den
Stromverbrauch oder die Kosten ausufern zu lassen.
Einen ähnlichen Trend gab es Anfang der neunziger Jahre auf dem PC-Sektor. Seinerzeit herrschte bei der PC-Peripherie ein
so hohes Entwicklungstempo, dass die Prozessorhersteller nicht schnell genug mit neuen Prozessoren auf den Markt
kommen konnten. Intel reagierte hierauf mit der Einführung der ‚North Bridge‘ und der ‚South Bridge‘, über die der Prozessor
an den Speicher und die übrige Peripherie angeschlossen wurde. Für die Prozessorhersteller hatte dies den Vorteil, dass sie
einerseits auf die unmittelbaren Erfordernisse der PC-Hersteller eingehen konnten und andererseits genügend Zeit hatten, die
nächste Generation von Prozessor-Chipsätzen zu realisieren. Eine ähnliche, als ‚West Bridge‘ bezeichnete Brückenlösung in
Mobiltelefonen kann Designern die nötige Flexibilität verleihen, um kurze Designzyklen zu erzielen, gleichzeitig aber
zuverlässige und schnelle Schnittstellen zu den neuesten Speichern und anderen Peripheriefunktionen bereitzustellen.
Wachsender Arbeits- und Massenspeicherbedarf
Gemessen am Umfang der zu übertragenden Daten ist die Größe des internen Speichers in einem Mobiltelefon sehr begrenzt.
Ausbauen lässt sich die Speicherkapazität, indem die Gerätearchitektur durch SD- oder MMC-Speicher ergänzt wird.
Gegenüber der Erweiterung des internen Speichers ist dies zweifellos eine attraktive Option, die für den Hersteller nur geringe
Mehrkosten mit sich bringt.
Für den internen Massenspeicher mobiler Geräte bietet sich NAND-Flash an, das pro Bit wenig kostet, höhere Speicherdichte
bietet und kompakter ist. Welche Art von NAND-Bausteinen verwendet werden kann, wird durch die Implementierung des
NAND-Controllers eingeschränkt. In Frage kommen SLC- (Single-Level Cell) und MLC-Speicher (Multi-Level Cell). MLC-
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Bausteine gewinnen an Beliebtheit, da sie bei gleichem Preis eine höhere Dichte bieten. Der Großteil der auf dem Markt
angebotenen Mobil-Prozessoren aber unterstützt höchstens SLC-NAND, wenn überhaupt NAND-Support geboten wird.
Allerdings gibt es auch Geräte, die sich beim Ausbau des internen Speichers die Kostenvorteile der MLC-NAND-Technik
zunutze machen.
Alle NAND-Speicherchips setzen seitens des Controllers einen gewissen Aufwand voraus, um die Lebensdauer der
verwendeten Speicherchips zu maximieren. Erstens muss der Controller über die Zahl der schadhaften Blöcke Buch führen.
Für dieses ‚Bad Block Management‘ werden solche Blöcke, die bereits bei der Auslieferung defekt sind, vom Hersteller
markiert. Andere Blöcke jedoch werden erst während des Gebrauchs schadhaft. Darüber hinaus können im Controller so
genannte ‚Wear-Leveling‘-Verfahren implementiert sein, die für eine gleichmäßige Ausnutzung der Speicherblöcke sorgen,
indem sie die Schreibzugriffe einheitlich auf den gesamten Baustein verteilen. Mithilfe seiner ECC State Machine sollte der
Controller außerdem für die richtige Fehlerbehandlung sorgen. Der Umfang des NAND-Management-Supports ändert sich mit
dem Umstieg auf neuere Prozesstechnologien, und NAND-Flash-Speicher selbst gehören heute zu den schnellebigsten
Technologien auf dem Speichersektor.
