實(shí)現(xiàn)WUSB設(shè)備控制器的設(shè)計(jì)考慮因素
從有線USB向認(rèn)證無(wú)線USB的轉(zhuǎn)移
為實(shí)現(xiàn)從USB到認(rèn)證無(wú)線USB的順利轉(zhuǎn)移，業(yè)界已定義了幾種產(chǎn)品。這些產(chǎn)品涵蓋了本機(jī)認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備、設(shè)備線纜適配器、主機(jī)導(dǎo)線適配器，以及利用無(wú)線主機(jī)PCI/PCI-e適配器的類似EHCI的解決方案。
有多種方法可將目前的USB主機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到認(rèn)證無(wú)線USB。客戶可使用基于PCI或PCI-e的認(rèn)證無(wú)線USB附加卡，或使用主機(jī)導(dǎo)線適配器(HWA)解決方案。HWA將有線USB主機(jī)功能擴(kuò)展成認(rèn)證無(wú)線USB主機(jī)功能。換句話說(shuō)，HWA通過(guò)USB轉(zhuǎn)接器提供認(rèn)證無(wú)線USB主機(jī)功能。
同樣，現(xiàn)有的USB設(shè)備也可以連接到認(rèn)證無(wú)線USB主機(jī)。設(shè)備線纜適配器(DWA)使客戶能將其現(xiàn)有USB設(shè)備連到認(rèn)證無(wú)線USB主機(jī)。DWA作為認(rèn)證無(wú)線USB集線器，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)USB設(shè)備與其下游端口的連接，并將有線USB流量轉(zhuǎn)變成認(rèn)證無(wú)線USB流量。
| 圖1：NXPISP3582框圖。 |
DWA可以用于外部集線器型應(yīng)用中，但它并非針對(duì)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。對(duì)嵌入式設(shè)備而言，DWA的性能不高，而且成本昂貴、尺寸大、功耗高。而對(duì)性能、成本、裸片尺寸和低功耗等指標(biāo)都極其重要的嵌入式設(shè)計(jì)而言，認(rèn)證無(wú)線USB本機(jī)設(shè)備控制器則是最佳的設(shè)計(jì)選擇。NXP半導(dǎo)體公司(NXP Semiconductors)公司的首個(gè)認(rèn)證無(wú)線USB產(chǎn)品就是本機(jī)認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器ISP3582。ISP3582直接向設(shè)備功能應(yīng)用提供USB功能數(shù)據(jù)，它既不需要經(jīng)由DWA獲得額外的數(shù)據(jù)緩沖和調(diào)度，也不需要有線USB端口連接到DWA。
NXP半導(dǎo)體預(yù)計(jì)，有線USB設(shè)備和認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)共存，因此ISP3582繼承了NXP有線USB設(shè)備特性和系統(tǒng)架構(gòu)。它的軟件堆棧類似于NXP有線USB設(shè)備控制器的軟件堆棧，可為客戶提供無(wú)縫的設(shè)計(jì)路徑，以便輕松地從有線USB轉(zhuǎn)移到認(rèn)證無(wú)線USB。
| 圖2：無(wú)線USB和有線USB接口共存的系統(tǒng)框圖。 |
基于ISP3582的設(shè)計(jì)說(shuō)明
認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器ISP3582包含實(shí)現(xiàn)認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備的所有構(gòu)建塊。這些構(gòu)建塊包括WiMedia介質(zhì)訪問(wèn)控制器(MAC)、MAC-PHY接口、系統(tǒng)連接接口，并且它們?nèi)勘患稍诔叽鐬?7×7mm的TFBGA112封裝中。
圖1為NXP認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器ISP3582框圖。ISP3582集成了MAC、認(rèn)證無(wú)線USB協(xié)議抽象層(PAL)、并行 IO (PIO)或SDIO形式的系統(tǒng)接口、認(rèn)證無(wú)線USB數(shù)據(jù)緩沖器、串行存儲(chǔ)器接口，以及用于加快認(rèn)證無(wú)線USB協(xié)議處理的嵌入式ARM系統(tǒng)。
當(dāng)從有線USB轉(zhuǎn)移至認(rèn)證無(wú)線USB時(shí)，ISP3582是最佳選擇。ISP3582可以通過(guò)一條16比特并行總線或內(nèi)部SDIO總線集成到系統(tǒng)中，并且不會(huì)干擾現(xiàn)有的有線USB功能。這個(gè)特性非常重要。由于不占用任何USB端口，所以ISP3582具備功耗低和成本低的優(yōu)勢(shì)。圖2給出了有線和無(wú)線USB共存的系統(tǒng)框圖。
| 圖3：NXP認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器ISP3582的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)示意圖。 |
實(shí)現(xiàn)認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備功能有兩個(gè)主要元件：ISP3582和一個(gè)UWB物理層芯片或芯片組。圖3是ISP3582的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)原理圖。
