嵌入式應(yīng)用的 USB 3.0 鏈路共享

　　USB 3.0 端口可通過(guò)分離超高速端口和標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈路共享功能。目前，鏈路共享是賽普拉斯 HX3 USB 3.0 集線器控制器的獨(dú)有功能。本文將介紹如何在擴(kuò)展塢、筆記本電腦、電視機(jī)、機(jī)頂盒等嵌入式應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn) USB 3.0 鏈路共享。

　　HX3 控制器是賽普拉斯 USB 3.0 集線器控制器家族的產(chǎn)品，符合 USB 3.0 規(guī)范版本 1.0 標(biāo)準(zhǔn)。該款控制器的所有端口均支持超高速 (SS)、高速 (HS)、全速 (FS) 以及低速 (LS) 操作。它集成了終端電阻、上拉電阻和下拉電阻，并支持pin-straps引腳設(shè)置選項(xiàng)，以減少系統(tǒng)的整體物料成本。HX3 控制器配有賽普拉斯獨(dú)有的共享鏈路功能，能夠從四端口 USB 3.0 集線器提供 8 個(gè)下行 (DS) 端口。

　　共享鏈路功能可以將集線器的 USB 3.0 DS 端口分為嵌入式超高速端口和標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口。共享鏈路能夠支持多達(dá) 8 個(gè)來(lái)自四端口 USB 3.0 集線器的 DS 端口。而標(biāo)準(zhǔn) USB 3.0 端口配有 8 條信號(hào)線：2 條用于 USB 2.0 通信 (D +，D-)，4 條用于超高速通信 (SSTX +，SSTX-，SSRX +，SSRX-)，2 條用于 VBUS 和 GND 的電源線。如圖 1 所示。

　　圖 1標(biāo)準(zhǔn) USB3.0 端口(來(lái)源: 賽普拉斯)

　　VBUS 使能信號(hào) (DSx_PWREN) 能夠控制傳輸 VBUS 信號(hào)到已連接的 USB 3.0 設(shè)備。DSx_PWREN 信號(hào)與過(guò)流信號(hào) (DSx_OVRCURR) 一同實(shí)現(xiàn)可插拔 USB 3.0 端口的過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)端口出現(xiàn)過(guò)流，連接到端口電源開(kāi)關(guān)輸出使能引腳的 DSx_PWREN信號(hào) 能夠關(guān)閉端口電源。

　　而向后兼容性需要用到 USB 2.0 信號(hào)線。當(dāng)超高速設(shè)備(USB 3.0 設(shè)備)插入 USB 3.0 端口時(shí)，只有超高速線路能夠進(jìn)行通信，此時(shí)該特定端口的 USB 2.0 線路為空閑線路。同樣地，當(dāng)高速設(shè)備(USB 2.0 設(shè)備)插入 USB 3.0 端口時(shí)，超高速線路空閑。因此，在 USB 3.0 端口中，根據(jù)已連接的設(shè)備(超高速設(shè)備或 USB2.0 設(shè)備)，任何指定時(shí)間的點(diǎn)，超高速線路或 USB 2.0 線路只有其中一種線路在運(yùn)行。

　　共享鏈路功能使 USB 3.0 DS 端口可分離為 2 個(gè)獨(dú)立端口，一個(gè)嵌入式超高速端口和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口，從而有效地利用多余的線路。例如，如果嵌入式超高速設(shè)備(如 USB 3.0 攝像機(jī))連接到其中一個(gè) DS 端口上，HX3 控制器能夠讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用該特定端口的 USB 2.0 信號(hào)來(lái)連接到標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口。圖 2 顯示了如何在系統(tǒng)中運(yùn)行鏈路共享端口。

　　在共享鏈路 DS 端口中，由于已經(jīng)嵌入了超高速端口，超高速設(shè)備可以通過(guò)電路板布線與超高速端口永久鏈接，因此不能向下兼容 USB 2.0。已啟用共享鏈路功能的系統(tǒng)不應(yīng)連接到 USB 2.0 主機(jī)或 USB 2.0 集線器，因?yàn)楣蚕礞溌烦咚?nbsp;DS 端口不支持 USB 2.0 功能(例如 USB 2.0 主機(jī)或集線器)，連接到共享鏈路的超高速嵌入式設(shè)備將無(wú)法正常工作。

　　圖 2示例: 筆記本電腦主板的共享鏈路端口(來(lái)源：賽普拉斯)

