如何在下一個設(shè)計中成功集成USB 3.2 IP

作者：Synopsys技術(shù)市場經(jīng)理Morten Christiansen

本文概述了受益于USB 3.2帶寬增加的應(yīng)用，描述了USB Type-C?的最新USB 3.2規(guī)范，并說明了最新規(guī)范如何影響使用USB Type-C連接器和電纜速度。此外，還討論了USB 3.2的實現(xiàn)，USB 3.2的新功能以及設(shè)計人員如何在下一個設(shè)計中成功集成USB 3.2 IP。

一、USB 3.2應(yīng)用

許多應(yīng)用都存在無法滿足的“速度需求”。大容量存儲是一個經(jīng)典示例，它最大程度地減少了等待文件傳輸所花費的時間，從而使消費者受益匪淺。如今，大多數(shù)海量存儲設(shè)備僅以USB 3.0速度連接，這比旋轉(zhuǎn)硬盤驅(qū)動器(HDD)還要快。但是，在快速傳輸?shù)介W存固態(tài)磁盤(SSD)方面，USB 3.0已成為瓶頸。USB 3.2大容量存儲設(shè)備的連接速度達到20Gbps，實際吞吐量是USB 3.0的四倍以上，并具有最新SSD的功能。

圖形適配器

外部USB圖形適配器也可以利用USB 3.2。 USB 3.2可以使得長電纜(最長3m)可以達到10Gbps的連接速度，或使1m電纜的連接速度達到20Gbps，并具有高分辨率、高刷新率、低壓縮率和多顯示功能。一些擴展塢也可以同時使用USB和DisplayPort的一對或兩個通道同時連接其他USB和DisplayPort。如果用戶需要更多顯示功能，則DisplayPort備用模式允許將所有四個Type-C通道都用于DisplayPort。但是，USB連接僅限于USB 2.0速度。

視頻應(yīng)用

靜態(tài)相機和攝像機生成的數(shù)據(jù)量超過通過USB連接實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，因此它們通常要使用壓縮來降低吞吐量和存儲要求。如今的相機通常具有大容量存儲功能，這得益于更高的USB 3.2連接速度。

除了標(biāo)準(zhǔn)的消費類視頻應(yīng)用外，工業(yè)視覺系統(tǒng)也可以利用USB 3.2速度。在工業(yè)視覺系統(tǒng)中，通常不選擇壓縮，因為圖像捕獲、處理和采取適當(dāng)措施(例如從高速傳送帶上取下物品)的時間很緊迫。使用USB 3.2可使這些系統(tǒng)支持更高的分辨率或幀速率。

汽車應(yīng)用

由于電纜長度和專有的汽車連接器，汽車系統(tǒng)通常不支持USB 3.1 Gen 2連接。

但是，由于與USB 3.1 Gen 1相比，USB 3.2 Gen 1x2連接將吞吐量提高了一倍，達到10Gbps，因此可以大大改善信息娛樂數(shù)據(jù)傳輸。在服務(wù)模式下，這可以加快信息娛樂系統(tǒng)固件和應(yīng)用程序更新的速度，包括地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在任務(wù)模式下，消費者可以連接任何USB 2.0或USB 3.x設(shè)備，并且由于USB向后兼容標(biāo)準(zhǔn)，使得它們可以工作。

USB 3.2用于調(diào)試

固件工程師和軟件開發(fā)人員可以利用USB 3.2為消費者提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。更復(fù)雜的芯片需要更多帶寬才能有效地進行跟蹤和調(diào)試輸出。

專用的跟蹤和調(diào)試端口通常要使用昂貴的專用捕獲盒，這些捕獲盒需連接到專用開發(fā)板，通常只有少數(shù)工程師才能使用。設(shè)備模式下的Synopsys USB設(shè)備控制器或雙重角色控制器提供了外部緩沖區(qū)控制(EBC)功能。EBC可為從產(chǎn)品輸出的跟蹤和調(diào)試數(shù)據(jù)提供高達20Gbps的吞吐量，而無需在初始設(shè)置后進行軟件干預(yù)。產(chǎn)品上現(xiàn)有的Type-C連接器、標(biāo)準(zhǔn)USB電纜和PC /筆記本電腦被用于捕獲跟蹤和調(diào)試數(shù)據(jù)。

因此，USB 3.2和EBC為更多的工程師和開發(fā)人員提供了先進的跟蹤和調(diào)試功能，使他們能夠更快地開發(fā)質(zhì)量更好的產(chǎn)品。

