嵌入式應用的 USB 3.0 鏈路共享

　　USB 3.0 端口可通過分離超高速端口和標準 USB 2.0 端口來實現(xiàn)鏈路共享功能。目前，鏈路共享是賽普拉斯 HX3 USB 3.0 集線器控制器的獨有功能。本文將介紹如何在擴展塢、筆記本電腦、電視機、機頂盒等嵌入式應用程序中實現(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 標準。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引腳設置選項，以減少系統(tǒng)的整體物料成本。HX3 控制器配有賽普拉斯獨有的共享鏈路功能，能夠從四端口 USB 3.0 集線器提供 8 個下行 (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準 USB 2.0 端口。共享鏈路能夠支持多達 8 個來自四端口 USB 3.0 集線器的 DS 端口。而標準 USB 3.0 端口配有 8 條信號線：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標準 USB3.0 端口(來源: 賽普拉斯)

　　VBUS 使能信號 (DSx_PWREN) 能夠控制傳輸 VBUS 信號到已連接的 USB 3.0 設備。DSx_PWREN 信號與過流信號 (DSx_OVRCURR) 一同實現(xiàn)可插拔 USB 3.0 端口的過流保護電路。當端口出現(xiàn)過流，連接到端口電源開關輸出使能引腳的 DSx_PWREN信號 能夠關閉端口電源。

　　而向后兼容性需要用到 USB 2.0 信號線。當超高速設備(USB 3.0 設備)插入 USB 3.0 端口時，只有超高速線路能夠進行通信，此時該特定端口的 USB 2.0 線路為空閑線路。同樣地，當高速設備(USB 2.0 設備)插入 USB 3.0 端口時，超高速線路空閑。因此，在 USB 3.0 端口中，根據(jù)已連接的設備(超高速設備或 USB2.0 設備)，任何指定時間的點，超高速線路或 USB 2.0 線路只有其中一種線路在運行。

　　共享鏈路功能使 USB 3.0 DS 端口可分離為 2 個獨立端口，一個嵌入式超高速端口和一個標準 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備(如 USB 3.0 攝像機)連接到其中一個 DS 端口上，HX3 控制器能夠讓系統(tǒng)設計師使用該特定端口的 USB 2.0 信號來連接到標準 USB 2.0 端口。圖 2 顯示了如何在系統(tǒng)中運行鏈路共享端口。

　　在共享鏈路 DS 端口中，由于已經(jīng)嵌入了超高速端口，超高速設備可以通過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)不應連接到 USB 2.0 主機或 USB 2.0 集線器，因為共享鏈路超高速 DS 端口不支持 USB 2.0 功能(例如 USB 2.0 主機或集線器)，連接到共享鏈路的超高速嵌入式設備將無法正常工作。

　　圖 2示例: 筆記本電腦主板的共享鏈路端口(來源：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，所連接的 USB 3.0 設備將恢復為 USB 2.0 速度。然而，在共享鏈路端口中，這是沒辦法做到的。因為 USB 2.0 線路和超高速線路連接了兩個單獨的設備。為了克服這個限制，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)實現(xiàn)單獨的 VBUS 使能控制引腳(DSx_VBUSEN_SS)。這有助于對嵌入式超高速端口的電源進行獨立控制。HX3 控制器偵測到超高速通信故障，將其已連接到嵌入式超高速設備的 VBUS 檢測引腳的 DSx_VBUSEN_SS 信號翻轉。該 DS 嵌入式超高速設備將重新枚舉，認為此 VBUS 的翻轉為斷開連接事件或連接事件。這就是 HX3 控制器獨有的共享鏈路功能。圖 3 顯示了共享鏈路端口的實現(xiàn)過程。

　　圖 3共享鏈路端口(來源: 賽普拉斯)

　　傳統(tǒng)擴展塢

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

　　如圖 4 所示，傳統(tǒng)的 USB 3.0 擴展塢需要 6 - 8 個 USB 端口(包括嵌入式端口)。設計采用了配有 2 個四端口集線器控制器集成電路級聯(lián)。為了支持千兆以太網(wǎng)和 HDMI 等高帶寬外設，擴展塢除了要有外置 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，鍵盤，串行端口等的較慢速的外設，成本效益會非常低。因此，傳統(tǒng)的擴展塢同時配備了 USB 3.0 集線器和 USB 2.0 集線器。然而，采用兩個集線器會增加印制電路板面積、功率需求、布線的復雜性以及無源組件數(shù)量，總體上明顯加大了物料成本。

　　圖 4傳統(tǒng)擴展塢設計(來源：賽普拉斯)

　　共享鏈路擴展塢

　　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 個端口、4 個嵌入式超高速端口和 4 個標準 USB 2.0 端口。圖 5 顯示了共享鏈路如何實現(xiàn)低成本的筆記本電腦擴展塢設計。與圖 4 的傳統(tǒng)擴展塢設計相比，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擴展塢配置共享鏈路 USB 3.0 集線器(來源：賽普拉斯)

　　如圖 5 所示，下游端口 DS3 和 DS4 為標準 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 共享鏈路端口的標準 USB 2.0 端口，可以為擴展塢新增 RS232 端口。還可以使用 DS2 中的外置 USB 2.0 標準端口連接可插拔設備，如鍵盤、鼠標、移動硬盤等。

