嵌入式应用的USB3.0链路共享

shuszhao

USB3.0端口可通过分离超高速端口和标准 USB2.0端口来实现链路共享功能。目前，链路共享是赛普拉斯HX3 USB3.0 集线器控制器的独有功能。本文将介绍如何在扩展坞、笔记本电脑、电视机、机顶盒等嵌入式应用程序中实现USB3.0链路共享。
USB3.0端口可通过分离超高速端口和标准 USB2.0端口来实现链路共享功能。目前，链路共享是赛普拉斯HX3 USB3.0 集线器控制器的独有功能。本文将介绍如何在扩展坞、笔记本电脑、电视机、机顶盒等嵌入式应用程序中实现USB3.0链路共享。
HX3控制器是赛普拉斯USB3.0集线器控制器家族的产品，符合USB3.0规范版本1.0标准。该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。它集成了终端电阻、上拉电阻和下拉电阻，并支持pin-straps引脚设置选项，以减少系统的整体物料成本。HX3控制器配有赛普拉斯独有的共享链路功能，能够从四端口USB3.0集线器提供8个下行(DS)端口。
共享链路功能可以将集线器的USB3.0 DS端口分为嵌入式超高速端口和标准USB2.0端口。共享链路能够支持多达8个来自四端口USB3.0集线器的DS端口。而标准USB3.0端口配有8条信号线：2条用于USB2.0通信(D +，D-)，4条用于超高速通信(SSTX +，SSTX-，SSRX +，SSRX-)，2条用于VBUS和GND的电源线。如图1所示。

                               
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图 1：标准 USB3.0端口。(来源: 赛普拉斯)
VBUS使能信号(DSx_PWREN)能够控制传输VBUS信号到已连接的USB3.0设备。DSx_PWREN信号与过流信号(DSx_OVRCURR)一同实现可插拔USB3.0端口的过流保护电路。当端口出现过流，连接到端口电源开关输出使能引脚的DSx_PWREN信号能够关闭端口电源。
而向后兼容性需要用到USB2.0信号线。当超高速设备(USB3.0设备)插入USB3.0端口时，只有超高速线路能够进行通信，此时该特定端口的USB2.0线路为空闲线路。同样地，当高速设备(USB2.0设备)插入USB3.0端口时，超高速线路空闲。因此，在USB3.0端口中，根据已连接的设备(超高速设备或USB2.0设备)，任何指定时间的点，超高速线路或USB2.0线路只有其中一种线路在运行。
共享链路功能使USB3.0 DS端口可分离为2个独立端口，一个嵌入式超高速端口和一个标准USB2.0端口，从而有效地利用多余的线路。例如，如果嵌入式超高速设备(如 USB3.0摄像机)连接到其中一个DS端口上，HX3控制器能够让系统设计师使用该特定端口的USB2.0信号来连接到标准USB2.0端口。图2显示了如何在系统中运行链路共享端口。
在共享链路DS端口中，由于已经嵌入了超高速端口，超高速设备可以通过电路板布线与超高速端口永久链接，因此不能向下兼容USB2.0。已启用共享链路功能的系统不应连接到USB2.0主机或USB2.0集线器，因为共享链路超高速DS端口不支持USB2.0功能(例如USB2.0主机或集线器)，连接到共享链路的超高速嵌入式设备将无法正常工作。

                               
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图2：笔记本电脑主板的共享链路端口示例。(来源：赛普拉斯)
在通用型USB3.0端口中，超高速通信出现故障时，所连接的USB3.0设备将恢复为USB2.0速度。然而，在共享链路端口中，这是没办法做到的。因为USB2.0线路和超高速线路连接了两个单独的设备。为了克服这个限制，除了USB2.0端口的电源使能控制引脚(DSx_PWREN)，共享链路还为嵌入式超高速端口(链路共享端口)实现单独的VBUS使能控制引脚(DSx_VBUSEN_SS)。这有助于对嵌入式超高速端口的电源进行独立控制。HX3控制器侦测到超高速通信故障，将其已连接到嵌入式超高速设备的VBUS检测引脚的DSx_VBUSEN_SS信号翻转。该DS嵌入式超高速设备将重新枚举，认为此VBUS的翻转为断开连接事件或连接事件。这就是HX3控制器独有的共享链路功能。图3显示了共享链路端口的实现过程。

