如何在下一个设计中成功集成USB 3.2 IP

作者：Synopsys技术市场经理Morten Christiansen

本文概述了受益于USB 3.2带宽增加的应用，描述了USB Type-C™的最新USB 3.2规范，并说明了最新规范如何影响使用USB Type-C连接器和电缆速度。此外，还讨论了USB 3.2的实现，USB 3.2的新功能以及设计人员如何在下一个设计中成功集成USB 3.2 IP。

一、USB 3.2应用

许多应用都存在无法满足的“速度需求”。大容量存储是一个经典示例，它最大程度地减少了等待文件传输所花费的时间，从而使消费者受益匪浅。如今，大多数海量存储设备仅以USB 3.0速度连接，这比旋转硬盘驱动器(HDD)还要快。但是，在快速传输到闪存固态磁盘(SSD)方面，USB 3.0已成为瓶颈。USB 3.2大容量存储设备的连接速度达到20Gbps，实际吞吐量是USB 3.0的四倍以上，并具有最新SSD的功能。

图形适配器

外部USB图形适配器也可以利用USB 3.2。 USB 3.2可以使得长电缆(最长3m)可以达到10Gbps的连接速度，或使1m电缆的连接速度达到20Gbps，并具有高分辨率、高刷新率、低压缩率和多显示功能。一些扩展坞也可以同时使用USB和DisplayPort的一对或两个通道同时连接其他USB和DisplayPort。如果用户需要更多显示功能，则DisplayPort备用模式允许将所有四个Type-C通道都用于DisplayPort。但是，USB连接仅限于USB 2.0速度。

视频应用

静态相机和摄像机生成的数据量超过通过USB连接实时传输的数据量，因此它们通常要使用压缩来降低吞吐量和存储要求。如今的相机通常具有大容量存储功能，这得益于更高的USB 3.2连接速度。

除了标准的消费类视频应用外，工业视觉系统也可以利用USB 3.2速度。在工业视觉系统中，通常不选择压缩，因为图像捕获、处理和采取适当措施(例如从高速传送带上取下物品)的时间很紧迫。使用USB 3.2可使这些系统支持更高的分辨率或帧速率。

汽车应用

由于电缆长度和专有的汽车连接器，汽车系统通常不支持USB 3.1 Gen 2连接。

但是，由于与USB 3.1 Gen 1相比，USB 3.2 Gen 1x2连接将吞吐量提高了一倍，达到10Gbps，因此可以大大改善信息娱乐数据传输。在服务模式下，这可以加快信息娱乐系统固件和应用程序更新的速度，包括地图和导航数据。在任务模式下，消费者可以连接任何USB 2.0或USB 3.x设备，并且由于USB向后兼容标准，使得它们可以工作。

USB 3.2用于调试

固件工程师和软件开发人员可以利用USB 3.2为消费者提供高质量的产品。更复杂的芯片需要更多带宽才能有效地进行跟踪和调试输出。

专用的跟踪和调试端口通常要使用昂贵的专用捕获盒，这些捕获盒需连接到专用开发板，通常只有少数工程师才能使用。设备模式下的Synopsys USB设备控制器或双重角色控制器提供了外部缓冲区控制(EBC)功能。EBC可为从产品输出的跟踪和调试数据提供高达20Gbps的吞吐量，而无需在初始设置后进行软件干预。产品上现有的Type-C连接器、标准USB电缆和PC /笔记本电脑被用于捕获跟踪和调试数据。

因此，USB 3.2和EBC为更多的工程师和开发人员提供了先进的跟踪和调试功能，使他们能够更快地开发质量更好的产品。

二、定义USB 3.2

USB 3.2规范取代了USB 3.1规范。 USB 3.2引入了新的命名法，就像USB 3.1规范在取代USB 3.0规范时引入了新的命名法一样。这意味着无论支持的连接速度如何，都应根据USB 3.2规范设计所有支持Enhanced SuperSpeed的新USB产品。

USB 3.2定义了以下连接速度：

•通用术语：Gen X x Y-(速度x信道)

•增强的SuperSpeed Gen 1x1-(5G)

•增强的SuperSpeed Gen 2x1-(10G)

•增强的SuperSpeed Gen 1x2-(5G * 2 = 10G)

•增强型SuperSpeed Gen 2x2-(10G * 2 = 20G)

线路编码架空(line encoding overhead)后，四种不同USB 3.2连接速度的最大吞吐量约为4Gbps、9.7Gbps、8Gbps和19Gbps。在各种USB协议和设备类架空后，实际的吞吐量较低，并且取决于实现方式。

USB 3.2 Gen 2x1和Gen 1x2均可提供10Gbps的原始数据速率。但是，由于Gen 2的线路编码效率更高，Gen 2x1的吞吐量大约比Gen 1x2的吞吐量高1.2倍。两者都需要10Gbps的连接速度，并支持不同的用例。

