單片機開(kāi)發(fā)通過(guò)USB-C重定時(shí)USB4

2021-01-21

USB-C連接器是統治所有連接器的一種連接器。它的定義具有出色的靈活性，并已在不同的互連中廣泛采用。在嘗試重新計時(shí)運行在其上的信號（尤其是活動(dòng)電纜）時(shí)，這種靈活性和使用多樣性也是許多困難的根源。對于重定時(shí)器而言，這些困難的一個(gè)關(guān)鍵根源是USB-C支持的所有選項和模式之間的許多交互。

USB-C通過(guò)一系列替代或“ Alt”模式支持USB，Thunderbolt，DisplayPort，HDMI和MHL以及其他新興協(xié)議。每個(gè)都有其自己的協(xié)議和物理層，必須由重定時(shí)器分別處理。它們是由不同的小組在不同的時(shí)間出于不同的目的定義的。協(xié)議層彼此不同。物理層也以不同的速率，不同的后向兼容模式和約束條件以不同的方式定義。它們可以裝配在一起并在一個(gè)連接器定義上運行，這是一項巧妙的工程壯舉。

圖2：USB-C有源電纜必須處理任一方向的配置流程。

第二個(gè)對齊尺寸是電纜的每一端都可以插入，插頭的任一側都在頂部。為了使用戶(hù)不必迷惑插頭的方向，USB-C已被定義為允許將插頭兩端的任一方向插入。這再次是對USB-A連接器的一項重大改進(jìn)，它是通過(guò)在每個(gè)方向上定義兩對中的每對，分別在連接器的相對角上插腳來(lái)實(shí)現的。所有其他連接（包括電源，接地和邊帶信號）也以對稱(chēng)方式定義。在某些應用場(chǎng)景中，反轉的控制很重要，因此，必須具備功能齊全的USB-C重定時(shí)器，才能在內部翻轉導線(xiàn)之間的連接。

圖3：USB-C的電線(xiàn)連接能力可以根據插入方式進(jìn)行翻轉。

USB-C重定時(shí)器也必須與電源（PD）控制器進(jìn)行交互。USB-C允許生產(chǎn)者和消費者之間就通過(guò)鏈路傳輸的功率進(jìn)行協(xié)商。因此，USB-C重定時(shí)器需要支持與PD控制器的兩線(xiàn)接口（TWI）。

USB-C重定時(shí)器必須支持多種時(shí)鐘模式。模式為位級重定時(shí)（BLR）和具有獨立SSC（SRIS）的獨立參考時(shí)鐘。

USB-C還允許某些多功能模式。一個(gè)例子就是其中一個(gè)高速通道為USB 3.2，另一個(gè)通道為DisplayPort。重定時(shí)器無(wú)法預先確定所需的配置。而是在與外圍設備協(xié)商后由主機根據需要聲明它。

由于20 Gbps的SerDes速率，USB4是需要重新定時(shí)器而不需要重新驅動(dòng)器來(lái)完成工作的一代。模擬轉接驅動(dòng)器的三個(gè)主要缺點(diǎn)是：

轉接驅動(dòng)器會(huì )放大信號及其內部接收器的噪聲。 

轉接驅動(dòng)程序僅部分清除符號間干擾（ISI）。 

轉接驅動(dòng)器不會(huì )恢復眼圖寬度，并會(huì )傳播抖動(dòng)。 

結果，無(wú)法利用轉接驅動(dòng)器之前和之后的鏈接的完整范圍。在每個(gè)地方都必須使用較短的走線(xiàn)長(cháng)度，以最大程度地減少增加的噪聲，殘留ISI，抖動(dòng)和狹窄眼寬的影響。由于這些問(wèn)題，在所有設想的使用場(chǎng)景中，系統開(kāi)發(fā)人員將承受沉重的負擔，以了解和表征轉接驅動(dòng)程序對最終系統的復雜影響。當在數據路徑中使用多個(gè)重定時(shí)器時(shí)，這些問(wèn)題成倍增加。

圖4：重定時(shí)器完全恢復信號。轉接驅動(dòng)程序則沒(méi)有。

USB4也是新一代的產(chǎn)品，除了最小的外形尺寸外，在所有端口上都需要一個(gè)靠近所有端口的重定時(shí)器。這是因為要使USB4端口達到其最大范圍，就無(wú)法用盡整個(gè)微處理器和USB-C連接器之間的印刷電路板（PCB）損耗預算。在最早期的幾代人中，PCB上的損耗可以吸收到損耗預算中。在USB4的大多數主機方案中，都需要重定時(shí)器，特別是在系統不想使用最昂貴類(lèi)型的PCB材料的情況下。當然，如果可以將連接器緊鄰微處理器放置，則無(wú)需重新定時(shí)器。

圖5：USB4是需要在連接器附近重新計時(shí)的一代。

在某些應用中，微處理器僅具有不支持USB4和其他協(xié)議的全部要求的通用SerDes。在某些情況下，緊鄰主機的位置需要第二個(gè)定時(shí)器。

此外，USB4也是有源電纜走在前列的一代。到目前為止，USB大部分都可以使用無(wú)源電纜。盡管在最短的時(shí)間內仍然可以使用無(wú)源電纜作為USB4的選件，但在許多情況下仍將需要有源電纜。由于重定時(shí)器所需的功耗增加，這一事實(shí)將干擾USB4在某些應用中的用途。

幾種協(xié)議已為主機定義了方法，使主機可以進(jìn)入一系列重定時(shí)器中的每個(gè)定時(shí)器，并為每個(gè)重定時(shí)器調整均衡器參數。這些協(xié)議中有多種模式定義對稱(chēng)和非對稱(chēng)方法。USB-C重定時(shí)器必須參與所有這些協(xié)議。

圖6：重定時(shí)器序列將在USB4中變得很普遍。

由于USB4周?chē)哂刑魬鹦缘男盘柾暾原h(huán)境，因此重定時(shí)器可以支持眼圖功能，例如眼高和眼寬測量。還需要具有生成和檢查PRBS模式的能力的誤碼測量。

好像USB4本身很難重新定時(shí)一樣，必須支持這些附加功能。所有這些因素的結合使USB4上的USB4多協(xié)議重定時(shí)器成為有史以來(lái)最復雜的定時(shí)器。一些可用的重定時(shí)器解決方案支持USB4，DisplayPort和Thunderbolt協(xié)議，允許方向反轉，支持連接器翻轉和外部PD控制器，并提供廣泛的測試和測量功能。

重定時(shí)器對于互連設計從未如此重要，對于USB4和為USB-C定義的其他高速協(xié)議的成功運行至關(guān)重要。