                               
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图3：共享链路端口。(来源: 赛普拉斯)


传统扩展坞

如今的便携式设备采用紧实型设计，仅可以支持少数外设，通常不包括串行接口、HDMI、以太网等端口。为了让设备能够连接更多外设，扩展坞的设计集合了USB、串行、VGA、以太网等其他端口。图4显示了传统笔记本电脑扩展坞的框图。
如图4所示，传统的USB3.0扩展坞需要6~8 个USB端口(包括嵌入式端口)。设计采用了配有2个四端口集线器控制器集成电路级联。为了支持千兆以太网和HDMI等高带宽外设，扩展坞除了要有外置 USB3.0端口，还必须配有USB3.0集线器。添加USB3.0集线器只是用于连接鼠标、键盘、串行端口等的较慢速的外设，成本效益会非常低。因此，传统的扩展坞同时配备了USB3.0集线器和USB2.0集线器。然而，采用两个集线器会增加印制电路板面积、功率需求、布线的复杂性以及无源组件数量，总体上明显加大了物料成本。

                               
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图4：传统扩展坞设计。(来源：赛普拉斯)


共享链路扩展坞

在配置了共享链路功能的四端口HX3控制器上，我们最多可以使用8个端口、4个嵌入式超高速端口和4个标准USB2.0端口。图5显示了共享链路如何实现低成本的笔记本电脑扩展坞设计。与图4的传统扩展坞设计相比，赛普拉斯的共享链路功能为客户提供了最优的高成本效益解决方案。

                               
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图5：扩展坞配置共享链路 USB 3.0 集线器。(来源：赛普拉斯)
如图5所示，下游端口DS3和DS4为标准USB3.0端口，而DS1和DS2为共享链路端口。共享链路端口DS1和DS2的超高速嵌入式端口专用于高速通信端口，例如HDMI和以太网端口。使用DS1共享链路端口的标准USB2.0端口，可以为扩展坞新增RS232端口。还可以使用DS2中的外置USB2.0标准端口连接可插拔设备，如键盘、鼠标、移动硬盘等。


其他嵌入式应用

随着USB3.0应用在过去几年里迅速增长，USB3.0主机端口已成为所有新款个人电脑和笔记本电脑的标准配置。另外，人们对实时高清质量视频的需求日益增长，因此消费者电子设备也采用USB3.0标准。共享链路功能可应用于大多数消费者设备中，包括CPU主板、扩展坞、显示器、电视机顶盒、游戏设备和医疗设备等。
USB3.0标准能够支持5Gbps超高速(SS)操作，比USB2.0标准快10倍。因此，USB3.0不仅适用于连接高清摄像机等高带宽外设，而且还可以用作系统总线，从而支持嵌入式设备间的系统内连接，如图6所示。
嵌入式应用中的共享链路可以把更多的设备连接到USB主机，从而降低物料成本、印制电路板复杂性和功耗。此外，由于DS端口布置在印制电路板的边缘，因此很难在超高速和高速嵌入式应用中部署较短的布线。HX3控制器配有灵活的、可编程的USB3.0和USB2.0 PHY，相对于典型接口的6英寸，HX3能够支持长达11英寸的布线。


便携式计算设备

在笔记本电脑、平板电脑和智能手机等便携式设备中，USB3.0通常用作内部系统总线。如图6所示，CPU集成电路通常支持单个USB3.0主机。在本应用中，集线器的上游端口通过物理印制电路板布线永久连接到嵌入式USB3.0主机。集线器的DS端口可以连接到支持嵌入式USB3.0功能的集成电路，或作为通用USB3.0外置端口使用。

                               
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图6：超极本笔记本电脑的设计使用了两个集线器控制器 IC。(来源：赛普拉斯)
图 7 显示了超极本电脑设计如何实现共享链路以降低物料成本和设计复杂性。

