基于嵌入式應(yīng)用程序的USB 3.0 設(shè)計

　　USB 是微控制器 （MCU） 和基于微處理器的系統(tǒng)中最普遍的接口之一。然而，USB 背后的技術(shù)思想始終更多地集中在易用性和兼容性上——換句話說，即插即用體驗——而不是性能。新的 USB 3.0 標準最終提供了真正的高性能總線，最高速率為 5 Gbit/s，同時保持向后兼容性和所需的即插即用功能。隨著支持 USB 3.0 的 IC 和組件不斷涌入市場，設(shè)計團隊應(yīng)考慮為他們的項目增加對新風格的支持——無論他們是在通用主機或外圍設(shè)備上工作，還是在專業(yè)嵌入式應(yīng)用中依賴 USB。

　　USB 3.0 的案例在 PC 世界中是顯而易見的。由于英特爾已在其最新的 Ivy Bridge 處理器和芯片組平臺（稱為第三代英特爾酷睿系列）中加入了 USB 3.0 端口，因此大多數(shù)新 PC 都將集成 USB 3.0 端口。如果您在 PC 主機領(lǐng)域工作，有許多添加 USB 支持的選項，我們將在稍后討論。即使您選擇的處理器不支持 USB 3.0，以及您的設(shè)計是針對 IT 用途還是嵌入式用途，您也應(yīng)該考慮這種方法。隨著更多 USB 3.0 外設(shè)進入市場，這種性能可能會派上用場。

　　如果您正在使用 USB 3.0 外圍設(shè)備，那么您應(yīng)該再次考慮 USB 3.0 支持。如果您正在使用 USB 性能成為瓶頸的面向存儲或連接的設(shè)備，該建議尤其相關(guān)。

　　在嵌入式領(lǐng)域，USB 3.0 也將派上用場。許多嵌入式應(yīng)用程序需要存儲設(shè)備，例如傳統(tǒng)磁盤驅(qū)動器，或者正在迅速普及的固態(tài)磁盤驅(qū)動器。USB 3.0 將在系統(tǒng)級別顯著增強此類設(shè)備的性能。此外，USB 3.0 將支持更高保真度的傳感設(shè)備，例如更高分辨率的攝像頭，適用于從工廠車間的視覺檢查到 UAV（無人駕駛飛行器）中的目標跟蹤等應(yīng)用。

　　USB 3.0 基礎(chǔ)知識

　　在我們討論可用于 USB 3.0 設(shè)計的支持組件之前，讓我們快速討論一下新功能。USB 1.1 是該接口的第一個出貨版本，支持 1.5 Mbit/s 低速和 12 Mbit/s 全速模式。USB 2.0 在十多年前問世，并增加了 480 Mbit/s 高速模式?，F(xiàn)在，USB 3.0 增加了 5 Gbit/s 超高速模式。

　　然而，USB 3.0 包含的接口技術(shù)轉(zhuǎn)變比進化版本號上升可能暗示的要大得多。從本質(zhì)上講，USB 3.0 實際上是二合一的總線。USB 3.0 主機、集線器和外圍設(shè)備將包括構(gòu)成 USB 2.0 的傳統(tǒng)信號。USB 3.0 實施添加了兩對新的線對，用于傳輸全雙工 5 Gbit/s 數(shù)據(jù)。USB 3.0 連接器可能看起來很熟悉，但它們隱藏了額外的信號引腳，當您將 USB 3.0 主機和設(shè)備配對時，這些引腳就會發(fā)揮作用。

　　USB 3.0 還克服了早期版本的基本性能限制。USB 1.1 和 2.0 依靠主機不斷輪詢所有連接的設(shè)備，以查看是否有任何外圍設(shè)備有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。USB 3.0 添加了異步通知功能，允許外圍設(shè)備在需要總線時向主機發(fā)送信號。

　　協(xié)議的變化在實現(xiàn)的性能和功耗方面都很重要。由于接口的輪詢性質(zhì)，USB 2.0 設(shè)備通常只提供大約 30% 的最大帶寬。USB 實施者論壇表示，USB 3.0 應(yīng)提供至少 3.2 Gbits/s 的速率，以系統(tǒng)級為特征。

