采用 USB4 技术升级 SoC 设计 附基于SOC芯片的数据采集器系统设计.docx

《采用 USB4 技术升级 SoC 设计 附基于SOC芯片的数据采集器系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用 USB4 技术升级 SoC 设计 附基于SOC芯片的数据采集器系统设计.docx（7页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、USB4tm是USB开发者论坛（USB-IF）制定的一种新的连接标准。USB4支持多种高速接口协议，包括USB4、Disp1ayPortPC1Express和Thunderbo1t3,可通过单根USBType-C电缆高效地传输数据并同时传递数据、电源和高分辨率视频。USB4实现高达40Gbps的速度，是之前的USB3.2Gen2x2标准的两倍。本文简要概述了复杂的USB4新标准，包括电缆和连接器，以及片上系统（SOC）构建块。如需了解该标准的更多详细信息，请下载Synopsys白皮书，USB4：用户的期望或USB-IF制定的USB4规范促使设计变得日益复杂，。USB4电缆和连接器USB4可以使

2、用与USB3.2相同的无源Type-C到Type-C电缆，但是电缆长度可能不同。USB3.2支持在最长2米的电缆上保持5Gbps的超高速，同样的电缆支持USB4达到20Gbps的速度。USB3.2支持在最长1米的电缆上保持10Gbps和20Gbps的超高速，同样的电缆也支持USB4达到20Gbps的速度。将电缆长度减少到0.8米，可以支持USB440Gbps的速度。因此，我们预计USB3.2的1米电缆将被淘汰，取而代之的是使用新的USB4标志的0.8米电缆。除Disp1ayPort切换模式外，这些0.8米的电缆还适用于USB3.2和USB4USB440Gbps的电缆长度大于0.8米，USB42

3、0Gbps的电缆长度大于2米时，需要使用有源电缆。有源电缆的设计很复杂。USB4营销指南包含新的端口和电缆图标，表明支持USB4oUSB4主机、集线器、扩展坞和设备USB4规范描述了不同USB4产品类型的特性和功能。图1显示了USB4双总线系统架构，其中USB2.0（用于向后兼容）与USB4分开布线。USB主机“下游端口”连接到USB4集线器、USB扩展坞（图1中未显示）和USB4设备“上游端口其他USB4集线器、USB4扩展坞和/或USB4设备的连接就像USB2.0和USB3.2规范中已知的标准USB拓扑和设备树一样。图1：连接USB4主机、集线器和设备（来源：USB4规范图2-1）USB4

4、构建块USB4主机、集线器、扩展坞和设备的描述表明，设计USB4产品需要许多不同的构建块。Synopsys提供设计USB4产品所需的各种DesignWareIP0支持通道多路复用的USB4PHYDesignWareUSB4PHYIP可在USB4主机、USB4集线器下游端口（DFP）、USB4扩展坞DFP和某些USB4设备应用的高级工艺节点中使用。新思科技USB4PHY可以通过定制Type-C辅助（TCA）数字cross-bar切换功能，以实现主机应用的通道多路复用，如图2所示。数字交叉开关确保最佳的信号质量，这对于保证10Gbps和20Gbps的数据速率至关重要。Synopsys还在为某些US

5、B4设备应用提供合适的低成本工艺节点的USB4PHYoUSB4主机、集线器和扩展坞上用于DFP的USB4PHY必须以多种模式运行：USB4、Thunderbo1t3USB3.x和Disp1ayPortTX切换模式，如图2所示。Type-CPinNameTX1+/-RX1+/-TX2+/-RX2/-PHY1aneUSBTXUSBRXUSBTXUSBRXPHY1aneConfigurationDPTXorDPTXDPTXorDPTXConfigurationUSB3.1ssss+ssss+NotusedNotusedType-CNorma15G10GNotusedNotusedSSSSSSSSTy

6、peCF1ippedUSB3.2SSSS+1aneOSSSS+1ane0SSSS1ane1SSSS*1ane1Type-CNorma15G10Gx2SSSS1ane1SSSS+1ane1SSSS+1aneOSSSS+1ane0Type-CF1ippedUSB4.01aneO1aneO1ane11ane1Type-CNorma110G220Gx21ane11ane11aneO1aneOType-CF1ippedTB310.3125G1aneO1aneONotusedNotusedType-CNorma120.625Gx1NotusedNotused1aneO1aneOType-CF1ippedT

7、B310.3125G1aneO1aneO1ane11ane1Type-CNorma120.625Gx21ane11ane1IaneO1aneOType-CF1ippedUSB&DP1.4SSSS+SSSS*HBRM11HBRM1OType-CNorma1(1,21anes)HBRM11HBRM1OSSSSSSSSType-CF1ippedDP1.4eDPHBRM12HBRM13HBRM1IHBRM1OType-CNorma1(1,2,41anes)HBRM11HBRM1OHBRM12HBRM13Type-CF1ippedConneC-OrOnen-a-n图2：复杂的USB4、USB3.x和Di

8、sp1ayPort(DP)切换模式在Type-C连接器上的使用支持在USB4PHY中使用Disp1ayPort2.0Disp1ayPort2.0流量不会通过USB4或ThUnderboIt进行隧道传输，因为USB4规范仅定义了Disp1ayPort1.4a隧道传输。SynopsysUSB4PHY支持Disp1ayPort1.4TX切换模式，可以根据新发布的Disp1ayPort2.0切换模式规范进行定制以支持Disp1ayPort2.0TXo当通过定制支持Disp1ayPort2.0TX后，Synopsys的USB4PHY支持UHBR10UHBR13.5和UHBR20数据速率。UHBR20的四

