TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器深度解析

在當(dāng)今高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)代，USB 3.0技術(shù)憑借其高速率、高帶寬的優(yōu)勢，在各類電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。TUSB73x0作為一款USB 3.0-compliant xHCI主機(jī)控制器，為我們的設(shè)計(jì)帶來了諸多便利和強(qiáng)大功能。今天，我們就來深入探討一下TUSB73x0的相關(guān)特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tusb7340.pdf

一、TUSB73x0概述

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340兩款產(chǎn)品。TUSB7320支持多達(dá)兩個(gè)下游端口，而TUSB7340則支持多達(dá)四個(gè)下游端口，它們均采用引腳兼容的100引腳RKM封裝。這兩款控制器通過PCIe x1 Gen 2接口與主機(jī)系統(tǒng)相連，能夠在下游USB端口上提供SuperSpeed、高速、全速或低速連接。

特性亮點(diǎn)

1. 端口靈活性：每個(gè)下游端口可獨(dú)立啟用或禁用，還可標(biāo)記為可移動或不可移動，具備獨(dú)立的電源控制和過流檢測功能。
2. 信號調(diào)節(jié)：可對傳輸擺幅、去加重和均衡設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化信號傳輸質(zhì)量。
3. 低配置要求：默認(rèn)配置無需外部閃存，還可通過可選的串行EEPROM進(jìn)行自定義配置。
4. 時(shí)鐘支持：支持低成本晶體或振蕩器，內(nèi)部具備擴(kuò)頻生成功能。
5. 自適應(yīng)均衡：采用一流的自適應(yīng)接收器均衡器設(shè)計(jì)，可有效補(bǔ)償信道插入損耗，減少符號間干擾。

二、應(yīng)用場景

TUSB73x0的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

1. 服務(wù)器領(lǐng)域：如機(jī)架服務(wù)器、微服務(wù)器和塔式服務(wù)器，可滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和多設(shè)備連接的需求。
2. 高性能計(jì)算：為高性能計(jì)算系統(tǒng)提供穩(wěn)定的USB接口支持。
3. 存儲網(wǎng)絡(luò)：在存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和主機(jī)總線適配器（HBA）卡中發(fā)揮重要作用。
4. 桌面電腦：可用于桌面PC或主板，提升USB接口的性能和功能。

三、詳細(xì)特性分析

1. PHY控制

輸出電壓擺幅控制

通過De - Emphasis and Swing Control Register中的SWING位，可將每個(gè)發(fā)射器的輸出擺幅獨(dú)立設(shè)置為多個(gè)選項(xiàng)之一。降低輸出幅度可按比例減少電流消耗，從而節(jié)省功耗。

去加重控制

去加重功能可補(bǔ)償連接介質(zhì)中的高頻衰減。通過De - Emphasis and Swing Control Register中的PORTx_DE位，提供了十五種不同的去加重設(shè)置。

自適應(yīng)均衡器

所有接收通道均采用自適應(yīng)均衡器，可通過Equalizer Control Register的Portx_EQ位進(jìn)行配置。它能通過衰減信號的低頻分量來補(bǔ)償信道插入損耗，減少符號間干擾。

2. 輸入時(shí)鐘

時(shí)鐘源要求

TUSB73x0支持外部振蕩器源或晶體單元，時(shí)鐘源頻率可以是24 MHz或48 MHz。使用晶體時(shí)，需在XI和XO之間連接一個(gè)2 - MΩ的反饋電阻，并遵循相關(guān)連接準(zhǔn)則。

外部時(shí)鐘

使用外部時(shí)鐘源時(shí)，參考時(shí)鐘應(yīng)具有±100 PPM或更好的頻率穩(wěn)定性，絕對峰 - 峰值抖動小于50 ps，或在應(yīng)用USB 3.0抖動傳遞函數(shù)后小于25 ps。

外部晶體

使用晶體時(shí)，XI和XO之間需要一個(gè)外部2 - MΩ的反饋電阻，同時(shí)要注意晶體的相關(guān)規(guī)格。

3. 編程

兩線串行總線接口

主機(jī)控制器提供兩線串行總線接口，可從外部EEPROM加載子系統(tǒng)識別信息和特定寄存器默認(rèn)值。使用外部EEPROM是可選的，TUSB73x0在默認(rèn)設(shè)置下也能正常工作。

系統(tǒng)管理中斷

TUSB73X0包含一個(gè)系統(tǒng)管理中斷（SMI）引腳，可在系統(tǒng)BIOS中實(shí)現(xiàn)USB支持。該引腳由USB Legacy Support Control/Status Register中的位控制。

四、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求

輸入電壓范圍為1.1V至3.3V，輸出電壓為5V，輸出電流額定值為484 MHz。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 上游實(shí)現(xiàn)：TUSB7320的上游端口連接到PCIe x1 Gen 2接口，使用48 - MHz外部晶體時(shí)，需在XI和XO之間連接一個(gè)外部2 - MΩ的反饋電阻。
• 下游端口實(shí)現(xiàn)：下游端口連接到USB3 Type A連接器。
• PCI Express連接器：PERp和PERn信號必須連接到0.1 μF的耦合電容器。
• 1.1 - V穩(wěn)壓器：若僅使用一個(gè)電源源，則需使用1.1 - V穩(wěn)壓器。
• 5 - V VBUS選項(xiàng)：可使用5 - V穩(wěn)壓器或IDE電源連接器來生成5 - V源。

2. 電源供應(yīng)建議

上電和下電順序

主機(jī)控制器包含1.1 - V和3.3 - V電源端子，上電時(shí)應(yīng)先施加3.3 - V電壓，再施加1.1 - V電壓，GRST#必須保持有效，直到兩個(gè)電壓達(dá)到最小推薦工作電壓。下電時(shí)，先斷言PERST#，再移除參考時(shí)鐘和電源電壓。

PCI Express電源管理

TUSB73X0在內(nèi)存映射寄存器空間中包含MSI - X Table和PBA，可通過Base Address Register 2/3中編程的地址進(jìn)行訪問。

3. 布局指南

高速差分布線

高速差分對（USB_DM和USB_DP）連接到A型USB連接器，差分對走線應(yīng)具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信號對的走線長度應(yīng)匹配，總走線長度應(yīng)盡量短。

SuperSpeed差分布線

SuperSpeed由兩個(gè)差分布線對組成，每個(gè)差分對走線應(yīng)具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信號對的走線長度匹配誤差應(yīng)不超過5 mils，總長度不超過六英寸。

五、寄存器映射

TUSB73x0的寄存器映射包括經(jīng)典PCI配置空間、PCI Express擴(kuò)展配置空間、xHCI內(nèi)存映射寄存器空間和MSI - X內(nèi)存映射寄存器空間。這些寄存器用于控制和配置控制器的各種功能，如端口設(shè)置、電源管理、中斷控制等。

六、總結(jié)

TUSB73x0作為一款功能強(qiáng)大的USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器，具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其特性和要求，合理進(jìn)行電源供應(yīng)、布局布線和寄存器配置，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高性能。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地理解和應(yīng)用TUSB73x0，在實(shí)際項(xiàng)目中發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

各位工程師在使用TUSB73x0的過程中，是否遇到過一些獨(dú)特的問題或有一些巧妙的解決方案呢？歡迎在評論區(qū)分享交流！