　　新協(xié)議還意味著 USB 3.0 設(shè)備不必一直保持供電來響應(yīng)主機輪詢。在與 USB 3.0 主機和外圍設(shè)備的鏈接中，外圍設(shè)備可以進入并長時間保持低功耗狀態(tài)。

　　當然，在 PC 世界中，我們很可能擁有 USB 3.0 和 USB 2.0 設(shè)備的混合環(huán)境。在某些情況下，這樣的混合可能會妨礙 USB 3.0 優(yōu)勢的完全實現(xiàn)。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計團隊可能會確保獨占使用 USB 3.0。這將允許設(shè)計既最大化性能又最小化功耗——嵌入式系統(tǒng)設(shè)計幾乎總是要求。

　　USB 3.0 主機控制器

　　現(xiàn)在我們將繼續(xù)討論您可能會在 USB 3.0 系統(tǒng)設(shè)計中使用的可用 IC，從主機控制器開始。德州儀器 （TI）提供一對主機控制器 IC，即兩端口TUSB7320RKMR和四端口USB7340RKMR（圖 1）。這兩款 IC 都依賴于與主機處理器的單通道 （x1） PCI Express （PCIe） Gen2 連接，并且在 USB 端無縫支持 USB 2.0 或 USB 3.0 下游設(shè)備。

　　圖 1：TI USB7340RKMR 主機控制器 IC 將主機處理器與 PCIe Gen2 總線鏈接到 USB 3.0 或 USB 2.0 外設(shè)。

　　這些 IC 集成了 USB 主機控制器 （xHCI） 設(shè)計中通常需要的功能。該控制器包含一個默認配置，可與 USB 大容量存儲類 （MSC）、人機接口設(shè)備 （HID） 和通信設(shè)備類 （CDC） 外圍設(shè)備一起使用。如果您需要支持自定義外設(shè)，可以選擇添加串行閃存。IC 在內(nèi)部生成所需的擴頻調(diào)制，以實現(xiàn)更快的 USB 3.0 數(shù)據(jù)傳輸。

　　您可以使用任何包含 PCIe Gen2 擴展總線的主機處理器輕松部署 TI 控制器 IC。許多這樣的應(yīng)用程序?qū)⒃诨?x86 處理器和 PC 架構(gòu)的系統(tǒng)中，無論手頭的應(yīng)用程序是嵌入式的還是以 IT 為中心的。然而，TI 表示，它希望控制器 IC 能夠在機頂盒、游戲機和智能電視等應(yīng)用中找到用途。USB 3.0 設(shè)備的更大帶寬使總線能夠在此類應(yīng)用中處理高清視頻流。

　　外設(shè)控制器 IC

　　轉(zhuǎn)到鏈路的外設(shè)方面，賽普拉斯半導體是率先推出 USB 3.0 芯片的公司之一。CYUSB3014 -BZXIUSB 3.0 外圍控制器 IC 集成了一個支持高達 200 MHz 時鐘速度的 ARM926EJ 內(nèi)核。您還會看到賽普拉斯將 IC 稱為 EZ-USB FX3。

　　圖 2 包括賽普拉斯 IC 的框圖。有多種方法可以將外部組件連接到外圍控制器 IC。正如您在框圖底部看到的那樣，IC 包括許多串行接口。UART 以 4 Mbits/s 的速度運行。I2C 接口的最大工作頻率為 1 MHz。串行外設(shè)控制器 （SPI） 接口的最大運行頻率為 33 MHz。I2S 以音頻為中心的接口僅用于傳輸，并支持高達 48 kHz 的采樣率。

　　圖 2：賽普拉斯在其 CYUSB3014-BZXI USB 3.0 外圍控制器 IC 上集成了一個 ARM9 內(nèi)核和許多典型的 MCU 串行接口。

　　賽普拉斯還集成了它所謂的通用可編程接口 （GPIF II），它支持 8 至 32 位并行連接，時鐘速率高達 100 MHz。名稱中的 II 指示符反映該接口是賽普拉斯在 USB 2.0 外圍控制器 IC 上使用的 GPIF 實現(xiàn)的下一代版本。事實上，以前使用 GPF 并為接口開發(fā)外部電路的設(shè)計團隊應(yīng)該能夠重用該工作。賽普拉斯還提供 GPIF II 設(shè)計器工具，允許您配置片上狀態(tài)機，以支持與外部設(shè)備（如緊湊型閃存設(shè)備）的標準和專有接口。