将USB 3.2命名法映射到USB 3.1和USB 3.0命名法：

•Gen 1x1 = SuperSpeed-> USB 3.0-> USB 3.1 Gen 1

•Gen 2x1 = SuperSpeedPlus-> USB 3.1-> USB 3.1 Gen 2

USB-IF尚未发布USB 3.2营销建议。持续使用USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2 10G和USB 3.2 20G可以减少消费者的困惑。无论使用哪种市场名称来描述USB 3.2产品，对于USB 3.2产品支持哪种连接速度，准确而真实是很重要的。

三、USB 3.2和USB Type-C电缆和连接器

通过发布连续的规范更新，USB提高了速度，增加了功能和易用性，并保持了对早期USB规范的向后兼容性，从而使消费者对消费者的关注保持了20多年。使用新产品的设计人员应参考2017年9月发布的USB 3.2规范。该规范使USB 3.1的连接速度提高了一倍，使用USB Type-C连接器和电缆可提供高达20Gbps的速度。

USB Type-C是当前在大多数新型主机(PC、笔记本电脑、二合一平板、敞篷车混合动力车)和双重功能机(平板电脑、电话)设备中使用的标准USB连接器。Type C外围设备很常见，Type C充电器、迷你坞站、A / V适配器、集线器等更容易看到。

USB-IF通过将USB电缆和连接器章节移到单独的文档中，并着重强调了在USB 3.2规范中向USB Type-C连接标准的过渡。将标准A，标准B和迷你/微型连接器重命名为旧版USB连接器。

USB 3.2 Dual Lane模式设计用于USB Type-C连接器。USB 3.2采用USB Type-C连接器中的四个差分SuperSpeed / SuperSpeedPlus对，这与USB 3.1和USB 3.0不同，后者根据Type-C连接器的方向使用一个或另一个TX / RX通道对。

图1：具有四个差分对/通道的USBType-C插座。

所有无源USB Type C电缆都可用于USB 3.2 Gen Xx2连接，因为根据USB Type C规范，必须有四个SuperSpeed / SuperSpeedPlus差分对。专为Gen 2(10G)设计的无源电缆的长度限制为大约1m，并且可以支持新的20G连接速度。专为Gen 1(5G)设计的两米至三米无源电缆可以支持新的10G连接速度。

有源电缆被用于将Gen 2的USB Type C电缆的长度延长到1m以上，而Gen 1则延长到5m。某些有源电缆可能选择不支持四个差分对。此外，可以完全不支持USB的方式设计用于DisplayPort备用模式的有源电缆。USB-IF(USB)和VESA(DisplayPort)定义了有源电缆规格，以确保有源电缆可用于USB 3.2连接。

通过两条USB 3.1(10G)通道的通道带和通道绑定(例如拆分和合并数据)，USB 3.2的原始数据速率可达到20Gbps。USB 3.2还通过通道带和绑定两个USB 3.0(5G)通道来支持10Gbps。 USB 3.2还支持USB Type-C功能，例如备用模式、电源传输和数字音频。

USB 3.2向后兼容的要求意味着USB 3.2系统的设计和操作非常重要。 USB 3.2主机控制器必须支持所有USB设备和连接速度。这意味着可以将USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2设备连接到USB 3.2主机。仅当主机控制器和连接的集线器和/或外围设备具有USB 3.2 Gen Xx2功能时，才可以使用USB 3.2 Gen Xx2双通道操作。

同样，连接USB 3.0或USB 3.1集线器后，USB 3.2主机将退回到单通道模式。如果连接到USB 3.0或3.1主机，则USB 3.2集线器将退回到单通道模式。

连接到USB 3.2主机的USB 3.2集线器必须支持下游外围设备的所有变体，并根据需要在单通道和双通道之间进行转换。 USB 3.2集线器必须支持数据包的存储和转发处理以及速度转换。所以设计兼容的USB 3.2集线器非常复杂。

图2说明了USB 3.2通道带和通道绑定：在USB 3.2 Gen Xx2模式下，主机和设备控制器TX路径的运行速度是单通道USB 3.1或3.0连接速度的两倍。有效载荷数据在PHY和电缆中的两个TX / RX通道上分开(拆分)，并在设备和主机控制器的RX路径中合并(结合)。

图2：USB 3.2通道带和通道绑定。

USB 3.2规范将标准USB接口重命名为Legacy USB接口。旧电缆组件和Type-C连接旧适配器电缆仅支持单通道操作，不适用于USB 3.2 Gen Xx2连接。

使用USB 3.2 IP的片上系统(SoC)集成器必须意识到启用20Gbps原始数据速率所需的带宽增加和低延迟。USB控制器和系统内存之间至少需要2Gbytes / s的持续读写带宽才能实现USB 3.2。通过向USB 3.2控制器添加FIFO和预取功能，可以放宽延迟要求。选择正确的USB 3.2主机、设备或双重角色控制器，可简化SoC或ASIC IP集成，降低风险，并加快产品上市时间。

