創(chuàng)新的FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗、模塊化、小尺寸USB解決方案

USB技術(shù)的開發(fā)面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)，主要原因是需要在受限的設(shè)備尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定互連、高速度和電源管理。各種器件兼容性問題、各異的數(shù)據(jù)傳輸速度以及對(duì)低延遲和低功耗的要求，給工程師帶來了更多壓力，他們需要在嚴(yán)格的技術(shù)限制范圍內(nèi)進(jìn)行創(chuàng)新。工程師必須將USB功能集成到越來越小的模塊中，并在功能與設(shè)計(jì)限制之間取得平衡。

本文總結(jié)了業(yè)界用于高性能 USB 3 設(shè)備的一些典型解決方案，并介紹了一種新的架構(gòu)，這種架構(gòu)既能節(jié)省功耗和面積，又能提高靈活性和易用性。

萊迪思最近發(fā)布了一款帶有原生USB 3.2 Gen 1的新FPGA系列，名為萊迪思CrossLinkU?-NX。除了產(chǎn)品數(shù)據(jù)表之外，本文還將詳細(xì)介紹該器件。CrossLinkU-NX器件的一些突出特性如下：

●   集成USB 2.0和3.2支持，提供高達(dá)5 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度

●   更高的集成度大大縮小了電路板設(shè)計(jì)尺寸，降低了功耗

●   支持各種接口（MIPI、LVDS、CMOS）和高級(jí)安全功能（AES256和ECC256）

●   提供低功耗待機(jī)和多功能DSP資源，可優(yōu)化人工智能性能

●   非常適合工業(yè)、汽車和消費(fèi)電子應(yīng)用

在過去的幾年中，tinyVision.ai與萊迪思半導(dǎo)體密切合作，開發(fā)出一套完整的USB解決方案，將先進(jìn)的FPGA技術(shù)與模塊化、高性能的USB功能集成在一起。這種合作使tinyVision能夠利用萊迪思的CrossLinkU-NX FPGA平臺(tái)，推動(dòng)USB設(shè)計(jì)的高效化、可擴(kuò)展性和靈活性。這種包括硬件、RTL和固件在內(nèi)的完整解決方案對(duì)客戶幫助很大，除了參考應(yīng)用說明，他們還可以根據(jù)自己的要求進(jìn)行修改。

通過結(jié)合tinyVision在固件和模塊化硬件設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)和萊迪思尖端的FPGA功能，這項(xiàng)合作帶來了一種創(chuàng)新的解決方案，重新定義了現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)和多媒體應(yīng)用的USB互連。

當(dāng)今的工業(yè)攝像頭需要高效的橋接功能

如今，低速或高速USB解決方案在許多帶寬要求受限的設(shè)備中十分常見，在許多低端微控制器中也有很多應(yīng)用。但是，如果要為工業(yè)攝像頭、軟件無線電等應(yīng)用傳輸大量數(shù)據(jù)，則需要使用USB SuperSpeed。

在工業(yè)攝像頭、手持超聲波、邏輯分析儀和軟件無線電等大量應(yīng)用中，F(xiàn)PGA通常用作信號(hào)采集和處理前端。為了與USB 3通信，F(xiàn)PGA通常與USB橋接芯片相連。

圖1 一個(gè)采用FPGA和USB3橋接芯片的典型USB3外設(shè)

FPGA與橋接芯片之間的接口通常是并行FIFO接口。橋接芯片就是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)泵，無法接觸數(shù)據(jù)流本身。它們通常能夠添加頭/腳，以符合協(xié)議要求。ISP（圖像信號(hào)處理器）所需的各種攝像頭相關(guān)功能（如AEC、AGC、AWB、伽馬、鏡頭校正等）的信號(hào)處理任務(wù)則由FPGA完成。

CrossLinkU-NX FPGA：顛覆USB設(shè)計(jì)的器件

CrossLinkU-NX的重要之處在于它將通常配對(duì)使用的兩個(gè)芯片：FPGA和USB 3接口合并為一個(gè)器件。

圖2 使用萊迪思CrossLinkU-NX器件改進(jìn)后的系統(tǒng)架構(gòu)