　　集成的 ARM 內(nèi)核將能夠處理許多 USB 3.0 外圍應(yīng)用，而無需額外的 MCU 或微處理器。該 IC 集成了 512 KB 的 SRAM 存儲器以及數(shù)據(jù)和代碼緩存。您可以通過 USB、I2C、SPI 或 GPIF II 啟動處理器。這種靈活性意味著引導代碼可以存儲在各種設(shè)備中，從低成本串行閃存到磁盤驅(qū)動器，再到連接到輔助處理器的存儲器。當您的應(yīng)用需要輔助處理器時，您可以輕松地將 MCU 連接到主模式或從模式的 GPIF II，并且您可以以相同的方式支持外部存儲器。

　　賽普拉斯表示，外圍控制器非常適合下一代 USB 3.0 外圍設(shè)備，例如視頻和靜態(tài)相機、打印機和掃描儀——所有這些都需要傳輸富媒體流。該公司還確定了許多專業(yè)嵌入式應(yīng)用，例如醫(yī)學成像、機器視覺和監(jiān)控，其中 USB 3.0 將實現(xiàn)更高水平的圖像保真度。

　　特定于應(yīng)用的 SOC

　　USB 3.0 的性能潛力肯定會很快帶來廣泛的特定于應(yīng)用的 SOC 設(shè)備的選擇。雖然這項技術(shù)肯定很年輕，但首批此類 SOC 正在上市，例如 TI 的TUSB9261PVPUSB 3.0 轉(zhuǎn) SATA-II 橋接 IC。您可以使用該 IC 快速設(shè)計產(chǎn)品，例如連接 USB 3.0 的外部磁盤驅(qū)動器。更復(fù)雜的應(yīng)用包括集成磁性或固態(tài)存儲的便攜式媒體播放器。

　　圖 3 描繪了 IC 架構(gòu)。TI 基于 ARM? Cortex-M3 內(nèi)核的 IC。本質(zhì)上，該設(shè)備是一個特定應(yīng)用的 MCU。它集成了內(nèi)存和大量 I/O 功能，包括 USB 3.0 和 SATA II。設(shè)備首先嘗試通過 USB 3.0 連接到主機。如果在訓練序列超時后該連接失敗，則 IC 將以主機支持的最大速度啟用 USB 2.0 連接。

　　圖 3：TI TUSB9261PVP 基于 ARM Cortex-M3 提供 USB 3.0 和 SATA II 之間的橋梁，可以處理集成大容量存儲的便攜式媒體播放器等應(yīng)用。

　　實際上，設(shè)計團隊可以在任何適合這些功能的應(yīng)用中使用 TTUSB9261PVP。雖然 TI 為外部磁盤驅(qū)動器等應(yīng)用提供內(nèi)置支持，但設(shè)計團隊確實有能力對 Cortex-M3 進行編程。您可以通過 SPI 連接的內(nèi)存將自定義代碼加載到內(nèi)核中。

　　USB 3.0 集線器 IC 是應(yīng)用特定功能的另一個示例。與早期版本的 USB 一樣，集線器是總線分層星形拓撲的構(gòu)建塊。TI 為此類應(yīng)用提供了TUSB8040PFP USB 3.0 4 端口集線器 IC。該 IC 本質(zhì)上集成了一個 USB 2.0 集線器和一個 USB 3.0 集線器。它支持上游到主機和下游到外圍設(shè)備的任一接口版本。

　　圖 4 顯示了集線器 IC 的多功能性。您可以看到該設(shè)計如何無縫支持下游的 USB 1.1 設(shè)備。此外，系統(tǒng)可以包含 USB 2.0 和 USB 3.0 集線器以及設(shè)備的混合。

