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USB 3.0時(shí)代如何為接口提速?

作者: 時(shí)間:2012-09-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

從1996年推出至今已經(jīng)走過(guò)了十幾年的歷程,最早的 1.0速度只有1.5Mbps,兩年后升級(jí)為 1.1,速度也大幅提升到12Mbps,不過(guò),今天此類的產(chǎn)品除了鼠標(biāo)外已近乎絕跡。近年來(lái)廣泛使用的USB 2.0產(chǎn)品,其速度達(dá)到了480Mbps,是USB 1.1的四十倍,但是USB 2.0的速度也早已無(wú)法滿足高清音視頻應(yīng)用的需求。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202192.htm

  2012年4月底,隨著英特爾發(fā)布新一代的ivy bridge芯片組的原生支持USB3.0,更讓USB3.0走下神壇。成本的降低讓消費(fèi)者買得起、用得起,普及性大為提升。另外,業(yè)界龍頭微軟將于2012年推出全新的Windows 8,其中裝載USB3.0原生驅(qū)動(dòng)程序,這使得USB3.0主控芯片的使用者將獲得更好的兼容性,也帶動(dòng)計(jì)算機(jī)、芯片供應(yīng)商大規(guī)模部署USB 3.0相關(guān)產(chǎn)品。尤其是USB 3.0大幅了提升USB 2.0接口的效能瓶頸,利用PCIe技術(shù)重新取得外部高速接口的規(guī)格優(yōu)勢(shì),加上多埠支持的Host芯片技術(shù)日益成熟,將在PC和筆記本中大量裝載,吸引更多廠商支持USB 3.0高速接口,USB3.0接口將迎來(lái)全面普及時(shí)代。

  目前,市場(chǎng)上各種USB3.0規(guī)格的電子產(chǎn)品及外設(shè)眾多,USB3.0最大傳輸帶寬高達(dá)4.8Gbps,傳輸速度比USB 2.0提升10倍,其最大優(yōu)點(diǎn)在于USB 3.0保留了即插即用功能并可充當(dāng)供電來(lái)源,且能與USB 2.0兼容,除了為廠商帶來(lái)更多利潤(rùn)外,也讓使用者能夠方便升級(jí),并享受其創(chuàng)新功能。除了臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本電腦等主機(jī)端,USB3.0還將應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)外部設(shè)備,包括U盤(pán)、外接式硬盤(pán)等。據(jù)研究機(jī)構(gòu)IDC的預(yù)測(cè),到2015年,USB3.0出貨量將加速倍增至23億,其中50%將應(yīng)用在存儲(chǔ)功能上,這部分市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到400億元。業(yè)界認(rèn)為2012年第二季PC與筆記本裝載多埠USB 3.0高速接口的比例將大幅增加,其原因一方面是USB 3.0多埠Host芯片解決方案成本持續(xù)壓低,另一方面則是USB 3.0的外圍產(chǎn)品也不再局限于外接硬盤(pán)、U盤(pán)等產(chǎn)品,預(yù)計(jì)將會(huì)有移動(dòng)電話、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等推出。

  高性能USB3.0物理層IP

  智原科技在USB3.0物理層IP的第一個(gè)產(chǎn)品就是2008年8月USB-IF協(xié)會(huì)在Intel舉辦的IDF上展出的全球第一個(gè)USB3.0原型。如圖1所示,USB3.0 物理層IP主要包含二大部分:PMA(Physical Medium Attachment Sublayer)和PCS(Physical Coding Sublayer)。

   圖1:USB3.0 物理層IP主要包含PMA和PCS。

  圖1:USB3.0 物理層IP主要包含PMA和PCS。

  PCS部分主要是進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商(Auto negotiation)及8b/10b編碼及解碼。自動(dòng)協(xié)商通過(guò)兩個(gè)連接的設(shè)備選擇常見(jiàn)的傳輸參數(shù),如速度和流量控制,在這個(gè)過(guò)程中,所連接的設(shè)備首先先各自以自已的最高速傳輸,再協(xié)商找出二邊都能支持的最高速作為傳輸模式。決定傳輸模式后,PCS即對(duì)被傳送和接受的信息編碼和解碼,目的是使接收器更容易恢復(fù)信號(hào)。

  PMA部分主要處理模擬的高速信號(hào),該信號(hào)速度高達(dá)5Gbps。在傳輸線方面,USB3.0支持長(zhǎng)達(dá)3米的四線差分信號(hào)線及11英寸PCB。如圖2所示,5Gbps信號(hào)在長(zhǎng)線纜上采用的是差分信號(hào)方式傳輸,從而避免信號(hào)被干擾及減少電磁干擾(EMI)問(wèn)題。PMA電路分為以下六個(gè)主要模塊。

