TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機控制器深度解析

在當今高速數據傳輸的時代，USB 3.0技術憑借其高速率、高帶寬的優勢，在各類電子設備中得到了廣泛應用。TUSB73x0作為一款USB 3.0-compliant xHCI主機控制器，為我們的設計帶來了諸多便利和強大功能。今天，我們就來深入探討一下TUSB73x0的相關特性、應用及設計要點。

文件下載：tusb7340.pdf

一、TUSB73x0概述

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340兩款產品。TUSB7320支持多達兩個下游端口，而TUSB7340則支持多達四個下游端口，它們均采用引腳兼容的100引腳RKM封裝。這兩款控制器通過PCIe x1 Gen 2接口與主機系統相連，能夠在下游USB端口上提供SuperSpeed、高速、全速或低速連接。

特性亮點

1. 端口靈活性：每個下游端口可獨立啟用或禁用，還可標記為可移動或不可移動，具備獨立的電源控制和過流檢測功能。
2. 信號調節：可對傳輸擺幅、去加重和均衡設置進行調整，以優化信號傳輸質量。
3. 低配置要求：默認配置無需外部閃存，還可通過可選的串行EEPROM進行自定義配置。
4. 時鐘支持：支持低成本晶體或振蕩器，內部具備擴頻生成功能。
5. 自適應均衡：采用一流的自適應接收器均衡器設計，可有效補償信道插入損耗，減少符號間干擾。

二、應用場景

TUSB73x0的應用范圍十分廣泛，涵蓋了多個領域：

1. 服務器領域：如機架服務器、微服務器和塔式服務器，可滿足高速數據傳輸和多設備連接的需求。
2. 高性能計算：為高性能計算系統提供穩定的USB接口支持。
3. 存儲網絡：在存儲區域網絡（SAN）和主機總線適配器（HBA）卡中發揮重要作用。
4. 桌面電腦：可用于桌面PC或主板，提升USB接口的性能和功能。

三、詳細特性分析

1. PHY控制

輸出電壓擺幅控制

通過De - Emphasis and Swing Control Register中的SWING位，可將每個發射器的輸出擺幅獨立設置為多個選項之一。降低輸出幅度可按比例減少電流消耗，從而節省功耗。

去加重控制

去加重功能可補償連接介質中的高頻衰減。通過De - Emphasis and Swing Control Register中的PORTx_DE位，提供了十五種不同的去加重設置。

自適應均衡器

所有接收通道均采用自適應均衡器，可通過Equalizer Control Register的Portx_EQ位進行配置。它能通過衰減信號的低頻分量來補償信道插入損耗，減少符號間干擾。

2. 輸入時鐘

時鐘源要求

TUSB73x0支持外部振蕩器源或晶體單元，時鐘源頻率可以是24 MHz或48 MHz。使用晶體時，需在XI和XO之間連接一個2 - MΩ的反饋電阻，并遵循相關連接準則。

外部時鐘

使用外部時鐘源時，參考時鐘應具有±100 PPM或更好的頻率穩定性，絕對峰 - 峰值抖動小于50 ps，或在應用USB 3.0抖動傳遞函數后小于25 ps。

外部晶體

使用晶體時，XI和XO之間需要一個外部2 - MΩ的反饋電阻，同時要注意晶體的相關規格。

3. 編程

兩線串行總線接口

主機控制器提供兩線串行總線接口，可從外部EEPROM加載子系統識別信息和特定寄存器默認值。使用外部EEPROM是可選的，TUSB73x0在默認設置下也能正常工作。

系統管理中斷

TUSB73X0包含一個系統管理中斷（SMI）引腳，可在系統BIOS中實現USB支持。該引腳由USB Legacy Support Control/Status Register中的位控制。

四、設計與實現要點

1. 典型應用設計

設計要求

輸入電壓范圍為1.1V至3.3V，輸出電壓為5V，輸出電流額定值為484 MHz。

詳細設計步驟

• 上游實現：TUSB7320的上游端口連接到PCIe x1 Gen 2接口，使用48 - MHz外部晶體時，需在XI和XO之間連接一個外部2 - MΩ的反饋電阻。
• 下游端口實現：下游端口連接到USB3 Type A連接器。
• PCI Express連接器：PERp和PERn信號必須連接到0.1 μF的耦合電容器。
• 1.1 - V穩壓器：若僅使用一個電源源，則需使用1.1 - V穩壓器。
• 5 - V VBUS選項：可使用5 - V穩壓器或IDE電源連接器來生成5 - V源。

2. 電源供應建議

上電和下電順序

主機控制器包含1.1 - V和3.3 - V電源端子，上電時應先施加3.3 - V電壓，再施加1.1 - V電壓，GRST#必須保持有效，直到兩個電壓達到最小推薦工作電壓。下電時，先斷言PERST#，再移除參考時鐘和電源電壓。

PCI Express電源管理

TUSB73X0在內存映射寄存器空間中包含MSI - X Table和PBA，可通過Base Address Register 2/3中編程的地址進行訪問。

3. 布局指南

高速差分布線

高速差分對（USB_DM和USB_DP）連接到A型USB連接器，差分對走線應具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信號對的走線長度應匹配，總走線長度應盡量短。

SuperSpeed差分布線

SuperSpeed由兩個差分布線對組成，每個差分對走線應具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信號對的走線長度匹配誤差應不超過5 mils，總長度不超過六英寸。

五、寄存器映射

TUSB73x0的寄存器映射包括經典PCI配置空間、PCI Express擴展配置空間、xHCI內存映射寄存器空間和MSI - X內存映射寄存器空間。這些寄存器用于控制和配置控制器的各種功能，如端口設置、電源管理、中斷控制等。

六、總結

TUSB73x0作為一款功能強大的USB 3.0 xHCI主機控制器，具有豐富的特性和廣泛的應用場景。在設計過程中，我們需要充分考慮其特性和要求，合理進行電源供應、布局布線和寄存器配置，以確保系統的穩定性和高性能。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地理解和應用TUSB73x0，在實際項目中發揮其最大優勢。

各位工程師在使用TUSB73x0的過程中，是否遇到過一些獨特的問題或有一些巧妙的解決方案呢？歡迎在評論區分享交流！