　　圖 4：諸如 TI TUSB8040PFP 之類的 USB 3.0 集線器 IC 必須同時包含 USB 2.0 和 USB 3.0 集線器功能，以實現(xiàn)與基于任何類型的普遍 USB 標準的設(shè)備的上游和下游連接。

　　我們也開始看到其他支持 USB 3.0 設(shè)計的 IC 出現(xiàn)，最終簡化了交付子系統(tǒng)和系統(tǒng)級產(chǎn)品的任務(wù)。例如，Pericom提供PIEQX7741/42 USB 3.0 線路驅(qū)動器 IC。這些 IC 也稱為 ReDrivers，包括可編程均衡器，可確保產(chǎn)品能夠在 3 m 最大電纜長度上進行 USB 3.0 連接。Pericom IC 支持兩個 USB 3.0 端口所需的兩個信號對。

　　同樣，TI 在SN65LVPE502RGER USB 3.0 線路驅(qū)動器 IC 中提供 ReDriver 功能。該 IC 處理單個 USB 3.0 端口并提供可編程均衡、去加重和輸出擺幅控制。

　　連接器、電纜和集線器

　　在介紹了 IC 空間之后，我們應(yīng)該在結(jié)束之前討論實際 USB 3.0 設(shè)計所需的其他組件。您可能會認為連接器和電纜等元素的技術(shù)含量相對較低，幾乎不值得細細看，但在 USB 3.0 之后，連接器和電纜的情況發(fā)生了很大變化。請記住，正如我們前面所討論的，USB 3.0 實際上是兩個接口合二為一。如果不專門使用為新標準設(shè)計的連接器，您將無法獲得 USB 3.0 的好處。

　　TE Con??nectivity 為我們提供了一個很好的例子，因為該公司提供您在系統(tǒng)中可能需要的大部分連接器。USB 鏈接的主機端使用我們最熟悉的纖薄 USB 連接器，例如 USB 鼠標上的連接器。該連接器稱為 A 型連接器。對于此類鏈路的主機端，TE Con??nectivity提供1932258-1 USB 3.0 A 型插座，該插座通常焊接在 PCB 上（圖 5）。1932355-1 USB 3.0 堆疊式2 端口 A 型插座提供兩個用于雙端口實施的插座。

　　對于主機連接的電纜端，TE Con??nectivity 提供1932266-1 USB 3.0 插頭。USB 外圍設(shè)備（例如外部磁盤驅(qū)動器）使用不同類型的連接器，稱為 B 型連接器。TE Con??nectivity 為此類產(chǎn)品提供1932259-1 USB 3.0 B 型插座。

　　許多其他公司提供各種配置的 USB 3.0 連接器。該列表包括來自Amphenol、Assmann WSW Components、CNC Tech、EDAC、Hirose Electric、JAE Electronics和Würth Electronics的可用產(chǎn)品。

　　幾個來源提供 USB 3.0 電纜，包括伍爾特。CNC Tech 提供USB 3.0 A 型到 A 型電纜和USB 3.0 A 型到 B 型電纜。

　　支持 USB 3.0 的集線器可能很快就會廣泛使用。如果您需要在您的開發(fā)項目中使用，Assmann WSW Components 提供DA-70230-1 USB 3.0 4 端口集線器。

　　結(jié)論

　　好消息是，盡管 USB 3.0 的開發(fā)過程很漫長，但您沒有理由不為您的下一個設(shè)計考慮該技術(shù)。事實上，該技術(shù)對于嵌入式專業(yè)系統(tǒng)可能比對于 PC 世界更有價值。USB 3.0 可以有效地將保真度更高的外圍設(shè)備連接到系統(tǒng)，例如可能針對空中監(jiān)視或醫(yī)療應(yīng)用的高清攝像機。如果您可以在一個系統(tǒng)中使用所有 USB 3.0 設(shè)備，您將實現(xiàn)比使用 USB 2.0 更低的系統(tǒng)功耗。目前，USB 3.0 的成本可能會高一些，但對于需要這種性能的應(yīng)用程序來說，您可以得到更快的傳輸速率。