单片机开发通过USB-C重定时USB4

2021-01-21

USB-C连接器是统治所有(yǒu)连接器的一种连接器。它的定义具有(yǒu)出色的灵活性，并已在不同的互连中广泛采用(yòng)。在尝试重新(xīn)计时运行在其上的信号（尤其是活动電(diàn)缆）时，这种灵活性和使用(yòng)多(duō)样性也是许多(duō)困难的根源。对于重定时器而言，这些困难的一个关键根源是USB-C支持的所有(yǒu)选项和模式之间的许多(duō)交互。

USB-C通过一系列替代或“ Alt”模式支持USB，Thunderbolt，DisplayPort，HDMI和MHL以及其他(tā)新(xīn)兴协议。每个都有(yǒu)其自己的协议和物(wù)理(lǐ)层，必须由重定时器分(fēn)别处理(lǐ)。它们是由不同的小(xiǎo)组在不同的时间出于不同的目的定义的。协议层彼此不同。物(wù)理(lǐ)层也以不同的速率，不同的后向兼容模式和约束条件以不同的方式定义。它们可(kě)以装配在一起并在一个连接器定义上运行，这是一项巧妙的工程壮举。

图2：USB-C有(yǒu)源電(diàn)缆必须处理(lǐ)任一方向的配置流程。

第二个对齐尺寸是電(diàn)缆的每一端都可(kě)以插入，插头的任一侧都在顶部。為(wèi)了使用(yòng)户不必迷惑插头的方向，USB-C已被定义為(wèi)允许将插头两端的任一方向插入。这再次是对USB-A连接器的一项重大改进，它是通过在每个方向上定义两对中的每对，分(fēn)别在连接器的相对角上插脚来实现的。所有(yǒu)其他(tā)连接（包括電(diàn)源，接地和边带信号）也以对称方式定义。在某些应用(yòng)场景中，反转的控制很(hěn)重要，因此，必须具备功能(néng)齐全的USB-C重定时器，才能(néng)在内部翻转导線(xiàn)之间的连接。

图3：USB-C的電(diàn)線(xiàn)连接能(néng)力可(kě)以根据插入方式进行翻转。

USB-C重定时器也必须与電(diàn)源（PD）控制器进行交互。USB-C允许生产者和消费者之间就通过链路传输的功率进行协商(shāng)。因此，USB-C重定时器需要支持与PD控制器的两線(xiàn)接口（TWI）。

USB-C重定时器必须支持多(duō)种时钟模式。模式為(wèi)位级重定时（BLR）和具有(yǒu)独立SSC（SRIS）的独立参考时钟。

USB-C还允许某些多(duō)功能(néng)模式。一个例子就是其中一个高速通道為(wèi)USB 3.2，另一个通道為(wèi)DisplayPort。重定时器无法预先确定所需的配置。而是在与外围设备协商(shāng)后由主机根据需要声明它。

由于20 Gbps的SerDes速率，USB4是需要重新(xīn)定时器而不需要重新(xīn)驱动器来完成工作的一代。模拟转接驱动器的三个主要缺点是：

转接驱动器会放大信号及其内部接收器的噪声。 

转接驱动程序仅部分(fēn)清除符号间干扰（ISI）。 

转接驱动器不会恢复眼图宽度，并会传播抖动。 

结果，无法利用(yòng)转接驱动器之前和之后的链接的完整范围。在每个地方都必须使用(yòng)较短的走線(xiàn)長(cháng)度，以最大程度地减少增加的噪声，残留ISI，抖动和狭窄眼宽的影响。由于这些问题，在所有(yǒu)设想的使用(yòng)场景中，系统开发人员将承受沉重的负担，以了解和表征转接驱动程序对最终系统的复杂影响。当在数据路径中使用(yòng)多(duō)个重定时器时，这些问题成倍增加。

图4：重定时器完全恢复信号。转接驱动程序则没有(yǒu)。

USB4也是新(xīn)一代的产品，除了最小(xiǎo)的外形尺寸外，在所有(yǒu)端口上都需要一个靠近所有(yǒu)端口的重定时器。这是因為(wèi)要使USB4端口达到其最大范围，就无法用(yòng)尽整个微处理(lǐ)器和USB-C连接器之间的印刷電(diàn)路板（PCB）损耗预算。在最早期的几代人中，PCB上的损耗可(kě)以吸收到损耗预算中。在USB4的大多(duō)数主机方案中，都需要重定时器，特别是在系统不想使用(yòng)最昂贵类型的PCB材料的情况下。当然，如果可(kě)以将连接器紧邻微处理(lǐ)器放置，则无需重新(xīn)定时器。

图5：USB4是需要在连接器附近重新(xīn)计时的一代。

在某些应用(yòng)中，微处理(lǐ)器仅具有(yǒu)不支持USB4和其他(tā)协议的全部要求的通用(yòng)SerDes。在某些情况下，紧邻主机的位置需要第二个定时器。

此外，USB4也是有(yǒu)源電(diàn)缆走在前列的一代。到目前為(wèi)止，USB大部分(fēn)都可(kě)以使用(yòng)无源電(diàn)缆。尽管在最短的时间内仍然可(kě)以使用(yòng)无源電(diàn)缆作為(wèi)USB4的选件，但在许多(duō)情况下仍将需要有(yǒu)源電(diàn)缆。由于重定时器所需的功耗增加，这一事实将干扰USB4在某些应用(yòng)中的用(yòng)途。

几种协议已為(wèi)主机定义了方法，使主机可(kě)以进入一系列重定时器中的每个定时器，并為(wèi)每个重定时器调整均衡器参数。这些协议中有(yǒu)多(duō)种模式定义对称和非对称方法。USB-C重定时器必须参与所有(yǒu)这些协议。

图6：重定时器序列将在USB4中变得很(hěn)普遍。

由于USB4周围具有(yǒu)挑战性的信号完整性环境，因此重定时器可(kě)以支持眼图功能(néng)，例如眼高和眼宽测量。还需要具有(yǒu)生成和检查PRBS模式的能(néng)力的误码测量。

好像USB4本身很(hěn)难重新(xīn)定时一样，必须支持这些附加功能(néng)。所有(yǒu)这些因素的结合使USB4上的USB4多(duō)协议重定时器成為(wèi)有(yǒu)史以来最复杂的定时器。一些可(kě)用(yòng)的重定时器解决方案支持USB4，DisplayPort和Thunderbolt协议，允许方向反转，支持连接器翻转和外部PD控制器，并提供广泛的测试和测量功能(néng)。

重定时器对于互连设计从未如此重要，对于USB4和為(wèi)USB-C定义的其他(tā)高速协议的成功运行至关重要。