探索TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在當(dāng)今數(shù)字化飛速發(fā)展的時(shí)代，USB接口作為設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸和供電的重要橋梁，其性能和兼容性至關(guān)重要。TUSB7320和TUSB7340作為TI推出的USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器，為我們帶來了高效且穩(wěn)定的解決方案。今天，我們就深入探討一下這兩款芯片的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

文件下載：tusb7320.pdf

一、TUSB73x0簡介

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340，它們均采用100引腳的RKM（WQFN - MR）封裝，引腳兼容。TUSB7320支持最多兩個(gè)下游端口，而TUSB7340則支持最多四個(gè)下游端口。在后續(xù)的討論中，我們用TUSB73x0來統(tǒng)稱這兩款芯片。

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，并且可以標(biāo)記為可移動(dòng)或不可移動(dòng)，同時(shí)具備獨(dú)立的電源控制和過流檢測功能。這使得在不同的應(yīng)用場景中，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活配置端口，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。
2. 信號調(diào)節(jié)：每個(gè)端口都可以對傳輸擺幅、去加重和均衡設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，有助于優(yōu)化信號質(zhì)量，減少信號干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
3. 時(shí)鐘與電源管理：支持外部振蕩器源或晶體單元，時(shí)鐘頻率可以是24 MHz或48 MHz。同時(shí)，芯片內(nèi)部集成了擴(kuò)頻生成功能，有助于降低電磁干擾。此外，芯片不需要外部閃存進(jìn)行默認(rèn)配置，可選的串行EEPROM可用于自定義配置。
4. 低功耗設(shè)計(jì)：通過調(diào)整輸出擺幅可以直接按比例減少電流消耗，從而節(jié)省功耗。不同工作狀態(tài)下的功耗表現(xiàn)也較為出色，例如TUSB7320在2個(gè)SuperSpeed設(shè)備活動(dòng)時(shí)，總功耗為1003.20 mW；在系統(tǒng)空閑狀態(tài)下，總功耗僅為70.95 mW。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB73x0具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 服務(wù)器領(lǐng)域：在機(jī)架服務(wù)器、微服務(wù)器和塔式服務(wù)器中，TUSB73x0可以提供高速穩(wěn)定的USB連接，滿足服務(wù)器對數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備擴(kuò)展的需求。
2. 高性能計(jì)算：在高性能計(jì)算系統(tǒng)中，需要快速的數(shù)據(jù)傳輸和可靠的設(shè)備連接，TUSB73x0的SuperSpeed連接能力可以很好地滿足這些要求。
3. 存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和主機(jī)總線適配器（HBA）卡：在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，TUSB73x0可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，提高存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫效率。
4. 桌面PC或主板：為桌面PC和主板提供更多的USB端口選擇，支持各種USB設(shè)備的連接，增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 引腳配置與功能

TUSB73x0的引腳配置涵蓋了時(shí)鐘、復(fù)位、PCI Express接口、USB下游端口等多個(gè)方面。例如，GRST#用于全局電源復(fù)位，XI和XO用于晶體輸入和輸出，PCIE_REFCLKP和PCIE_REFCLKN用于PCI Express參考時(shí)鐘等。在設(shè)計(jì)過程中，需要特別注意引腳的連接和信號的處理，確保各個(gè)信號的穩(wěn)定性和正確性。

2. 電氣特性與規(guī)格

絕對最大額定值

在使用TUSB73x0時(shí)，必須嚴(yán)格遵守絕對最大額定值，例如電源電壓、輸入電壓、輸出電壓等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，影響設(shè)備的可靠性。

ESD評級

芯片的ESD評級為人體模型（HBM）±1500 V，帶電設(shè)備模型（CDM）±500 V。在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，如使用ESD鉗位器等，以保護(hù)芯片免受靜電放電的影響。

推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓范圍、工作溫度范圍等。例如，VDD33的推薦電壓范圍為3 - 3.6 V，工作溫度范圍根據(jù)不同的版本有所不同，工業(yè)版本為 - 40 - 85℃。在設(shè)計(jì)電源和散熱系統(tǒng)時(shí)，需要確保芯片在推薦的工作條件下運(yùn)行，以保證其性能和穩(wěn)定性。