二、定義USB 3.2

USB 3.2規(guī)范取代了USB 3.1規(guī)范。 USB 3.2引入了新的命名法，就像USB 3.1規(guī)范在取代USB 3.0規(guī)范時引入了新的命名法一樣。這意味著無論支持的連接速度如何，都應(yīng)根據(jù)USB 3.2規(guī)范設(shè)計所有支持Enhanced SuperSpeed的新USB產(chǎn)品。

USB 3.2定義了以下連接速度：

?通用術(shù)語：Gen X x Y-(速度x信道)

?增強的SuperSpeed Gen 1x1-(5G)

?增強的SuperSpeed Gen 2x1-(10G)

?增強的SuperSpeed Gen 1x2-(5G * 2 = 10G)

?增強型SuperSpeed Gen 2x2-(10G * 2 = 20G)

線路編碼架空(line encoding overhead)后，四種不同USB 3.2連接速度的最大吞吐量約為4Gbps、9.7Gbps、8Gbps和19Gbps。在各種USB協(xié)議和設(shè)備類架空后，實際的吞吐量較低，并且取決于實現(xiàn)方式。

USB 3.2 Gen 2x1和Gen 1x2均可提供10Gbps的原始數(shù)據(jù)速率。但是，由于Gen 2的線路編碼效率更高，Gen 2x1的吞吐量大約比Gen 1x2的吞吐量高1.2倍。兩者都需要10Gbps的連接速度，并支持不同的用例。

將USB 3.2命名法映射到USB 3.1和USB 3.0命名法：

?Gen 1x1 = SuperSpeed-> USB 3.0-> USB 3.1 Gen 1

?Gen 2x1 = SuperSpeedPlus-> USB 3.1-> USB 3.1 Gen 2

USB-IF尚未發(fā)布USB 3.2營銷建議。持續(xù)使用USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2 10G和USB 3.2 20G可以減少消費者的困惑。無論使用哪種市場名稱來描述USB 3.2產(chǎn)品，對于USB 3.2產(chǎn)品支持哪種連接速度，準(zhǔn)確而真實是很重要的。

三、USB 3.2和USB Type-C電纜和連接器

通過發(fā)布連續(xù)的規(guī)范更新，USB提高了速度，增加了功能和易用性，并保持了對早期USB規(guī)范的向后兼容性，從而使消費者對消費者的關(guān)注保持了20多年。使用新產(chǎn)品的設(shè)計人員應(yīng)參考2017年9月發(fā)布的USB 3.2規(guī)范。該規(guī)范使USB 3.1的連接速度提高了一倍，使用USB Type-C連接器和電纜可提供高達20Gbps的速度。

USB Type-C是當(dāng)前在大多數(shù)新型主機(PC、筆記本電腦、二合一平板、敞篷車混合動力車)和雙重功能機(平板電腦、電話)設(shè)備中使用的標(biāo)準(zhǔn)USB連接器。Type C外圍設(shè)備很常見，Type C充電器、迷你塢站、A / V適配器、集線器等更容易看到。

USB-IF通過將USB電纜和連接器章節(jié)移到單獨的文檔中，并著重強調(diào)了在USB 3.2規(guī)范中向USB Type-C連接標(biāo)準(zhǔn)的過渡。將標(biāo)準(zhǔn)A，標(biāo)準(zhǔn)B和迷你/微型連接器重命名為舊版USB連接器。

USB 3.2 Dual Lane模式設(shè)計用于USB Type-C連接器。USB 3.2采用USB Type-C連接器中的四個差分SuperSpeed / SuperSpeedPlus對，這與USB 3.1和USB 3.0不同，后者根據(jù)Type-C連接器的方向使用一個或另一個TX / RX通道對。

圖1：具有四個差分對/通道的USBType-C插座。

所有無源USB Type C電纜都可用于USB 3.2 Gen Xx2連接，因為根據(jù)USB Type C規(guī)范，必須有四個SuperSpeed / SuperSpeedPlus差分對。專為Gen 2(10G)設(shè)計的無源電纜的長度限制為大約1m，并且可以支持新的20G連接速度。專為Gen 1(5G)設(shè)計的兩米至三米無源電纜可以支持新的10G連接速度。

有源電纜被用于將Gen 2的USB Type C電纜的長度延長到1m以上，而Gen 1則延長到5m。某些有源電纜可能選擇不支持四個差分對。此外，可以完全不支持USB的方式設(shè)計用于DisplayPort備用模式的有源電纜。USB-IF(USB)和VESA(DisplayPort)定義了有源電纜規(guī)格，以確保有源電纜可用于USB 3.2連接。

