通过USB-C重定时USB4

USB-C连接器是一个用于统治所有连接器的连接器。它的定义具有出色的灵活性,并已在不同的互连中广泛采用。在尝试重新计时运行在其上的信号(尤其是活动电缆中的信号)时,这种灵活性和使用多样性也是许多困难的根源。 对于重定时器而言,这些困难的一个关键根源是USB-C支持的所有选项和模式之间的许多交互。

USB-C通过一系列替代或“ Alt”模式支持USB,Thunderbolt,DisplayPort,HDMI和MHL以及其他新兴协议。每个都有自己的协议和物理层,必须由重定时器分别处理。它们是由不同的小组在不同的时间出于不同的目的定义的。协议层互不相同。物理层还以不同的速率,不同的后向兼容模式和约束条件以不同的方式定义。它们可以装配在一起并可以在一个连接器定义上运行,这是一项巧妙的工程壮举。

图1:定义了多种协议以使用Alt模式在USB-C连接器上运行。

USB-C还支持可逆性,其中连接器可以二维任意插入。第一个对齐尺寸是电缆的每一端都可以连接到主机端或外围端,并且直到插入电缆后才知道对齐方式。USB-C对这两者具有完全对称的插头和插座定义角色,是对USB-A连接器的重大改进。各种协议都有主机驱动的配置周期,因此区分命令来自哪一侧对于有源电缆来说很重要,有源电缆的重定时器必须参与这些周期。这意味着重定时器必须足够灵活,以从任一方向接收,处理和传播开销数据包。

图2:USB-C有源电缆必须处理任一方向的配置流程。

第二个对齐尺寸是电缆的每一端都可以插入,插头的任一侧都在顶部。为了使用户不必迷惑插头的方向,USB-C已被定义为允许将插头两端的任一方向插入。这再次是对USB-A连接器的一项重大改进,它是通过在每个方向上定义两对中的每对,分别在连接器的相对角上插脚来实现的。所有其他连接(包括电源,接地和边带信号)也以对称方式定义。在某些应用场景中,反转的控制很重要,因此具有内部功能的导线翻转功能是功能齐全的USB-C重定时器的要求。

图3:USB-C的电线连接能力可以根据其插入方式进行翻转。

USB-C重定时器还必须与电源(PD)控制器进行交互。 USB-C允许生产者和消费者之间就通过链路传输的功率进行协商。因此,USB-C重定时器需要支持与PD控制器的两线接口(TWI)。

USB-C重定时器必须支持多种时钟模式。模式是位级重定时(BLR)和具有独立SSC(SRIS)的独立参考时钟。

USB-C还允许某些多功能模式。一个例子是其中一个高速通道为USB 3.2,另一个通道为DisplayPort。重定时器无法预先确定所需的配置。而是在与外围设备协商后由主机根据需要声明它。

由于20 Gbps的SerDes速率,USB4是需要重新定时器而不需要重新驱动器来完成工作的一代。模拟转接驱动器的三个主要缺点是:

  1. 转接驱动器会放大信号及其内部接收器的噪声。 
  2. 转接驱动程序仅部分清除符号间干扰(ISI)。 
  3. 转接驱动器不会恢复眼图宽度,并会传播抖动。 

结果,无法利用转接驱动器之前和之后的链接的完整范围。在每个地方都必须使用较短的走线长度,以最大程度地减少增加的噪声,残留ISI,抖动和狭窄眼宽的影响。由于这些问题,在所有设想的使用场景中,系统开发人员要承担很大的负担,以了解和表征转接驱动程序对最终系统的复杂影响。当在数据路径中使用多个重定时器时,这些问题将成倍增加。

图4:重定时器完全恢复信号。转接驱动程序则不然。

USB4也是需要重定时器的一代,除了最小的外形尺寸外,它都在物理上靠近每个端口。这是因为要使USB4端口达到其最大范围,就无法用尽预算,将其从微处理器穿过印刷电路板(PCB)到USB-C连接器。在最早期的几代人中,PCB上的损耗可以吸收到损耗预算中。在大多数USB4主机环境中,需要重定时器,尤其是当系统不想使用最昂贵类型的PCB材料时。当然,如果可以将连接器直接放在微处理器旁边,那么就不需要重新定时器。

图5:USB4是需要在连接器附近重新计时的一代。

在某些应用中,微处理器仅具有不支持USB4和其他协议的全部要求的通用SerDes。在某些情况下,紧邻主机的位置需要第二个重定时器。

此外,USB4也是有源电缆走在前列的一代。到目前为止,USB大部分都可以通过无源电缆来使用。尽管在最短的距离内仍然可以使用无源电缆作为USB4的选件,但在许多情况下仍需要有源电缆。由于重定时器需要更多的功耗,因此这一事实会干扰USB4在某些应用中的实用性。

几种协议已经为主机定义了方法,使主机可以进入一系列重定时器中的每一个,并为每个重定时器调整均衡器参数。这些协议中有多种模式定义对称和非对称方法。 USB-C重定时器必须参与所有这些协议。

图6:重定时器序列将在USB4中变得很常见。

由于USB4周围具有挑战性的信号完整性环境,因此重定时器可以支持眼图功能,例如眼高和眼宽测量。还需要具有生成和检查PRBS模式的能力的误码测量。

好像USB4本身很难重新定时一样,必须支持这些附加功能。所有这些因素的结合使USB4上的USB4多协议重定时器成为有史以来最复杂的定时器。 一些可用的重定时器解决方案支持USB4,DisplayPort和Thunderbolt协议,允许方向反转,支持连接器翻转和外部PD控制器,并提供广泛的测试&测量能力。 Kandou提供了一种这样的解决方案。

对于互连设计而言,重定时器从未如此重要,对于USB4和为USB-C定义的其他高速协议的成功运行而言,重定时器至关重要。


布莱恩·霍尔顿(Brian Holden) 是Kandou的标准副总裁。在此之前,他曾担任光学互联网络论坛(OIF)市场意识和教育委员会主席,Hypertransport联盟主席兼院士,PMC-Sierra标准总监以及StrataCom经理兼联合创始人。 。 Brian开始了GTE的职业生涯。他拥有加州大学戴维斯分校的电气工程学士学位和康奈尔大学的工商管理硕士学位。他拥有49项美国专利。他是即将出版的《和弦信号》和《 HyperTransport 3.1 Interconnect》的作者,以及他曾祖父的传记,名为《 HyperTransport 3.1 Interconnect》。“查尔斯·伍德沃思(Charles W. Woodworth):英国第一位昆虫学家的杰出生命。”


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