实现WUSB设备控制器的设计考虑因素

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实现WUSB设备控制器的设计考虑因素

我们正在进入一个无线时代，所有装置、所有电子设备都无不通过各种无线技术彼此连接。在这个新的时代，我们需要快速连接，而超宽带(UWB)技术正是理想的短距离网络解决方案。基于多频带正交频分复用(MB-OFDM)UWB的WiMedia规范满足了人们对高数据速率短距离个人局域网的需要。认证无线USB(WUSB)是第一种基于WiMedia UWB平台的行业规范，该平台可在真实产品中实现MB-OFDM UWB技术。认证无线USB利用USB主机和设备已得到大规模采用这一优势，为USB应用提供向无线领域转移的无缝路径。认证无线USB技术将具备与USB相同的主从体系结构概念。认证无线USB主机将执行大多数重负荷任务，而各从设备将根据主机的指令来完成数据通信。
从有线USB向认证无线USB的转移
    为实现从USB到认证无线USB的顺利转移，业界已定义了几种产品。这些产品涵盖了本机认证无线USB设备、设备线缆适配器、主机导线适配器，以及利用无线主机PCI/PCI-e适配器的类似EHCI的解决方案。
    有多种方法可将目前的USB主机系统转移到认证无线USB。客户可使用基于PCI或PCI-e的认证无线USB附加卡，或使用主机导线适配器(HWA)解决方案。HWA将有线USB主机功能扩展成认证无线USB主机功能。换句话说，HWA通过USB转接器提供认证无线USB主机功能。
    同样，现有的USB设备也可以连接到认证无线USB主机。设备线缆适配器(DWA)使客户能将其现有USB设备连到认证无线USB主机。DWA作为认证无线USB集线器，可实现各个USB设备与其下游端口的连接，并将有线USB流量转变成认证无线USB流量。

图1：NXPISP3582框图。

    DWA可以用于外部集线器型应用中，但它并非针对嵌入式应用而设计。对嵌入式设备而言，DWA的性能不高，而且成本昂贵、尺寸大、功耗高。而对性能、成本、裸片尺寸和低功耗等指标都极其重要的嵌入式设计而言，认证无线USB本机设备控制器则是最佳的设计选择。NXP半导体公司(NXP Semiconductors)公司的首个认证无线USB产品就是本机认证无线USB设备控制器ISP3582。ISP3582直接向设备功能应用提供USB功能数据，它既不需要经由DWA获得额外的数据缓冲和调度，也不需要有线USB端口连接到DWA。
    NXP半导体预计，有线USB设备和认证无线USB设备将在相当长的时间内共存，因此ISP3582继承了NXP有线USB设备特性和系统架构。它的软件堆栈类似于NXP有线USB设备控制器的软件堆栈，可为客户提供无缝的设计路径，以便轻松地从有线USB转移到认证无线USB。

图2：无线USB和有线USB接口共存的系统框图。

基于ISP3582的设计说明
    认证无线USB设备控制器ISP3582包含实现认证无线USB设备的所有构建块。这些构建块包括WiMedia介质访问控制器(MAC)、MAC-PHY接口、系统连接接口，并且它们全部被集成在尺寸为 7×7mm的TFBGA112封装中。
    图1为NXP认证无线USB设备控制器ISP3582框图。ISP3582集成了MAC、认证无线USB协议抽象层(PAL)、并行 IO (PIO)或SDIO形式的系统接口、认证无线USB数据缓冲器、串行存储器接口，以及用于加快认证无线USB协议处理的嵌入式ARM系统。
    当从有线USB转移至认证无线USB时，ISP3582是最佳选择。ISP3582可以通过一条16比特并行总线或内部SDIO总线集成到系统中，并且不会干扰现有的有线USB功能。这个特性非常重要。由于不占用任何USB端口，所以ISP3582具备功耗低和成本低的优势。图2给出了有线和无线USB共存的系统框图。