Zurzeit nutzt die Mehrzahl der Architekturen für mobile Geräte nicht alle potenziellen Performance- und ZuverlässigkeitsFähigkeiten der NAND-Flash-Technik aus, und es kommt hinzu, dass auch die Speicherdichten zunehmen. Allerdings sind
Mobil-Prozessoren nicht in der Lage, mit all diesen Änderungen Schritt zu halten. Für Mobil-Architekturen muss deshalb die
Möglichkeit geschaffen werden, geänderte NAND-Flash-Anforderungen schnell und effizient zu berücksichtigen, wenn die
Designer fähig sein sollen, die Flexibilität des fest eingebauten und des austauschbaren Speichers zu wahren und gleichzeitig
für maximale Performance zu sorgen.
Error Correction Requirements
10
MLC
8
Detect
Bits
6
(ECC)
4
SLC
2
7x
9x
Process
4x
5x
Technology
Grafik 1
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Durchsatzanforderungen
Multimedia-Applikationen verlangen von mobilen Geräten und PCs die Fähigkeit, große Datenmengen zu bewältigen, wenn
man davon ausgeht, dass der heimische PC in der Regel für das Management der Multimedia-Daten genutzt wird, die per
Sideloading an das Handy übertragen werden. Dieses Sideloading erfolgt meist über ein USB-Kabel direkt zwischen
Mobiltelefon und PC. Studien haben ergeben, dass etwa 80 % der Anwender, die ihr Handy zum Musik hören nutzen, die
Musikdateien von einem PC an das Mobiltelefon überspielen. Bei Bilddateien, Videos und Spielen ist es ähnlich. Wirkliche
Mobilität verlangt deshalb nach einer Möglichkeit, Daten schnell an mobile Geräte zu übertragen, sowie danach, dass in
diesen mobilen Geräten große Speicherkapazität für diese Daten verfügbar ist. Erst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind,
ist die Akzeptanz beim Anwender gewährleistet.
Durch sein stabiles, sorgfältig ausgearbeitetes Protokoll und seine hohe Datenrate ist der Universal Serial Bus (USB) das
bevorzugte Kommunikationsmedium zwischen Handy und PC. Low-Speed USB wird vorwiegend für HID-Applikationen
(Human Interface Device) wie etwa Tastaturen oder Mäuse genutzt, während man Full- und High-Speed USB für
Datentransfers mit 12 bzw. 480 MBit/s einsetzt. In Mobil-Prozessoren der aktuellen Generation ist die Full-Speed USBFunktionalität bereits integriert, doch reicht Full-Speed USB bereits jetzt nicht mehr aus, um die umfangreichen Datentransfers
für Multimedia-Funktionalität abzuwickeln.
Die Designer können nicht warten, bis die Prozessorhersteller High-Speed USB in ihrer nächsten Produktgeneration
unterstützen. Stattdessen nutzen sie einen speziellen USB-Controller zur Implementierung dieser Funktionalität, solange ein
integrierter Support noch nicht verfügbar ist. Leider ist jedoch die Arbeitsbelastung für den Haupt-Applikationsprozessor umso
größer, je höher der Durchsatz dieser Schnittstelle ist.
Eine Möglichkeit, die Auslastung des Prozessors zu verringern, ist das Hinzufügen eines weiteren Prozessors, dem die
Kommunikation mit dem PC und das Management des internen NAND-Speichers übertragen werden. Der PerformanceGewinn steht zweifellos auf der Haben-Seite dieser Lösung. Andererseits jedoch wirkt sich das Hinzufügen eines zweiten
Prozessors auf den Preis, die Abmessungen und den Stromverbrauch aus. Eine Alternative wäre es, die Daten-Downloads
über das Mobilfunknetz abzuwickeln. Die Netze sind jedoch schon jetzt chronisch überlastet, was durch umfangreiche
Datentransfers vom PC nur noch schlimmer würde. Abgesehen davon möchten die Anwender natürlich weder mehr Geld für
die Netzwerknutzung zahlen noch den geringen Durchsatz und die Unzuverlässigkeit der drahtlosen Verbindung in Kauf
nehmen – von der Komplexität des Vorgangs ganz zu schweigen, wenn man erst einmal den Komfort des Direktanschlusses
von Geräten an den PC gewohnt ist. Unter dem Strich kann somit keine dieser Alternativen auch nur die MinimalAnforderungen der Kunden erfüllen.
