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USB 3.0 端口可通过分离超高速端口和标准 USB 2.0 端口来实现链路共享功能。目前,链路共享是赛普拉斯 HX3 USB 3.0 集线器控制器的独有功能。本文将介绍如何在扩展坞、笔记本电脑、电视机、机顶盒等嵌入式应用程序中实现 USB 3.0 链路共享。

HX3 控制器是赛普拉斯 USB 3.0 集线器控制器家族的产品,符合 USB 3.0 规范版本 1.0 标准。该款控制器的所有端口均支持超高速 (SS)、高速 (HS)、全速 (FS) 以及低速 (LS) 操作。它集成了终端电阻、上拉电阻和下拉电阻,并支持pin-straps引脚设置选项,以减少系统的整体物料成本。HX3 控制器配有赛普拉斯独有的共享链路功能,能够从四端口 USB 3.0 集线器提供 8 个下行 (DS) 端口。

共享链路功能可以将集线器的 USB 3.0 DS 端口分为嵌入式超高速端口和标准 USB 2.0 端口。共享链路能够支持多达 8 个来自四端口 USB 3.0 集线器的 DS 端口。而标准 USB 3.0 端口配有 8 条信号线:2 条用于 USB 2.0 通信 (D +,D-),4 条用于超高速通信 (SSTX +,SSTX-,SSRX +,SSRX-),2 条用于 VBUS 和 GND 的电源线。如图 1 所示。

 

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图 1标准 USB3.0 端口(来源: 赛普拉斯)

VBUS 使能信号 (DSx_PWREN) 能够控制传输 VBUS 信号到已连接的 USB 3.0 设备。DSx_PWREN 信号与过流信号 (DSx_OVRCURR) 一同实现可插拔 USB 3.0 端口的过流保护电路。当端口出现过流,连接到端口电源开关输出使能引脚的 DSx_PWREN信号 能够关闭端口电源。

而向后兼容性需要用到 USB 2.0 信号线。当超高速设备(USB 3.0 设备)插入 USB 3.0 端口时,只有超高速线路能够进行通信,此时该特定端口的 USB 2.0 线路为空闲线路。同样地,当高速设备(USB 2.0 设备)插入 USB 3.0 端口时,超高速线路空闲。因此,在 USB 3.0 端口中,根据已连接的设备(超高速设备或 USB2.0 设备),任何指定时间的点,超高速线路或 USB 2.0 线路只有其中一种线路在运行。

共享链路功能使 USB 3.0 DS 端口可分离为 2 个独立端口,一个嵌入式超高速端口和一个标准 USB 2.0 端口,从而有效地利用多余的线路。例如,如果嵌入式超高速设备(如 USB 3.0 摄像机)连接到其中一个 DS 端口上,HX3 控制器能够让系统设计师使用该特定端口的 USB 2.0 信号来连接到标准 USB 2.0 端口。图 2 显示了如何在系统中运行链路共享端口。

在共享链路 DS 端口中,由于已经嵌入了超高速端口,超高速设备可以通过电路板布线与超高速端口永久链接,因此不能向下兼容 USB 2.0。已启用共享链路功能的系统不应连接到 USB 2.0 主机或 USB 2.0 集线器,因为共享链路超高速 DS 端口不支持 USB 2.0 功能(例如 USB 2.0 主机或集线器),连接到共享链路的超高速嵌入式设备将无法正常工作。

 

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图 2示例: 笔记本电脑主板的共享链路端口(来源:赛普拉斯)

在通用型 USB 3.0 端口中,超高速通信出现故障时,所连接的 USB 3.0 设备将恢复为 USB 2.0 速度。然而,在共享链路端口中,这是没办法做到的。因为 USB 2.0 线路和超高速线路连接了两个单独的设备。为了克服这个限制,除了 USB 2.0 端口的电源使能控制引脚 (DSx_PWREN),共享链路还为嵌入式超高速端口(链路共享端口)实现单独的 VBUS 使能控制引脚(DSx_VBUSEN_SS)。这有助于对嵌入式超高速端口的电源进行独立控制。HX3 控制器侦测到超高速通信故障,将其已连接到嵌入式超高速设备的 VBUS 检测引脚的 DSx_VBUSEN_SS 信号翻转。该 DS 嵌入式超高速设备将重新枚举,认为此 VBUS 的翻转为断开连接事件或连接事件。这就是 HX3 控制器独有的共享链路功能。图 3 显示了共享链路端口的实现过程。

 

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图 3共享链路端口(来源: 赛普拉斯)

传统扩展坞

如今的便携式设备采用紧实型设计,仅可以支持少数外设,通常不包括串行接口、HDMI、以太网等端口。为了让设备能够连接更多外设,扩展坞的设计集合了 USB、串行、VGA、以太网等其他端口。图 4 显示了传统笔记本电脑扩展坞的框图。

如图 4 所示,传统的 USB 3.0 扩展坞需要 6 - 8 个 USB 端口(包括嵌入式端口)。设计采用了配有 2 个四端口集线器控制器集成电路级联。为了支持千兆以太网和 HDMI 等高带宽外设,扩展坞除了要有外置 USB 3.0 端口,还必须配有 USB 3.0 集线器。添加 USB 3.0 集线器只是用于连接鼠标,键盘,串行端口等的较慢速的外设,成本效益会非常低。因此,传统的扩展坞同时配备了 USB 3.0 集线器和 USB 2.0 集线器。然而,采用两个集线器会增加印制电路板面积、功率需求、布线的复杂性以及无源组件数量,总体上明显加大了物料成本。

 

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图 4传统扩展坞设计(来源:赛普拉斯)

共享链路扩展坞

在配置了共享链路功能的四端口 HX3 控制器上,我们最多可以使用 8 个端口、4 个嵌入式超高速端口和 4 个标准 USB 2.0 端口。图 5 显示了共享链路如何实现低成本的笔记本电脑扩展坞设计。与图 4 的传统扩展坞设计相比,赛普拉斯的共享链路功能为客户提供了最优的高成本效益解决方案。

 

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图 5扩展坞配置共享链路 USB 3.0 集线器(来源:赛普拉斯)

如图 5 所示,下游端口 DS3 和 DS4 为标准 USB 3.0 端口,而 DS1 和 DS2 为共享链路端口。共享链路端口 DS1 和 DS2 的超高速嵌入式端口专用于高速通信端口,例如 HDMI 和以太网端口。使用 DS1 共享链路端口的标准 USB 2.0 端口,可以为扩展坞新增 RS232 端口。还可以使用 DS2 中的外置 USB 2.0 标准端口连接可插拔设备,如键盘、鼠标、移动硬盘等。

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