  圖2:5Gbps信號(hào)采用差分傳輸可以減少電磁干擾。(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì))

  圖2:5Gbps信號(hào)采用差分傳輸可以減少電磁干擾。

  并串聯(lián)(P2S,Parallel to Serial):將較低速的并行信號(hào)轉(zhuǎn)成高速的串行信號(hào)。

  展頻頻率產(chǎn)生器(SSCG,Spread Spectrum Clock Generator):如圖3所示,在5Gbps的傳輸速度下往低速進(jìn)行三角展頻。這一展頻的動(dòng)作可使信號(hào)在傳輸線及PCB的信號(hào)傳輸時(shí)減少電磁干擾問(wèn)題。

  圖3:5Gb/ps的傳輸速度往低速做三角展頻。(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì))

  圖3:5Gb/ps的傳輸速度往低速做三角展頻。

  TX Driver:該模塊將5Gbps的高速單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速差分信號(hào),并根據(jù)USB3.0規(guī)格產(chǎn)生3.5dB/6dB去加重(de-emphasis),在TX端口利用3.5dB/6dB去加重來(lái)加強(qiáng)高頻的能量,避免傳輸損失使得眼圖的開(kāi)度變小。

  低頻周期信號(hào)偵測(cè)器(LFPS Detector,Low Frequency Period Signal Detector):如果鏈接處于某種閑置狀態(tài),則可通過(guò)低頻周期信號(hào)發(fā)送低頻周期信號(hào)(LFPS)進(jìn)行通信,這種方式的功耗明顯低于SuperSpeed信號(hào)發(fā)送方式。事實(shí)上,不管是主機(jī)還是設(shè)備發(fā)送LFPS,都會(huì)退出閑置模式。

  RX Receiver:該接收器包含均衡器模塊和時(shí)鐘-數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊。均衡器接收高速5Gbps的高速信號(hào),并對(duì)因傳輸損失的高頻能量做補(bǔ)償,使時(shí)鐘-數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊在鎖存數(shù)據(jù)時(shí),眼圖擁有較大開(kāi)度。

  串并聯(lián)(S2P,Serial to Parallel):將接收下來(lái)較高速的串行信號(hào)轉(zhuǎn)成高速的并行信號(hào)。

低功耗USB3.0設(shè)備控制器IP

  USB 3.0控制器硬件電路主要處理USB3.0協(xié)議的數(shù)據(jù)與控制路徑。接口部分包括兩種接口模塊:一種是與USB 3.0物理層進(jìn)行通信的PIPE接口模塊,另一種是與SoC芯片內(nèi)部AHB總線進(jìn)行通信的AHB總線接口模塊,綜合結(jié)果顯示總線速度可以超過(guò)266MHz。USB 3.0設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。USB3.0鏈路層模塊(U3LKL)實(shí)現(xiàn)了USB 3.0規(guī)范第7章 “Link Layer Specification”所要求的指標(biāo),整個(gè)模塊始終工作在125MHz。

  圖4:USB 3.0設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)框圖。(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì))

  圖4:USB 3.0設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)框圖。

  模塊里包含了鏈路封包傳送仲裁器、鏈路封包接收器、鏈路封包提取器、鏈路有序集接收器、鏈路字節(jié)驅(qū)動(dòng)器、鏈路擾頻/解擾器、鏈路層訓(xùn)練及狀態(tài)機(jī)等功能模塊。其中的鏈路封包傳送仲裁器從“協(xié)議層傳送封包接口”、“標(biāo)頭重試緩沖”以及“傳送鏈路命令模塊”等三個(gè)地方選擇數(shù)據(jù)來(lái)源?;?ldquo;鏈路層訓(xùn)練及狀態(tài)機(jī)”的狀態(tài),8b_driver模塊會(huì)傳送諸如TSEQ、TS1、TS2或一般封包等相應(yīng)數(shù)據(jù)。擾頻器模塊將基于從TS2分析而得到的“鏈路配置字段”來(lái)決定是否傳送加擾數(shù)據(jù)到PIPE接口。

  USB 3.0協(xié)議層模塊(U3PTL)負(fù)責(zé)處理從鏈路層模塊送入的SS 封包,并且決定適當(dāng)?shù)姆磻?yīng),再將數(shù)據(jù)寫(xiě)入BFM,更新與封包EP有關(guān)的上下文。協(xié)議層模塊決定響應(yīng)的類型,例如NRDY、ERDY、STALL、ACK以及PING_RESPONSE,該模塊還要從BFM的IN EP請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸。如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了且標(biāo)頭是所期望的,該模塊也會(huì)將DP封包數(shù)據(jù)寫(xiě)到BFM 的OUT EP,整個(gè)模塊同樣也工作在125MHz。


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