　　在通用型 USB 3.0 端口中，超高速通信出現(xiàn)故障時(shí)，所連接的 USB 3.0 設(shè)備將恢復(fù)為 USB 2.0 速度。然而，在共享鏈路端口中，這是沒(méi)辦法做到的。因?yàn)?nbsp;USB 2.0 線路和超高速線路連接了兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備。為了克服這個(gè)限制，除了 USB 2.0 端口的電源使能控制引腳 (DSx_PWREN)，共享鏈路還為嵌入式超高速端口(鏈路共享端口)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的 VBUS 使能控制引腳(DSx_VBUSEN_SS)。這有助于對(duì)嵌入式超高速端口的電源進(jìn)行獨(dú)立控制。HX3 控制器偵測(cè)到超高速通信故障，將其已連接到嵌入式超高速設(shè)備的 VBUS 檢測(cè)引腳的 DSx_VBUSEN_SS 信號(hào)翻轉(zhuǎn)。該 DS 嵌入式超高速設(shè)備將重新枚舉，認(rèn)為此 VBUS 的翻轉(zhuǎn)為斷開(kāi)連接事件或連接事件。這就是 HX3 控制器獨(dú)有的共享鏈路功能。圖 3 顯示了共享鏈路端口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

　　圖 3共享鏈路端口(來(lái)源: 賽普拉斯)

　　傳統(tǒng)擴(kuò)展塢

　　如今的便攜式設(shè)備采用緊實(shí)型設(shè)計(jì)，僅可以支持少數(shù)外設(shè)，通常不包括串行接口、HDMI、以太網(wǎng)等端口。為了讓設(shè)備能夠連接更多外設(shè)，擴(kuò)展塢的設(shè)計(jì)集合了 USB、串行、VGA、以太網(wǎng)等其他端口。圖 4 顯示了傳統(tǒng)筆記本電腦擴(kuò)展塢的框圖。

　　如圖 4 所示，傳統(tǒng)的 USB 3.0 擴(kuò)展塢需要 6 - 8 個(gè) USB 端口(包括嵌入式端口)。設(shè)計(jì)采用了配有 2 個(gè)四端口集線器控制器集成電路級(jí)聯(lián)。為了支持千兆以太網(wǎng)和 HDMI 等高帶寬外設(shè)，擴(kuò)展塢除了要有外置 USB 3.0 端口，還必須配有 USB 3.0 集線器。添加 USB 3.0 集線器只是用于連接鼠標(biāo)，鍵盤(pán)，串行端口等的較慢速的外設(shè)，成本效益會(huì)非常低。因此，傳統(tǒng)的擴(kuò)展塢同時(shí)配備了 USB 3.0 集線器和 USB 2.0 集線器。然而，采用兩個(gè)集線器會(huì)增加印制電路板面積、功率需求、布線的復(fù)雜性以及無(wú)源組件數(shù)量，總體上明顯加大了物料成本。

　　圖 4傳統(tǒng)擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)(來(lái)源：賽普拉斯)

　　共享鏈路擴(kuò)展塢

　　在配置了共享鏈路功能的四端口 HX3 控制器上，我們最多可以使用 8 個(gè)端口、4 個(gè)嵌入式超高速端口和 4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口。圖 5 顯示了共享鏈路如何實(shí)現(xiàn)低成本的筆記本電腦擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)。與圖 4 的傳統(tǒng)擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)相比，賽普拉斯的共享鏈路功能為客戶提供了最優(yōu)的高成本效益解決方案。

　　圖 5擴(kuò)展塢配置共享鏈路 USB 3.0 集線器(來(lái)源：賽普拉斯)

　　如圖 5 所示，下游端口 DS3 和 DS4 為標(biāo)準(zhǔn) USB 3.0 端口，而 DS1 和 DS2 為共享鏈路端口。共享鏈路端口 DS1 和 DS2 的超高速嵌入式端口專(zhuān)用于高速通信端口，例如 HDMI 和以太網(wǎng)端口。使用 DS1 共享鏈路端口的標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口，可以為擴(kuò)展塢新增 RS232 端口。還可以使用 DS2 中的外置 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)端口連接可插拔設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、移動(dòng)硬盤(pán)等。

　　其他嵌入式應(yīng)用

　　隨著 USB 3.0 應(yīng)用在過(guò)去幾年里迅速增長(zhǎng)，USB 3.0 主機(jī)端口已成為所有新款個(gè)人電腦和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置。另外，人們對(duì)實(shí)時(shí)高清質(zhì)量視頻的需求日益增長(zhǎng)，因此消費(fèi)者電子設(shè)備也采用 USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)。共享鏈路功能可應(yīng)用于大多數(shù)消費(fèi)者設(shè)備中，包括 CPU 主板、擴(kuò)展塢、顯示器、電視機(jī)頂盒、游戲設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等。