Das Konzept der West Bridge
Auch wenn sich die Hersteller von Mobil-Prozessoren noch so beeilen, neue Speicher- und Peripherieschnittstellen zu
integrieren, bleibt das Problem bestehen, dass am Horizont bereits neue Schnittstellen erscheinen. Bei den Secure Digital
Cards (SD) etwa wird es bis Jahresende eine Kapazitätssteigerung von 4 GB auf 8 GB und schließlich auf 16 GB geben. Die
als Massenspeicher dienende NAND-Flash-Technologie gehört in Systemen dieser Art zu den Technologien mit dem
höchsten Entwicklungstempo, zumal mit jeder neuen NAND-Flash-Generation auch verbesserte ECC-, Wear Leveling- und
Bad Block Management-Implementierungen eingeführt werden. Voraussichtlich wird auch die neue USB 3.0 Super-Speed
Spezifikation (4,8 GBit/s) in diesem Jahr fertiggestellt werden. Für die Designer stellt es eine beständige Herausforderung dar,
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dass die in diesen mobilen Systemen verwendeten Prozessoren bei der Integration und Unterstützung dieser sich schneller
wandelnden Technologien stets hinterherhinken.
Ähnliche Probleme gab es im vergangenen Jahrzehnt, als sich die PCs zu dem entwickelten, was sie heute sind. Wie bereits
angesprochen, wurden als Lösung die North Bridge und die South Bridge als direkter Pfad zwischen den Peripheriefunktionen
eingeführt. North Bridge und South Bridge zählen zu den wichtigsten Bauelementen auf einem PC-Motherboard, denn sie
entscheiden über den zu verwendenden Prozessortyp ebenso wie über Geschwindigkeit und Bauart des Speichers, und
außerdem entkoppeln sie die Entwicklung des Systemprozessors vom übrigen System. Die North Bridge schließt den
Prozessor an die schnellen Grafik-Busse an, enthält einen Speicher-Controller und stellt die Verbindung zur South Bridge her,
die ihrerseits die Schnittstelle zur seriellen und parallelen I/O-Peripherie (SATA, IDE, USB usw.), zum PCI-Bus, zur On-BoardGrafik und zum System-BIOS bildet.
CPU
North
Bridge
Memory
South
Bridge
Peripherals
Mit Blick auf Durchsatzprobleme in Mobiltelefonen gilt es, die Engpässe in der gegenwärtigen Architektur aufzudecken. Der
Hauptprozessor in einem Handy ist einerseits an den HF-Teil angeschlossen und kontrolliert andererseits das Display, die
Tastatur, den Speicher, den Audio-Teil, die Kamera und die Anbindung an den PC sowie die übrige Peripherie. Die Zahl der
vom Hauptprozessor wahrgenommenen Aufgaben ist folglich so groß, dass ein Auslagern dieser Tasks die Performance des
Mobiltelefons und die gesamte Nutzererfahrung erheblich verbessert. Auf diese Weise lässt sich der zunehmende Zwang zur
Steigerung des Datendurchsatzes lockern, ohne einen zweiten Prozessor hinzufügen oder den Netzwerk-Traffic verstärken zu
müssen.
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SDRAM
3
Memory
BB
uP
2
Bus I/F 1
1
Memory
Bus I/F 2
USB
Controller
4
NAND /
SD
Damit ein Datenpaket im angeschlossenen Massenspeicher abgelegt werden kann, muss am Prozessor ein Interrupt
ausgelöst werden. Sobald der Prozessor bereit ist, überträgt er die Daten zur Pufferung in das SRAM und kopiert sie von dort
in den Massenspeicher. Während dieses Vorgangs können mehrere weitere Interrupts am Prozessor auflaufen, der sich dann
anderen Tasks höherer Priorität widmen muss. In Bild 3 ist erkennbar, dass die Speicherschnittstelle des Prozessors vom
USB-Controller und vom Massenspeicher mitbenutzt wird. Eine solche Architektur weist deshalb mehrere Engpässe auf und
bewirkt, dass der Prozessor über lange Zeitspannen aktiv bleibt.