                               
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图7：支持共享链路的超极本电脑 。(来源：赛普拉斯)


USB 3.0 扩展坞应用

USB3.0扩展坞可分为通用型和专用型。通用型扩展坞和专用型扩展坞之间的主要区别是扩展坞的上行连接。通用扩展坞一般支持标准的USB3.0上行端口，而专用型扩展坞能够支持某些笔记本电脑的定制端口。
由于共享链路超高速端口没有USB2.0线路，因此当扩展坞连接到USB2.0主机时，连接了该端口的嵌入式超高速设备将无法工作。为了避免无意地连接到USB2.0主机，不建议在通用扩展坞上使用共享链路。


原理图

图8显示了如何将共享链路信号连接到DS USB2.0设备和嵌入式超高速设备。

                               
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图8：共享链路端口的 USB 数据线连接。(来源：赛普拉斯)
图8显示有8个USB通信引脚：
•    4个引脚(SSTX +，SSTX-，SSRX + 和 SSRX-)用于超高速通信和1个控制电源开关的 VBUS引脚
•    2个引脚(D + 和 D-)用于USB2.0通信和1个控制电源开关的VBUS引脚
HX3控制器的4个超高速信号连接到嵌入式超高速设备的超高速引脚，而连接到嵌入式超高速设备的USB2.0引脚保持断开。共享链路端口的USB2.0端口连接与标准的USB2.0端口相同。
Hx3控制器中的共享链路端口配有以下相关引脚：

[li]USB2.0标准端口引脚[/li]

•    用于USB2.0数据传输的D+和D-线
•    负责控制DSx_PWREN信号(如图9所示)

[li]DSX_OVRCURR用作Hx3控制器的过电流指示(图8中未示出)[/li]

•    嵌入式超高速引脚
•    用于超高速数据传输的SSRX +、SSRX-、SSTX+和SSTX-引脚。
•    VBUS负责控制DSx_VBUSEN_SS信号(如图9所示)
如图8所示，USB2.0数据线(D+和D-)连接到可插拔的USB2.0端口连接器引脚，而超高速线路与嵌入式设备的超高速线路相连接。根据USB规范，每个可移动的DS端口必须在VBUS引脚上具有120μF的最小电容，从而在最大负载条件下保持稳定的电压。这就是为什么 需要150uF大容量电容器连接到VBUS_DS2线路，而嵌入式超高速端口的VBUS引脚不需要大容量电容。
USB连接器屏蔽(SHD1和SHD2)应通过RC电路并联接地，以降低电磁干扰，如图8所示。

                               
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图9：共享链路中的DS端口VBSU控制。(来源：赛普拉斯)
共享链路模式需要对可插拔USB2.0设备和嵌入式超高速设备进行单独的VBUS控制。图9显示了如何实现VBUS控制。
为了确保嵌入式超高速设备不会倒回USB2.0速度操作，需要加设一个外部电源开关。该开关由HX3控制，能够产生DSx_VBUSEN_SL输出信号。该信号控制嵌入式设备的VBUS。
DSx_PWREN是HX3控制器生成的另一个输出信号，能够控制可插拔USB2.0设备的VBUS。例如，发生过流时，DSx_PWREN可以关闭端口电源。DSx_OVRCURR引脚(图9中未示出)用于指示可移动端口的过流状态。对于嵌入式超高速端口该引脚是不需要的，因为此引脚已永久连接在嵌入式超高速端口内部。
注意：如有需要，开发人员可以禁用链路共享，默认配置已开启链路共享，需要更改 EEPROM 配置参数，使用Blaster plus 配置实用程序对已作修改的配置进行编程。
共享链路可以减少元件数量并减小印制电路板面积，从而减低物料成本。例如，表1比较了共享链路扩展坞设计和使用了2个集线器控制器的传统扩展坞的设计中使用的组件。与传统扩展坞设计相比，基于共享链路的扩展坞设计可以节省28个组件。安装组件所需的空间也相应地减少了。

                               
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表1 ：共享链路扩展坞和传统扩展坞的比较。(来源：赛普拉斯)

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