　　USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)能夠支持 5-Gbps 超高速 (SS) 操作，比 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)快 10 倍。因此，USB 3.0 不僅適用于連接高清攝像機(jī)等高帶寬外設(shè)，而且還可以用作系統(tǒng)總線，從而支持嵌入式設(shè)備間的系統(tǒng)內(nèi)連接，如圖 6 所示。

　　嵌入式應(yīng)用中的共享鏈路可以把更多的設(shè)備連接到 USB 主機(jī)，從而降低物料成本、印制電路板復(fù)雜性和功耗。此外，由于 DS 端口布置在印制電路板的邊緣，因此很難在超高速和高速嵌入式應(yīng)用中部署較短的布線。HX3 控制器配有靈活的、可編程的 USB 3.0 和 USB 2.0 PHY，相對(duì)于典型接口的 6 英寸，HX3能夠支持長(zhǎng)達(dá) 11 英寸的布線。

　　便攜式計(jì)算設(shè)備

　　在筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)等便攜式設(shè)備中，USB 3.0 通常用作內(nèi)部系統(tǒng)總線。如圖 6 所示，CPU 集成電路通常支持單個(gè) USB 3.0 主機(jī)。在本應(yīng)用中，集線器的上游端口通過(guò)物理印制電路板布線永久連接到嵌入式 USB 3.0 主機(jī)。集線器的 DS 端口可以連接到支持嵌入式 USB 3.0 功能的集成電路，或作為通用 USB 3.0 外置端口使用。

　　圖 6超極本筆記本電腦的設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)集線器控制器 IC(來(lái)源：賽普拉斯)

　　圖 7 顯示了超極本筆記本電腦設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)共享鏈路以降低物料成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

　　圖 7支持共享鏈路的超極本筆記本電腦 (來(lái)源：賽普拉斯)

　　USB 3.0 擴(kuò)展塢應(yīng)用

　　USB 3.0 擴(kuò)展塢可分為通用型和專(zhuān)用型。通用型擴(kuò)展塢和專(zhuān)用型擴(kuò)展塢之間的主要區(qū)別是擴(kuò)展塢的上行連接。通用擴(kuò)展塢一般支持標(biāo)準(zhǔn)的 USB 3.0 上行端口，而專(zhuān)用型擴(kuò)展塢能夠支持某些筆記本電腦的定制端口。

　　由于共享鏈路超高速端口沒(méi)有 USB 2.0 線路，因此當(dāng)擴(kuò)展塢連接到 USB 2.0 主機(jī)時(shí)，連接了該端口的嵌入式超高速設(shè)備將無(wú)法工作。為了避免無(wú)意地連接到 USB 2.0 主機(jī)，不建議在通用擴(kuò)展塢上使用共享鏈路。

　　原理圖

　　圖 8 顯示了如何將共享鏈路信號(hào)連接到 DS USB 2.0 設(shè)備和嵌入式超高速設(shè)備。

　　圖 8共享鏈路端口的 USB 數(shù)據(jù)線連接(來(lái)源：賽普拉斯)

　　圖 8 顯示有 8 個(gè) USB 通信引腳

　　4 個(gè)引腳(SSTX +，SSTX-，SSRX + 和 SSRX-)用于超高速通信和 1 個(gè)控制電源開(kāi)關(guān)的 VBUS 引腳

　　2 個(gè)引腳(D + 和 D-)用于 USB 2.0 通信和 1 個(gè)控制電源開(kāi)關(guān)的 VBUS 引腳

　　HX3 控制器的 4 個(gè)超高速信號(hào)連接到嵌入式超高速設(shè)備的超高速引腳，而連接到嵌入式超高速設(shè)備的 USB 2.0 引腳保持?jǐn)嚅_(kāi)。共享鏈路端口的 USB 2.0 端口連接與標(biāo)準(zhǔn)的 USB 2.0 端口相同。

　　Hx3 控制器中的共享鏈路端口配有以下相關(guān)引腳：

　　1. USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)端口引腳

　　用于 USB 2.0 數(shù)據(jù)傳輸?shù)?nbsp;D+ 和 D- 線

　　· 負(fù)責(zé)控制 DSx_PWREN 信號(hào)(如圖 9 所示)

　　2. DSX_OVRCURR 用作 Hx3 控制器的過(guò)電流指示(圖 8 中未示出)

　　· 嵌入式超高速引腳

　　· 用于超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?nbsp;SSRX +、SSRX-、SSTX+ 和 SSTX- 引腳。