與市場(chǎng)上其他同類USB 3橋接器解決方案相比，其優(yōu)勢(shì)在于占用面積更小、功耗更低、BoM成本更低、制造成本更低、且只需掌握和管理一個(gè)工具鏈。UVC層的線路速率為5 Gbps，實(shí)測(cè)吞吐量為3.4 Gbps，為高分辨率、高幀速率和多攝像頭系統(tǒng)提供了充足的帶寬。

從架構(gòu)上講，數(shù)據(jù)FIFO可以拉入FPGA。這種靈活的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)之前無法實(shí)現(xiàn)的潛在新應(yīng)用（例如，現(xiàn)在可以在設(shè)計(jì)人員的控制下為各種外設(shè)分配USB端點(diǎn)，而不是由芯片供應(yīng)商來規(guī)定有限的數(shù)量）。例如，這樣就能輕松支持多個(gè)攝像頭數(shù)據(jù)流。

此外，由于部件數(shù)量大大減少（供應(yīng)鏈問題也減少了），加上直連傳感器接口，無需在電路板上布設(shè)大量的FIFO線，也無需芯片間控制信號(hào)，因此極大簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)。

圖3 基于CrossLinkU-NX FPGA的USB器件概念框圖

tinyVision.ai的創(chuàng)新方法

tinyVision的解決方案由以下部分組成：

1.SoM（系統(tǒng)模組）用于快速原型設(shè)計(jì)，并可直接投入生產(chǎn)

2.圍繞USB硬核IP構(gòu)建的精簡(jiǎn)的RTL，可最大限度地提高USB帶寬和效率

3.該IP的Zephyr RTOS驅(qū)動(dòng)可簡(jiǎn)化復(fù)雜的USB協(xié)議

4.工具流程和完整的參考設(shè)計(jì)，為開發(fā)人員提供了良好的起點(diǎn)

5.提供從驅(qū)動(dòng)開發(fā)到完整產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)服務(wù)，為客戶提供支持

圖4 tinyVision.ai tinyCLUNX33 SoM MIPI-UVC轉(zhuǎn)換器

模塊化硬件和固件架構(gòu)支持可互換組件，團(tuán)隊(duì)只需少量工作就能為其產(chǎn)品添加USB功能。

SoM硬件支持USB 3.2 Gen1，確保高速數(shù)據(jù)和低功耗，適合尺寸有限的設(shè)計(jì)。由于采用Syzygy標(biāo)準(zhǔn)，各種適配器板均可使用，實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)。

在Zephyr RTOS的基礎(chǔ)上，tinyVision開發(fā)了一種“USB作為API”的方法，實(shí)現(xiàn)了零配置USB API，自動(dòng)生成符合要求的USB描述符。這就實(shí)現(xiàn)了USB的無縫集成，使開發(fā)人員能夠像處理其他API請(qǐng)求一樣處理USB調(diào)用。除了這一重大簡(jiǎn)化之外，tinyVision始終堅(jiān)持開源開發(fā)，包括在開源項(xiàng)目中不斷優(yōu)化其USB 3驅(qū)動(dòng)并積極參與開發(fā)Zephyr的UVC（USB視頻類）驅(qū)動(dòng)，這對(duì)視頻流非常重要。

SoM有著豐富的IP套件支持，包括USB IP和SRAM控制器，這些IP已在該平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，可簡(jiǎn)化集成。

tinyVisional還利用StreamLogic技術(shù)提供了一套圖像和音頻處理IP。該IP套件支持低延遲流處理，是視頻流和音頻播放等實(shí)時(shí)應(yīng)用的理想選擇，可在USB設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高級(jí)多媒體功能。

圖5 使用Streamlogic無代碼圖形設(shè)計(jì)工具的完整圖像處理流水線示例。還提供音頻和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IP

全新USB器件架構(gòu)的7個(gè)優(yōu)勢(shì)

1.與典型的FPGA+專用USB3 FIFO芯片相比功耗更低。

2.USB 3帶寬+高性能信號(hào)處理：USB解決方案能夠有效利用USB3物理層的全部帶寬，在UVC層提供3.4Gbps的持續(xù)數(shù)據(jù)速率。FPGA還擁有大量片上計(jì)算資源，不僅能實(shí)現(xiàn)ISP，還能實(shí)現(xiàn)物體檢測(cè)/跟蹤等高級(jí)功能。