通過兩條USB 3.1(10G)通道的通道帶和通道綁定(例如拆分和合并數(shù)據(jù))，USB 3.2的原始數(shù)據(jù)速率可達到20Gbps。USB 3.2還通過通道帶和綁定兩個USB 3.0(5G)通道來支持10Gbps。 USB 3.2還支持USB Type-C功能，例如備用模式、電源傳輸和數(shù)字音頻。

USB 3.2向后兼容的要求意味著USB 3.2系統(tǒng)的設(shè)計和操作非常重要。 USB 3.2主機控制器必須支持所有USB設(shè)備和連接速度。這意味著可以將USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2設(shè)備連接到USB 3.2主機。僅當(dāng)主機控制器和連接的集線器和/或外圍設(shè)備具有USB 3.2 Gen Xx2功能時，才可以使用USB 3.2 Gen Xx2雙通道操作。

同樣，連接USB 3.0或USB 3.1集線器后，USB 3.2主機將退回到單通道模式。如果連接到USB 3.0或3.1主機，則USB 3.2集線器將退回到單通道模式。

連接到USB 3.2主機的USB 3.2集線器必須支持下游外圍設(shè)備的所有變體，并根據(jù)需要在單通道和雙通道之間進行轉(zhuǎn)換。 USB 3.2集線器必須支持數(shù)據(jù)包的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)處理以及速度轉(zhuǎn)換。所以設(shè)計兼容的USB 3.2集線器非常復(fù)雜。

圖2說明了USB 3.2通道帶和通道綁定：在USB 3.2 Gen Xx2模式下，主機和設(shè)備控制器TX路徑的運行速度是單通道USB 3.1或3.0連接速度的兩倍。有效載荷數(shù)據(jù)在PHY和電纜中的兩個TX / RX通道上分開(拆分)，并在設(shè)備和主機控制器的RX路徑中合并(結(jié)合)。

圖2：USB 3.2通道帶和通道綁定。

USB 3.2規(guī)范將標(biāo)準(zhǔn)USB接口重命名為Legacy USB接口。舊電纜組件和Type-C連接舊適配器電纜僅支持單通道操作，不適用于USB 3.2 Gen Xx2連接。

使用USB 3.2 IP的片上系統(tǒng)(SoC)集成器必須意識到啟用20Gbps原始數(shù)據(jù)速率所需的帶寬增加和低延遲。USB控制器和系統(tǒng)內(nèi)存之間至少需要2Gbytes / s的持續(xù)讀寫帶寬才能實現(xiàn)USB 3.2。通過向USB 3.2控制器添加FIFO和預(yù)取功能，可以放寬延遲要求。選擇正確的USB 3.2主機、設(shè)備或雙重角色控制器，可簡化SoC或ASIC IP集成，降低風(fēng)險，并加快產(chǎn)品上市時間。

USB 3.2控制器

為了支持USB 3.2 Gen Xx2操作，需要對USB 3.0或USB 3.1控制器的鏈路層進行更改。在輪詢PortMatch期間，主機和設(shè)備發(fā)現(xiàn)并協(xié)商單通道和雙通道功能。USB 3.2連接優(yōu)先級為Gen 2x2，緊接著是Gen 2x1，然后是Gen 1x2，最后是Gen 1x1。

USB 3.2鏈接設(shè)置是在配置通道上執(zhí)行的，該通道被定義為將用于Gen Xx1連接的通道。低頻信令僅在配置通道上交換。僅在配置通道上需要接收器終止檢測。但是，有序集在兩個通道上同時傳輸。Gen Xx2流量在兩個通道上進行條帶化，使用128b / 132b編碼，對于Gen 1x2連接使用交替的8b / 10b符號，對于Gen 2x2連接使用交替的字節(jié)。需要最小的信道偏斜才能正確組合或“綁定”兩個單獨的車道。

為了最大程度地提高吞吐量，USB 3.2主機控制器必須實現(xiàn)USB 3.2感知的調(diào)度程序。特別是，必須設(shè)計定期傳輸調(diào)度程序，以管理連接到集線器端口的多個USB 3.0、3.1和3.2設(shè)備(連接速度為20Gbps、10Gbps、2 * 5Gbps和5Gbps)。

軟件堆棧

正如USB 3.1編程模型沒有從USB 3.0更改一樣，USB 3.2主機和設(shè)備控制器的編程模型也沒有更改以支持x2連接。符合USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2 xHCI的主機控制器均使用相同的xHCI主機軟件堆棧。