1．MAC-PHY 接口
ISP3582 MAC-PHY接口(MPI)符合WiMedia聯(lián)盟的“MAC-PHY 接口規(guī)范 1.0 發(fā)行版”，這使得它能與各種符合WiMedia的物理層硅芯片解決方案一起工作。MAC和MPI支持該規(guī)范480Mbps的最高數(shù)據(jù)速率。
2．MAC功能
ISP3582 MAC功能針對(duì)某些認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備經(jīng)過(guò)了最優(yōu)化，這些設(shè)備基于“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制1.0發(fā)行版”(簡(jiǎn)稱WiMedia MAC規(guī)范)和USB-IF的“無(wú)線通用串行總線規(guī)范1.0修訂版”。它支持認(rèn)證無(wú)線USB 1.0直接信標(biāo)機(jī)制，其裸片尺寸小、功耗低。MAC構(gòu)建塊集成了以線速工作的先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)加密解密引擎。數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)加密后直接寫(xiě)入數(shù)據(jù)緩存器，而在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可直接從數(shù)據(jù)緩沖器中讀出數(shù)據(jù)，然后解密，進(jìn)行傳輸。這個(gè)過(guò)程不需要為加密的數(shù)據(jù)提供額外的臨時(shí)緩沖器。
3．認(rèn)證無(wú)線USB協(xié)議抽象層
ISP3582認(rèn)證無(wú)線USB協(xié)議抽象層(PAL)符合認(rèn)證無(wú)線USB 1.0規(guī)范。它提供了一種非常靈活的認(rèn)證無(wú)線USB端點(diǎn)配置。用戶能利用除控制端點(diǎn)之外的14個(gè)端點(diǎn)。這些端點(diǎn)可被單獨(dú)配置成批量端點(diǎn)(bulk endpoint)、中斷端點(diǎn)或同步端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)的最大分組的大小、動(dòng)態(tài)分組大小的調(diào)整、突發(fā)分組的數(shù)量都是可編程的。每個(gè)端點(diǎn)的緩沖器大小和數(shù)量也是可編程的，以便實(shí)現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)流傳輸。
與基于軟件的認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同的是，ISP3582硬件可處理DN_EPRdy等時(shí)序關(guān)鍵的認(rèn)證無(wú)線USB事件，這不僅減輕了軟件工作量，還縮短了恢復(fù)認(rèn)證無(wú)線USB數(shù)據(jù)傳輸所需的響應(yīng)時(shí)間。
| 圖4：外部微處理器與NXP認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器ISP3582之間的PIO接口。 |
4．認(rèn)證無(wú)線USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
ISP3582提供64KB的共享存儲(chǔ)器以供認(rèn)證無(wú)線USB數(shù)據(jù)緩沖和系統(tǒng)信息交換使用。
該存儲(chǔ)器可作為USB數(shù)據(jù)緩沖器動(dòng)態(tài)分配給任何端點(diǎn)。在端點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完成后，該存儲(chǔ)器可被重新激活，以供同一端點(diǎn)使用，或者被重新配置，供其它端點(diǎn)使用。
5．用于卸載系統(tǒng)工作量的內(nèi)置ARM處理器
ISP3582集成了一個(gè)ARM7 RISC處理器。ISP3582固件訪問(wèn)硬件，并提供一個(gè)硬件抽象層(HAL)應(yīng)用編程接口(API)。集成工作非常容易：用戶應(yīng)用程序只須遵循NXP半導(dǎo)體公司的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備協(xié)議程序(DPD)和設(shè)備控制器程序(DCD)API，就可實(shí)現(xiàn)USB類功能或特定于供應(yīng)商的設(shè)備功能。認(rèn)證無(wú)線USB DPD/DCD層與 ISP3582 都是符合認(rèn)證無(wú)線USB的成熟堆棧，它降低了認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)工作的復(fù)雜性，可實(shí)現(xiàn)快速上市，并降低開(kāi)發(fā)成本。此外，ISP3582還配備了32KB ROM和32KB專用程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
| 圖5：利用內(nèi)部SDIO接口的ISP3582認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)例。 |