9、个通道可提供80Gbps的原始数据速率，能够支持8K或甚至16k显示器和电视、高刷新率游戏、高级AR/VR和其他高级显示应用。用于A1加速的USB4设备路由器Synopsys提供DeSignWareUSB4设备路由器IP,该IP最初面向的是边缘和大容量存储应用的人工智能(A1)加速器。每个A1加速器如何与关联的本地计算和存储器一起运行，取决于具体实际情况，但是图3展示了一个可能的示例。在USB4模式下，这个A1加速器使用USB4连接到带有隧道PCIe的PC1e4.0嵌入式端点。这种模式使A1加速器可以利用连接到主机系统存储器的低延迟直接存储器访问(DMA)连接。在USB3.x模式下，该AI加速

10、器使用旧版USB流(同步)或大量流量连接到USB主机。图3还显示了支持PCIe4.0的定制USB4PHYo集成定制的USB4PHY时，可以将A1加速器安装在嵌入式主机中的PCB上，或安装在PCIe扩展卡上。图3：用于边缘和大容量存储的A1加速器使用USB4路由器IP支持新功能使用额外的USB4构建块完成SoC设计除了DesignWareUSB4PHYIP和USB4设备路由器外，Synopsys还提供xHCI增强型超高速控制器IP,可用于USB4主机、USB4集线器和USB4扩展坞产品。此外，Synopsys还提供用于USB4扩展坞和USB4设备产品的USB2.0和USB3.2设备控制器IP,以

11、及用于USB4扩展坞和USB4设备产品中的旧版USB端口的USB2.0和USB3.2PHYIP。对于显示应用，Synopsys通过使用SynopsysHDCP2.3嵌入式安全模块提供支持高清内容保护（HDCP）的Disp1ayPort1.4TX（源）控制器IP。这种IP组合可用于USB4主机、USB4扩展坞和USB4设备产品。Synopsys还提供DesignWareUSB/Disp1ayPort1.4PHYIP,可与USB4扩展坞和USB4设备产品使用的旧版Disp1ayPort连接器一起使用。设计人员如果想要推出与众不同的USB4扩展坞设计，可以将SynopsysHDMI控制器和PHYIP

12、与适合旧版HDMI端口的HDCP2.3ESM安全IP一起集成到USB4扩展坞或USB4设备上。SynopsysDesignWare用于USB4主机的PCIe控制器（PC1e根复合体）IP,用于USB4集线器、USB4扩展坞和复杂USB4设备的PCIe交换机，以及PCIe设备控制器（PC1e嵌入式端点），均可用于USB4扩展坞和USB4设备产品。总结谪户的期望促使USB4变得日益复杂，消费者希望USB4产品能够同时支持USB、Thunderbo1t和Disp1ayPort操作模式以及现有产品。根据现有规范精心设计的USB4产品也会支持未来的产品。只有未来才能确定2019年发布的USB4规范是不是

13、最终的USB规范、是否会出现USB4发展放缓，和/或设计人员将来是否必须面对USB5o无论如何，满足用户“USB正好合适的”的期望的USB4产品设计将会令USB4取得成功。作为USB技术和标准的主要贡献者，Synopsys的员工为几乎所有已发布的USB标准提出了意见。SynOPSyS是世界上最受欢迎和使用最广泛的USBIP供应商，产品符合从USB1.1到USB4的所有USB标准。敬请联系Synopsys,详细了解我们如何帮助您的下一个设计支持最新USB4规范，或启动需要具有HDCP1P支持功能的PCIeUSB和/或Disp1ayPort的项目。基于SOC芯片的数据采集器系统设计RS422总1）

14、蠢C一二RS422接口图1数据采集器系统结构框图CAN总线ICAN接口图2基板模块原理框图摘要：封航空数据采集器进行优化设计，提出一种基于SOC芯片的数据采集系统设计方案。重点阐述了系统硬件结构组成，给出了1394功能模块、基板模块和PS电源模块的设计，同时对比了传统设计的不足和给出本设计的优点。经试验验证表明，该系统能够满足实时性要求，稳定性良好，可靠性较高。关键词：数据采集器SoC芯片CAN总线RS422总线1引言在传统的航空数据采集器设计中，多采用模块化设计方案，将不同的功能单元设计为单独的模块，各功能模块之间通过母板上的局部总线接口，实现处理器模块和其他功能模块的访问连接。传统的设计方

15、案采用标准模块化设计，实现了模块的通用性和复用性，但是其结果是数据采集器产品的尺寸大，重量大。在新一代飞机设计体系中，以小型化和轻型化为核心，提出了减重设计的新要求。本文提出一种基于SOC芯片设计方案，采用SOC芯片集成的功能单元进行设计，减少产品模块的组成，从而设计出满足小型化、轻型化要求的数据采集器。2数据采集器系统结构设计数据采集系统架构框图如图1所示，该系统结构是以负责数据采集系统任务功能的处理器和输入输出逻辑控制的FPGA为核心，采用可编程SOC芯片，其内部集成ARM处理器硬核和可编程逻辑资源,通过片内AXI总线连接处理器硬核和可编程逻辑资源。每一路输入接口通过信号调理等预处理电路处理后，由可编程逻辑负责完成数据采集，处理器通过访问逻辑获取所有的底层采集数据结果，根据上位机数据传输协议要求，将这些采集数据进行打包处理，周期性通过1394总线发送给上位机;同时，数据采集器周期性从1394总线上获取总线数据，将该总线数据进行解析，将需要的输出的命令通过可编程逻辑输出到各个接口。数据采集器内部设计了3个功能