　　其他嵌入式應用

　　隨著 USB 3.0 應用在過去幾年里迅速增長，USB 3.0 主機端口已成為所有新款個人電腦和筆記本電腦的標準配置。另外，人們對實時高清質量視頻的需求日益增長，因此消費者電子設備也采用 USB 3.0 標準。共享鏈路功能可應用于大多數(shù)消費者設備中，包括 CPU 主板、擴展塢、顯示器、電視機頂盒、游戲設備和醫(yī)療設備等。

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

　　嵌入式應用中的共享鏈路可以把更多的設備連接到 USB 主機，從而降低物料成本、印制電路板復雜性和功耗。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，相對于典型接口的 6 英寸，HX3能夠支持長達 11 英寸的布線。

　　便攜式計算設備

　　在筆記本電腦、平板電腦和智能手機等便攜式設備中，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 USB 3.0 主機。在本應用中，集線器的上游端口通過物理印制電路板布線永久連接到嵌入式 USB 3.0 主機。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計使用了兩個集線器控制器 IC(來源：賽普拉斯)

　　圖 7 顯示了超極本筆記本電腦設計如何實現(xiàn)共享鏈路以降低物料成本和設計復雜性。

　　圖 7支持共享鏈路的超極本筆記本電腦 (來源：賽普拉斯)

　　USB 3.0 擴展塢應用

　　USB 3.0 擴展塢可分為通用型和專用型。通用型擴展塢和專用型擴展塢之間的主要區(qū)別是擴展塢的上行連接。通用擴展塢一般支持標準的 USB 3.0 上行端口，而專用型擴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有 USB 2.0 線路，因此當擴展塢連接到 USB 2.0 主機時，連接了該端口的嵌入式超高速設備將無法工作。為了避免無意地連接到 USB 2.0 主機，不建議在通用擴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連接到 DS USB 2.0 設備和嵌入式超高速設備。

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

　　圖 8 顯示有 8 個 USB 通信引腳

　　4 個引腳(SSTX +，SSTX-，SSRX + 和 SSRX-)用于超高速通信和 1 個控制電源開關的 VBUS 引腳

　　2 個引腳(D + 和 D-)用于 USB 2.0 通信和 1 個控制電源開關的 VBUS 引腳

　　HX3 控制器的 4 個超高速信號連接到嵌入式超高速設備的超高速引腳，而連接到嵌入式超高速設備的 USB 2.0 引腳保持斷開。共享鏈路端口的 USB 2.0 端口連接與標準的 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引腳：

　　1. USB 2.0 標準端口引腳

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

　　· 負責控制 DSx_PWREN 信號(如圖 9 所示)

　　2. DSX_OVRCURR 用作 Hx3 控制器的過電流指示(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 負責控制 DSx_VBUSEN_SS 信號(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備的超高速線路相連接。根據(jù) USB 規(guī)范，每個可移動的 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)應通過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(來源：賽普拉斯)

　　共享鏈路模式需要對可插拔 USB 2.0 設備和嵌入式超高速設備進行單獨的 VBUS 控制。圖 9 顯示了如何實現(xiàn) VBUS 控制。

　　為了確保嵌入式超高速設備不會倒回 USB 2.0 速度操作，需要加設一個外部電源開關。該開關由 HX3 控制，能夠產(chǎn)生 DSx_VBUSEN_SL 輸出信號。該信號控制嵌入式設備的 VBUS。

　　DSx_PWREN 是 HX3 控制器生成的另一個輸出信號，能夠控制可插拔 USB 2.0 設備的 VBUS。例如，發(fā)生過流時，DSx_PWREN 可以關閉端口電源。DSx_OVRCURR 引腳(圖 9 中未示出)用于指示可移動端口的過流狀態(tài)。對于嵌入式超高速端口該引腳是不需要的，因為此引腳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發(fā)套件。點擊此處下載共享鏈路集線器的完整原理圖。

　　注意：如有需要，開發(fā)人員可以禁用鏈路共享，默認配置已開啟鏈路共享，需要更改 EEPROM 配置參數(shù)，使用Blaster plus 配置實用程序對已作修改的配置進行編程。賽普拉斯為設計師提供 Blaster plus配置實用程序 Windows GUI 工具，可通過個人電腦的 USB 接口將配置下載到 EEPROM。請參考KBA91657說明書以下載 HX3 控制器固件。關于 HX 3 控制器的更多功能，請參閱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 比較了共享鏈路擴展塢設計和使用了 2 個集線器控制器的傳統(tǒng)擴展塢的設計中使用的組件。與傳統(tǒng)擴展塢設計相比，基于共享鏈路的擴展塢設計可以節(jié)省 28 個組件。安裝組件所需的空間也相應地減少了。

　　表 1 共享鏈路擴展塢和傳統(tǒng)擴展塢的比較(來源：賽普拉斯)

　　更多關于共享鏈路的信息，敬請瀏覽 HX3 硬件設計指南和原理圖清單 或觀看視頻 HX3 USB 3.0 集線器控制器 Controller 的共享鏈路介紹。共享鏈路開發(fā)套件平臺CY4613可用于評估六端口配置。

　　Gayathri Vasudevan 是賽普拉斯半導體公司班加羅爾地區(qū)的高級應用工程師。Gayathri 負責為客戶設計有線 USB 產(chǎn)品，開發(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，應用筆記和其他備忘錄。Gayathri 有電子與通信工程學士學位。