　　· VBUS 負(fù)責(zé)控制 DSx_VBUSEN_SS 信號(hào)(如圖 9 所示)

　　如圖 8 所示，USB 2.0 數(shù)據(jù)線(D+ 和 D-)連接到可可插拔的 USB 2.0 端口連接器引腳，而超高速線路與嵌入式設(shè)備的超高速線路相連接。根據(jù) USB 規(guī)范，每個(gè)可移動(dòng)的 DS 端口必須在 VBUS 引腳上具有 120μF 的最小電容，從而在最大負(fù)載條件下保持穩(wěn)定的電壓。這就是為什么 需要150uF 大容量電容器連接到 VBUS_DS2 線路，而嵌入式超高速端口的 VBUS 引腳不需要大容量電容。

　　USB 連接器屏蔽(SHD1 和 SHD2)應(yīng)通過(guò)RC 電路并聯(lián)接地，以降低電磁干擾，如圖 8 所。

　　圖 9共享鏈路中的 DS 端口 VBSU 控制(來(lái)源：賽普拉斯)

　　共享鏈路模式需要對(duì)可插拔 USB 2.0 設(shè)備和嵌入式超高速設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的 VBUS 控制。圖 9 顯示了如何實(shí)現(xiàn) VBUS 控制。

　　為了確保嵌入式超高速設(shè)備不會(huì)倒回 USB 2.0 速度操作，需要加設(shè)一個(gè)外部電源開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)由 HX3 控制，能夠產(chǎn)生 DSx_VBUSEN_SL 輸出信號(hào)。該信號(hào)控制嵌入式設(shè)備的 VBUS。

　　DSx_PWREN 是 HX3 控制器生成的另一個(gè)輸出信號(hào)，能夠控制可插拔 USB 2.0 設(shè)備的 VBUS。例如，發(fā)生過(guò)流時(shí)，DSx_PWREN 可以關(guān)閉端口電源。DSx_OVRCURR 引腳(圖 9 中未示出)用于指示可移動(dòng)端口的過(guò)流狀態(tài)。對(duì)于嵌入式超高速端口該引腳是不需要的，因?yàn)榇艘_已永久連接在嵌入式超高速端口內(nèi)部。

　　CY4613 是基于 CYUSB3326 元件的賽普拉斯共享鏈路開(kāi)發(fā)套件。點(diǎn)擊此處下載共享鏈路集線器的完整原理圖。

　　注意：如有需要，開(kāi)發(fā)人員可以禁用鏈路共享，默認(rèn)配置已開(kāi)啟鏈路共享，需要更改 EEPROM 配置參數(shù)，使用Blaster plus 配置實(shí)用程序?qū)σ炎餍薷牡呐渲眠M(jìn)行編程。賽普拉斯為設(shè)計(jì)師提供 Blaster plus配置實(shí)用程序 Windows GUI 工具，可通過(guò)個(gè)人電腦的 USB 接口將配置下載到 EEPROM。請(qǐng)參考KBA91657說(shuō)明書(shū)以下載 HX3 控制器固件。關(guān)于 HX 3 控制器的更多功能，請(qǐng)參閱HX3 Blaster Plus 用戶指南。

　　共享鏈路可以減少元件數(shù)量并減小印制電路板面積，從而減低物料成本。例如，表 1 比較了共享鏈路擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)和使用了 2 個(gè)集線器控制器的傳統(tǒng)擴(kuò)展塢的設(shè)計(jì)中使用的組件。與傳統(tǒng)擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)相比，基于共享鏈路的擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)可以節(jié)省 28 個(gè)組件。安裝組件所需的空間也相應(yīng)地減少了。

　　表 1 共享鏈路擴(kuò)展塢和傳統(tǒng)擴(kuò)展塢的比較(來(lái)源：賽普拉斯)

　　更多關(guān)于共享鏈路的信息，敬請(qǐng)瀏覽 HX3 硬件設(shè)計(jì)指南和原理圖清單 或觀看視頻 HX3 USB 3.0 集線器控制器 Controller 的共享鏈路介紹。共享鏈路開(kāi)發(fā)套件平臺(tái)CY4613可用于評(píng)估六端口配置。

　　Gayathri Vasudevan 是賽普拉斯半導(dǎo)體公司班加羅爾地區(qū)的高級(jí)應(yīng)用工程師。Gayathri 負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計(jì)有線 USB 產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，并為新產(chǎn)品制作解決方案演示，應(yīng)用筆記和其他備忘錄。Gayathri 有電子與通信工程學(xué)士學(xué)位。