图3：NXP认证无线USB设备控制器ISP3582的简化设计示意图。

    实现认证无线USB设备功能有两个主要元件：ISP3582和一个UWB物理层芯片或芯片组。图3是ISP3582的简化设计原理图。
1．MAC-PHY 接口
    ISP3582 MAC-PHY接口(MPI)符合WiMedia联盟的“MAC-PHY 接口规范 1.0 发行版”，这使得它能与各种符合WiMedia的物理层硅芯片解决方案一起工作。MAC和MPI支持该规范480Mbps的最高数据速率。
2．MAC功能
    ISP3582 MAC功能针对某些认证无线USB设备经过了最优化，这些设备基于“无线网络分布式介质访问控制1.0发行版”(简称WiMedia MAC规范)和USB-IF的“无线通用串行总线规范1.0修订版”。它支持认证无线USB 1.0直接信标机制，其裸片尺寸小、功耗低。MAC构建块集成了以线速工作的先进加密标准(AES)加密解密引擎。数据在经过加密后直接写入数据缓存器，而在数据传输时，可直接从数据缓冲器中读出数据，然后解密，进行传输。这个过程不需要为加密的数据提供额外的临时缓冲器。
3．认证无线USB协议抽象层
    ISP3582认证无线USB协议抽象层(PAL)符合认证无线USB 1.0规范。它提供了一种非常灵活的认证无线USB端点配置。用户能利用除控制端点之外的14个端点。这些端点可被单独配置成批量端点(bulk endpoint)、中断端点或同步端点。每个端点的最大分组的大小、动态分组大小的调整、突发分组的数量都是可编程的。每个端点的缓冲器大小和数量也是可编程的，以便实现高效率的数据流传输。
    与基于软件的认证无线USB设备实现不同的是，ISP3582硬件可处理DN_EPRdy等时序关键的认证无线USB事件，这不仅减轻了软件工作量，还缩短了恢复认证无线USB数据传输所需的响应时间。

图4：外部微处理器与NXP认证无线USB设备控制器ISP3582之间的PIO接口。

4．认证无线USB数据存储器
    ISP3582提供64KB的共享存储器以供认证无线USB数据缓冲和系统信息交换使用。
    该存储器可作为USB数据缓冲器动态分配给任何端点。在端点数据传输完成后，该存储器可被重新激活，以供同一端点使用，或者被重新配置，供其它端点使用。
5．用于卸载系统工作量的内置ARM处理器
     ISP3582集成了一个ARM7 RISC处理器。ISP3582固件访问硬件，并提供一个硬件抽象层(HAL)应用编程接口(API)。集成工作非常容易：用户应用程序只须遵循NXP半导体公司的标准设备协议程序(DPD)和设备控制器程序(DCD)API，就可实现USB类功能或特定于供应商的设备功能。认证无线USB DPD/DCD层与 ISP3582 都是符合认证无线USB的成熟堆栈，它降低了认证无线USB设备实现工作的复杂性，可实现快速上市，并降低开发成本。此外，ISP3582还配备了32KB ROM和32KB专用程序和数据存储器。