Um die Übertragungsrate anzuheben und die Energieeffizienz zu verbessern, ist es notwendig, den Prozessor aus dem
Datenpfad herauszunehmen. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass die Daten ohne Bus-Stau auf direktem Weg vom
Host-PC zum Massenspeicher gelangen können. Eine Brücken-Lösung erfüllt nicht nur alle diese Anforderungen, sondern
bringt auch die nötige Mehrleistung mit, ohne dass ein weiterer Prozessor hinzukommt. Sie beseitigt Staus auf dem
Speicherbus des Prozessors und gibt dem Prozessor die Möglichkeit, sich während der Datentransfers anderen Aufgaben zu
widmen oder in den Sleep-Status zu wechseln. Zu alledem wird die Speicher-Prozesstechnologie von der des Prozessors
abgekoppelt. Eine mit Brücken bestückte Mobiltelefon-Architektur stellt sich wie folgt dar:
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R
F
BB
High Speed
USB
NAND /
SD
Direct
Path
Diese zur Unterscheidung von den North und South Bridges des PC als ‚West Bridge‘ bezeichnete Architektur entlastet den
Prozessor von der Datenübertragung zwischen PC und Mobiltelefon und ermöglicht Anwendern ein schnelles Sideloading. Die
West Bridge dient als Bindeglied zu den neuesten NAND-, SD-, MMC- oder HDD-Speichern und kann, da ihre
Entwicklungszyklen kürzer sind als die der Prozessoren, der technologischen Entwicklung dieser Speicher besser folgen. Sie
unterstützt Standard-Schnittstellen zum Anschluss an den Hauptprozessor und beseitigt damit insgesamt die wichtigsten
Restriktionen auf dem Weg zwischen dem PC des Anwenders und dem internen oder externen Speicher des mobilen Geräts.
In Bild 3 wird anschaulich, wie die West Bridge einen direkten Weg zwischen Host-PC und Massenspeicher einrichtet. Bei
einer solchen Architektur erfolgt ein Interrupt des Prozessors nur bei Bedarf, sodass erheblich Energie gespart werden kann,
während sich der Prozessor im Sleep-Status befindet. Bridges lassen sich rasch auf die jeweils neueste NAND-FlashTechnologie abstimmen, um die MLC-Technik mit ECC, Wear Leveling und das Bad Block Management zu unterstützen.
Verglichen mit dem Hinzufügen eines zweiten Prozessors sind die Kosten für eine West Bridge minimal. In einem System mit
einem zusätzlichen, speziellen High-Speed USB-Controller stellen Bridges wegen der Gewinne, die sich mit geringen
zusätzlichen Materialkosten erzielen lassen, eine logische Ergänzung dar. Selbst bei Mobilgeräten, in denen die USBFunktionalität in den Prozessor integriert ist, ergeben sich spürbare Performance-Steigerungen und Energieersparnisse.
Wie erwähnt, ist das Entwicklungstempo bei den mobilen Geräten hoch, und die unterstützten Features werden zunehmend in
einem Gerät zusammengefasst. Die von diesen Produkten generierten und per Sideloading übertragenen Datenmengen
verlangen nach großzügig bemessener Speicherkapazität und einer schnellen Anbindung an den stationären PC des
Anwenders. USB ist heute die bevorzugte Schnittstelle, doch unterstützen die meisten aktuellen Prozessoren nur Full-Speed
USB, sodass kein ausreichender Durchsatz für die zu übertragenen Daten geboten wird. Interne und externe Speicher werden
in einem Tempo weiterentwickelt, mit dem die Prozessoren nicht Schritt halten können.
Die West Bridge ermöglicht es den Designern, mit der schnellebigen Speicher- und Peripherie-Technologie Schritt zu halten,
und zeichnet sich außerdem durch geringen Stromverbrauch und niedrige Systemkosten aus. Bridges hatten entscheidenden
Anteil am Erfolg des PC, denn sie sorgten für eine bessere Nutzererfahrung. Mit einer West Bridge können Handy-Designer
den Erfolg, den die North und South Bridges bei den PCs hatten, wiederholen und damit den Mobiltelefon-Markt entscheidend
voranbringen.
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