3.小尺寸：采用3.1毫米 x 7.4毫米的微型CSP封裝，可實(shí)現(xiàn)超小尺寸的器件。

4.可編程靈活性：傳統(tǒng)FPGA + 橋接芯片的數(shù)據(jù)流架構(gòu)非常受限。通過在FPGA架構(gòu)中集成USB內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)更多數(shù)據(jù)通路。

5.強(qiáng)大的固件和IP支持：tinyVision的Zephyr端口為用戶提供了一個(gè)工業(yè)級(jí)的現(xiàn)代化RTOS，它擁有一個(gè)龐大的開源驅(qū)動(dòng)庫和一個(gè)廣泛而樂于助人的社區(qū)。StreamLogic技術(shù)以及MIPI-UVC和SRAM控制器IP可助力快速開發(fā)。

6.增強(qiáng)的安全功能： 位文件加密以及其他業(yè)界領(lǐng)先的安全功能可確保客戶設(shè)計(jì)的安全。

7.更快上市：由于設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分已經(jīng)與RTL和Zephyr參考設(shè)計(jì)一起經(jīng)過了驗(yàn)證，因此采用SoM的方法可以加快產(chǎn)品上市。

采用低功耗、模塊化、小尺寸解決方案的客戶

Constructive Realities公司從事空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化和組織工作。他們正在開發(fā)一種定制的3D視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了一個(gè)共定位的飛行時(shí)間（ToF）和RGB攝像頭，以及在一個(gè)小型ARM SBC上運(yùn)行的空間跟蹤和重建功能。該解決方案要求小尺寸、電池供電和低成本。

ToF處理非常復(fù)雜，需要主機(jī)提供大量存儲(chǔ)帶寬和計(jì)算能力，因此應(yīng)用處理器需要處理視覺流水線的方方面面。默認(rèn)的解決方案是使用FPGA來管理RGB和ToF傳感器及數(shù)據(jù)處理，并使用FIFO-USB 3芯片（如Cypress或 FTDI的芯片組）通過USB將數(shù)據(jù)流式傳輸給最終用戶。

通過取消FTDI/Cypress橋接芯片及其支持電路（橋接芯片、存儲(chǔ)器、電源和其他無源器件）來節(jié)省功耗并顯著降低BoM復(fù)雜性。

tinyVision UVC解決方案提供的靈活性可加快開發(fā)工作，它可以將兩個(gè)傳感器的原始MIPI數(shù)據(jù)直接發(fā)送給開發(fā)原始算法的主機(jī)。隨后，我們的客戶將計(jì)算成本高昂的ToF算法移植到SoM上，使用現(xiàn)成的部件來降低連接系統(tǒng)上的計(jì)算要求。

Zephyr因其模塊化、占用空間小和強(qiáng)大的社區(qū)支持而成為解決方案的關(guān)鍵部分。該SoM將成為其最終產(chǎn)品的一部分，只需投入極少的資金開發(fā)一個(gè)內(nèi)插卡，即可承載SoM、電源、IMU和2個(gè)圖像傳感器。

實(shí)現(xiàn)可靠、高效和安全的USB連接

tinyVision與萊迪思半導(dǎo)體的合作開發(fā)了以CrossLinkU-NX FPGA為核心的革命性USB設(shè)備解決方案。它結(jié)合了USB 3.2、先進(jìn)的FPGA功能以及Zephyr RTOS提供的全面固件支持，帶來了一個(gè)小尺寸、低功耗和高度靈活的平臺(tái)。

該解決方案大大簡(jiǎn)化了USB器件的開發(fā)，同時(shí)降低了成本，縮短了上市時(shí)間，是工業(yè)攝像頭、醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用的理想之選。這些應(yīng)用得益于該解決方案的靈活性、可擴(kuò)展性和高性能，能在關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠、高效和安全的USB連接。

無論是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、多媒體還是嵌入式系統(tǒng)，tinyVision的技術(shù)都能支持這些不同領(lǐng)域的復(fù)雜要求。

這些來自tinyVision的革命性USB解決方案將在12月10日至11日舉行的萊迪思2024年開發(fā)者大會(huì)上參與展示。

我們將憑借久經(jīng)考驗(yàn)的專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新技術(shù)幫助您加快USB器件的開發(fā)。