图5：利用内部SDIO接口的ISP3582认证无线USB设备设计实例。

6．ISP3582 配置在引导期间，可通过外部引脚来配置ISP3582的工作模式。为减少引脚数量，对PIO和SDIO接口进行了复用(见表)。
7．系统接口：PIO和SDIO
    ISP3582有两个系统接口和总线备选方案：一个 SDIO 接口，或一条类似 于SRAM的16比特并行输入/输出(PIO)总线。为内部设计选择的接口取决于系统。ISP3582 SDIO接口基于SDIO规范1.10。它支持SDIO规范1.10的25MHz时钟速率。另外，它具有一种定制配置来支持50MHz SDIO时钟速率。在SDIO 4比特模式下，50MHz时的数据速率为200Mbps。ISP3582还提供类似SRAM的PIO，其16比特总线能提供高达320Mbps的数据访问速率。
    ISP3582寄存器和数据缓冲存储器是存储器映射式的。PIO的信号和系统连接图如图4所示。
    ISP3582可以实现对寄存器区和存储器区的快速读/写访问。认证无线USB数据传输通过PHY、ARM处理器和PIO共享内部存储缓冲器。
    邮箱协议在ISP3582的PIO接口和内部总线之间传输命令和数据。该协议利用多条通道来实现系统处理器与ISP3582 之间的快速命令传输。
    邮箱通信协议基于一种中断机制。在命令或数据被传输之后，内部ARM处理器或外部系统处理器被一个中断触发。
    SDIO是一种用于便携式设备的接口。ISP3582 SDIO符合SDIO规范1.10。ISP3582 SDIO模块符合标准的25MHz SDIO时钟速率(可按照NXP公司的定制配置提高到50MHz)。图5是一个采用ISP3582的内部SDIO接口的设计示意图。
8．ISP3582软件堆栈
    由于架构很灵活，因此ISP3582能运行某些认证无线 USB 软件组件。NXP提供不同的二进制固件映像，这些映像涵盖了对认证无线USB的各种软件要求。
    在典型应用软件中，系统应用软件通过DCD(设备控制器驱动程序)和DPD(设备协议驱动程序)API与ISP3582通信。DCD和DPD软件组件均类似于NXP有线 USB 软件组件。但是它们已进行了升级，从而满足认证无线USB的新要求。修改范围包括功率优化、关联块以及无线媒体恢复机制。
    NXP还提供固件以促成基于SDIO的实现。与PIO的情况类似，邮箱协议被用于SDIO主设备与从设备之间的通信。
    为简化软件开发，NXP要求 ISP3582应用软件使用DPD和DCD API。所有特定于类和特定于供应商的软件组件均驻留在系统处理器中，并被系统处理器执行。这种架构使开发者可绕开认证无线 USB 硬件的复杂性，他们只需通过一个简单的 API即可轻松开发出特定应用软件。另外，NXP还将常用软件组件作为设计套件的一部分提供，包括海量存储类驱动程序、图片传输协议(PTP)、介质传输协议(MTP)，以及驻留在 ISP3582中的二进制固件。
    外部微处理器和内部ARM之间的通信在这个层中进行。来自类驱动程序和应用软件的所有命令都被转换成邮箱命令，并通过邮箱协议进行传输。在ISP3582方面，固件将作为二进制映像提供给客户。在系统处理器方面，NXP将向客户提供参考代码以及详细的API文档。
    DPD层处理所有与处理标准设置令牌相关的协议，其中包括认证无线USB的协议，这其中又包括设备通知、信息单元(IE)等。该软件组件以二进制形式提供给NXP的客户。
    DCD层对所有硬件细节进行抽象处理，并向DPD或认证无线USB层提供服务，后者利用它来实现对设备控制器寄存器的读写操作。该软件组件以二进制形式提供给NXP的客户。
    DPD API定义了功能支持，以运行所有可能的应用软件和类驱动程序，它们能高效率地使用DPD层的服务。针对任何特定API组的参数传递是由定义完善的数据结构处理的。
采用ISP3582的内部设计可轻松实现高性能
    由于板上无线技术设计很复杂，所以NXP联合亚洲和美国的多家模块制造商，向客户提供一站式解决方案。模块制造商们除了向ISP3582用户提供天线设计、射频(RF)性能、调整和软件支持以外，还会根据客户需要来修改其ISP3582 解决方案。
    通过与模块制造商的合作，NXP的客户可以极大地减少验证时间和工作，并缩短上市时间。
1．功率管理
    对于便携式设备，功耗极其关键。它决定了电池的一次充电周期可使设备工作的时间。
    NXP认证无线 USB 设备控制器 ISP3582已进行了最大程度降低功耗的设计。
    该设计拥有正在申请专利的硬件功率管理单元 (PMU)，该PMU单元不间断地监视认证无线USB的活动，它不仅通过支持认证无线 USB 睡眠模式来省电，并且还会在认证无线USB正常工作期间寻找机会来关断PHY或使其处于待机状态，以便进一步降低功耗。
2．认证无线USB突发分组传输
    为了提高媒体访问效率，认证无线 USB 规范定义了一种突发分组传输方法。在突发模式中，主机向设备发出一个IN或OUT数据传输令牌，接着进行IN或OUT数据分组的突发。在这种模式中，帧间时间间隔(IFS)较小，并且分组的前导长度也可以缩短，因此增加了有效的数据传输时间。
    ISP3582支持USB-IF的“无线 USB 规范 1.0”规定的最大突发长度。为了支持突发传输，用户应遵循认证无线USB设备描述符的参考代码，并根据端点的性能要求来定制它。
3．射频设计
    ISP3582是一种认证无线USB设备控制器，它并未集成射频或基带功能。但其设计和测试兼顾了多数WiMedia UWB 物理层(PHY)硅芯片解决方案的要求。NXP已与各家PHY供应商联合起来共同确保兼容性。     ISP3582是一种高度集成的认证无线USB设备控制器，其架构使其非常适合嵌入式系统的特定要求。与基于软件的认证无线USB设备或设备线缆适配器相比，ISP3582在功率、性能、尺寸和成本等方面都具有相当的优势。