Synopsys的USB設(shè)備控制器對USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2使用相同的設(shè)備軟件堆棧。但是，20Gbps的吞吐量可以揭示5Gbps或10Gbps所不存在的操作系統(tǒng)和/或CPU和內(nèi)存瓶頸。此外，可能需要優(yōu)化設(shè)備類驅(qū)動程序和/或設(shè)備功能(例如大容量存儲、網(wǎng)絡(luò)和視頻)，以利用新的20Gbps連接速度。

USB 3.2 PHY

單通道Type C PHY使用模擬多路復(fù)用器，來為Gen Xx1連接路由活動的TX / RX通道對。模擬多路復(fù)用器會降低信號質(zhì)量，因此不是Gen 2操作的首選。單通道Type C PHY不支持USB 3.2 Gen Xx2。

另一種Type C PHY實現(xiàn)具有兩個獨立的RX / TX通道對，并使用數(shù)字交叉開關(guān)為Gen Xx1連接啟用一個或另一個通道。可以修改雙通道PHY，以使第一個通道對Gen Xx1有效，而兩個通道對Gen Xx2有效，如圖3所示。

圖3：Type-C連接器上的USB 3.2和DisplayPort(DP)備用模式信道使用情況

Synopsys USB Type-C PHY正在針對USB 3.2和USB /DisplayPort應(yīng)用的多個過程節(jié)點進行開發(fā)。Synopsys USB-C PHY使用具有數(shù)字交叉開關(guān)的Type-C輔助(TCA)。這種架構(gòu)可確保最佳的信號質(zhì)量，從而提供可靠的消費者體驗。開發(fā)人員可以將Synopsys USB Type-C PHY和控制器集成到最適合其設(shè)計的過程節(jié)點中的ASIC或SoC中。

USB 3.2子系統(tǒng)和解決方案

對于USB 3.2設(shè)計人員，Synopsys提供了控制器和PHY IP。使用這些IP，設(shè)計人員可以在設(shè)計ASIC或SoC時添加所需的互連、包裝器、時鐘、復(fù)位、測試、調(diào)試和掃描電路。但是，集成定制子系統(tǒng)(圖4)可以減少風(fēng)險和集成工作，并加快產(chǎn)品上市時間。集成子系統(tǒng)可以使設(shè)計人員專注于自己的增值工作。

例如，DesignWare USB Type-C / DisplayPort子系統(tǒng)可以包括USB 3.2雙角色設(shè)備控制器、DisplayPort 1.4a TX控制器、HDCP 2.2嵌入式安全模塊，以及USB-C / DisplayPort、USB 2.0和DP AUX PHY。子系統(tǒng)包括所有必需的互連、包裝器和驗證IP，以驗證圖3所示的操作模式。

圖4：DesignWare接口IP子系統(tǒng)框圖

四、USB 3.2原型設(shè)計以實現(xiàn)InterOp和合規(guī)性

現(xiàn)代IP開發(fā)的主要部分是“虛擬”。IP設(shè)計人員在向系統(tǒng)設(shè)計人員發(fā)布RTL代碼以集成到ASIC或SoC中之前，需要使用仿真和驗證IP來驗證設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用虛擬IP原型服務(wù)來驗證SoC集成并開發(fā)固件和軟件。但是，IP設(shè)計人員和系統(tǒng)設(shè)計人員需要用于硬件開發(fā)、演示、互操作性測試、調(diào)試和一致性測試的硬件原型實現(xiàn)。

Synopsys將基于HAPS-80 FPGA的原型系統(tǒng)用于USB 3.2 IP控制器開發(fā)。 PHY子板上的USB 3.2測試芯片連接到HAPS-80系統(tǒng)中的FPGA。USB 3.2主機和設(shè)備控制器均為原型。圖5顯示了在Linux PC上實現(xiàn)的具有標(biāo)準(zhǔn)大容量存儲功能的PHY板和設(shè)備控制器。

設(shè)備控制器連接到另一個實現(xiàn)USB 3.2主機控制器的HAPS-80系統(tǒng)和PHY板。使用標(biāo)準(zhǔn)xHCI軟件堆棧，將主機控制器連接到運行Windows 10的標(biāo)準(zhǔn)PC。

圖5：用于開發(fā)和測試USB 3.2 IP的Synopsys HAPS-80 FPGA原型系統(tǒng)

編輯：hfy