USB 3.2控制器

为了支持USB 3.2 Gen Xx2操作，需要对USB 3.0或USB 3.1控制器的链路层进行更改。在轮询PortMatch期间，主机和设备发现并协商单通道和双通道功能。USB 3.2连接优先级为Gen 2x2，紧接着是Gen 2x1，然后是Gen 1x2，最后是Gen 1x1。

USB 3.2链接设置是在配置通道上执行的，该通道被定义为将用于Gen Xx1连接的通道。低频信令仅在配置通道上交换。仅在配置通道上需要接收器终止检测。但是，有序集在两个通道上同时传输。Gen Xx2流量在两个通道上进行条带化，使用128b / 132b编码，对于Gen 1x2连接使用交替的8b / 10b符号，对于Gen 2x2连接使用交替的字节。需要最小的信道偏斜才能正确组合或“绑定”两个单独的车道。

为了最大程度地提高吞吐量，USB 3.2主机控制器必须实现USB 3.2感知的调度程序。特别是，必须设计定期传输调度程序，以管理连接到集线器端口的多个USB 3.0、3.1和3.2设备(连接速度为20Gbps、10Gbps、2 * 5Gbps和5Gbps)。

软件堆栈

正如USB 3.1编程模型没有从USB 3.0更改一样，USB 3.2主机和设备控制器的编程模型也没有更改以支持x2连接。符合USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2 xHCI的主机控制器均使用相同的xHCI主机软件堆栈。

Synopsys的USB设备控制器对USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2使用相同的设备软件堆栈。但是，20Gbps的吞吐量可以揭示5Gbps或10Gbps所不存在的操作系统和/或CPU和内存瓶颈。此外，可能需要优化设备类驱动程序和/或设备功能(例如大容量存储、网络和视频)，以利用新的20Gbps连接速度。

USB 3.2 PHY

单通道Type C PHY使用模拟多路复用器，来为Gen Xx1连接路由活动的TX / RX通道对。模拟多路复用器会降低信号质量，因此不是Gen 2操作的首选。单通道Type C PHY不支持USB 3.2 Gen Xx2。

另一种Type C PHY实现具有两个独立的RX / TX通道对，并使用数字交叉开关为Gen Xx1连接启用一个或另一个通道。可以修改双通道PHY，以使第一个通道对Gen Xx1有效，而两个通道对Gen Xx2有效，如图3所示。

图3：Type-C连接器上的USB 3.2和DisplayPort(DP)备用模式信道使用情况

Synopsys USB Type-C PHY正在针对USB 3.2和USB /DisplayPort应用的多个过程节点进行开发。Synopsys USB-C PHY使用具有数字交叉开关的Type-C辅助(TCA)。这种架构可确保最佳的信号质量，从而提供可靠的消费者体验。开发人员可以将Synopsys USB Type-C PHY和控制器集成到最适合其设计的过程节点中的ASIC或SoC中。

USB 3.2子系统和解决方案

对于USB 3.2设计人员，Synopsys提供了控制器和PHY IP。使用这些IP，设计人员可以在设计ASIC或SoC时添加所需的互连、包装器、时钟、复位、测试、调试和扫描电路。但是，集成定制子系统(图4)可以减少风险和集成工作，并加快产品上市时间。集成子系统可以使设计人员专注于自己的增值工作。

例如，DesignWare USB Type-C / DisplayPort子系统可以包括USB 3.2双角色设备控制器、DisplayPort 1.4a TX控制器、HDCP 2.2嵌入式安全模块，以及USB-C / DisplayPort、USB 2.0和DP AUX PHY。子系统包括所有必需的互连、包装器和验证IP，以验证图3所示的操作模式。

图4：DesignWare接口IP子系统框图

四、USB 3.2原型设计以实现InterOp和合规性

现代IP开发的主要部分是“虚拟”。IP设计人员在向系统设计人员发布RTL代码以集成到ASIC或SoC中之前，需要使用仿真和验证IP来验证设计。系统设计人员可以使用虚拟IP原型服务来验证SoC集成并开发固件和软件。但是，IP设计人员和系统设计人员需要用于硬件开发、演示、互操作性测试、调试和一致性测试的硬件原型实现。

Synopsys将基于HAPS-80 FPGA的原型系统用于USB 3.2 IP控制器开发。 PHY子板上的USB 3.2测试芯片连接到HAPS-80系统中的FPGA。USB 3.2主机和设备控制器均为原型。图5显示了在Linux PC上实现的具有标准大容量存储功能的PHY板和设备控制器。

设备控制器连接到另一个实现USB 3.2主机控制器的HAPS-80系统和PHY板。使用标准xHCI软件堆栈，将主机控制器连接到运行Windows 10的标准PC。

图5：用于开发和测试USB 3.2 IP的Synopsys HAPS-80 FPGA原型系统

编辑：hfy