3. PHY控制

輸出電壓擺幅控制

通過De - Emphasis和Swing Control Register中的SWING位，可以獨(dú)立設(shè)置每個(gè)發(fā)射器的輸出擺幅。不同的SWING值對應(yīng)不同的AC - 耦合振幅，通過調(diào)整輸出擺幅可以直接影響電流消耗，從而實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化。

去加重控制

去加重可以補(bǔ)償連接介質(zhì)中的高頻衰減。通過Portx_DE位可以設(shè)置15種不同的去加重設(shè)置，不同的設(shè)置對應(yīng)不同的振幅衰減和dB值。

自適應(yīng)均衡器

所有接收通道都集成了自適應(yīng)均衡器，可以通過Equalizer Control Register的Portx_EQ位進(jìn)行配置。自適應(yīng)均衡器可以補(bǔ)償通道插入損耗，減少符號間干擾，提高信號質(zhì)量。

4. 輸入時(shí)鐘

TUSB73x0支持外部振蕩器源或晶體單元。當(dāng)使用晶體時(shí)，需要在XI和XO之間連接一個(gè)2 - MΩ的反饋電阻，并注意晶體的負(fù)載電容等參數(shù)。在使用外部時(shí)鐘時(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 - 峰抖動(dòng)小于50 ps或應(yīng)用USB 3.0抖動(dòng)傳遞函數(shù)后小于25 ps。

5. 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。在PCIe附加卡中，如果需要標(biāo)記USB端口為不可移動(dòng)、禁用端口、設(shè)置PCIe子系統(tǒng)ID和供應(yīng)商ID等操作，則需要使用EEPROM。

系統(tǒng)管理中斷

TUSB73X0包括一個(gè)系統(tǒng)管理中斷（SMI）引腳，用于在系統(tǒng)BIOS中支持USB功能。通過USB Legacy Support Control/Status Register中的位可以控制SMI引腳的狀態(tài)。

6. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出電流額定值等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為1.1V - 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)過程

• 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)，需要在XI和XO之間連接一個(gè)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，在布線時(shí)需要注意高速差分對的阻抗匹配和長度匹配。
• PCI Express連接器：PERp和PERn信號必須連接到0.1 μF的耦合電容，以保證信號的穩(wěn)定性。
• 1.1 - V調(diào)節(jié)器：為了僅使用一個(gè)電源源，需要使用1.1 - V調(diào)節(jié)器?？梢酝ㄟ^調(diào)整電阻值來設(shè)置不同的輸出電壓。
• 5 - V VBUS選項(xiàng)：可以使用5 - V調(diào)節(jié)器或IDE電源連接器來生成5 - V源。

布局要點(diǎn)

在PCB布局時(shí)，需要遵循一些重要的原則：

• 高速差分布線：對于高速差分對（如USB_DM和USB_DP、USB_SSTXM和USB_SSTXP、USB_SSRXM和USB_SSRXP），應(yīng)確保90 Ω ±15%的差分阻抗，并且對信號對進(jìn)行長度匹配。同時(shí)，盡量減少過孔的使用，將差分對布線在頂層或底層。
• ESD和共模扼流圈：ESD鉗位器和共模扼流圈應(yīng)盡量靠近USB連接器信號引腳放置，以提高信號的抗干擾能力。

7. 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。每個(gè)寄存器空間都有其特定的功能和用途，通過對這些寄存器的配置和操作，可以實(shí)現(xiàn)對芯片的各種功能控制。例如，通過配置USB Command Register可以啟動(dòng)或停止芯片的運(yùn)行，通過讀取USB Status Register可以了解芯片的狀態(tài)信息。

四、總結(jié)

TUSB73x0作為一款高性能的USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器，具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分了解其引腳配置、電氣特性、PHY控制、輸入時(shí)鐘、編程、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)和寄存器映射等方面的知識，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要求和布局原則，才能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。希望本文能夠?yàn)?a target="_blank">電子工程師們在使用TUSB73x0進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。

以上就是關(guān)于TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機(jī)控制器的詳細(xì)介紹，你在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)留言討論。