6．ISP3582 配置在引導(dǎo)期間，可通過(guò)外部引腳來(lái)配置ISP3582的工作模式。為減少引腳數(shù)量，對(duì)PIO和SDIO接口進(jìn)行了復(fù)用(見(jiàn)表)。
7．系統(tǒng)接口：PIO和SDIO
ISP3582有兩個(gè)系統(tǒng)接口和總線備選方案：一個(gè) SDIO 接口，或一條類似 于SRAM的16比特并行輸入/輸出(PIO)總線。為內(nèi)部設(shè)計(jì)選擇的接口取決于系統(tǒng)。ISP3582 SDIO接口基于SDIO規(guī)范1.10。它支持SDIO規(guī)范1.10的25MHz時(shí)鐘速率。另外，它具有一種定制配置來(lái)支持50MHz SDIO時(shí)鐘速率。在SDIO 4比特模式下，50MHz時(shí)的數(shù)據(jù)速率為200Mbps。ISP3582還提供類似SRAM的PIO，其16比特總線能提供高達(dá)320Mbps的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速率。
ISP3582寄存器和數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)器映射式的。PIO的信號(hào)和系統(tǒng)連接圖如圖4所示。
ISP3582可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器區(qū)和存儲(chǔ)器區(qū)的快速讀/寫(xiě)訪問(wèn)。認(rèn)證無(wú)線USB數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)PHY、ARM處理器和PIO共享內(nèi)部存儲(chǔ)緩沖器。
郵箱協(xié)議在ISP3582的PIO接口和內(nèi)部總線之間傳輸命令和數(shù)據(jù)。該協(xié)議利用多條通道來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理器與ISP3582 之間的快速命令傳輸。
郵箱通信協(xié)議基于一種中斷機(jī)制。在命令或數(shù)據(jù)被傳輸之后，內(nèi)部ARM處理器或外部系統(tǒng)處理器被一個(gè)中斷觸發(fā)。
SDIO是一種用于便攜式設(shè)備的接口。ISP3582 SDIO符合SDIO規(guī)范1.10。ISP3582 SDIO模塊符合標(biāo)準(zhǔn)的25MHz SDIO時(shí)鐘速率(可按照NXP公司的定制配置提高到50MHz)。圖5是一個(gè)采用ISP3582的內(nèi)部SDIO接口的設(shè)計(jì)示意圖。
8．ISP3582軟件堆棧
由于架構(gòu)很靈活，因此ISP3582能運(yùn)行某些認(rèn)證無(wú)線 USB 軟件組件。NXP提供不同的二進(jìn)制固件映像，這些映像涵蓋了對(duì)認(rèn)證無(wú)線USB的各種軟件要求。
在典型應(yīng)用軟件中，系統(tǒng)應(yīng)用軟件通過(guò)DCD(設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序)和DPD(設(shè)備協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序)API與ISP3582通信。DCD和DPD軟件組件均類似于NXP有線 USB 軟件組件。但是它們已進(jìn)行了升級(jí)，從而滿足認(rèn)證無(wú)線USB的新要求。修改范圍包括功率優(yōu)化、關(guān)聯(lián)塊以及無(wú)線媒體恢復(fù)機(jī)制。
NXP還提供固件以促成基于SDIO的實(shí)現(xiàn)。與PIO的情況類似，郵箱協(xié)議被用于SDIO主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信。
為簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，NXP要求 ISP3582應(yīng)用軟件使用DPD和DCD API。所有特定于類和特定于供應(yīng)商的軟件組件均駐留在系統(tǒng)處理器中，并被系統(tǒng)處理器執(zhí)行。這種架構(gòu)使開(kāi)發(fā)者可繞開(kāi)認(rèn)證無(wú)線 USB 硬件的復(fù)雜性，他們只需通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 API即可輕松開(kāi)發(fā)出特定應(yīng)用軟件。另外，NXP還將常用軟件組件作為設(shè)計(jì)套件的一部分提供，包括海量存儲(chǔ)類驅(qū)動(dòng)程序、圖片傳輸協(xié)議(PTP)、介質(zhì)傳輸協(xié)議(MTP)，以及駐留在 ISP3582中的二進(jìn)制固件。
外部微處理器和內(nèi)部ARM之間的通信在這個(gè)層中進(jìn)行。來(lái)自類驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件的所有命令都被轉(zhuǎn)換成郵箱命令，并通過(guò)郵箱協(xié)議進(jìn)行傳輸。在ISP3582方面，固件將作為二進(jìn)制映像提供給客戶。在系統(tǒng)處理器方面，NXP將向客戶提供參考代碼以及詳細(xì)的API文檔。
DPD層處理所有與處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置令牌相關(guān)的協(xié)議，其中包括認(rèn)證無(wú)線USB的協(xié)議，這其中又包括設(shè)備通知、信息單元(IE)等。該軟件組件以二進(jìn)制形式提供給NXP的客戶。
DCD層對(duì)所有硬件細(xì)節(jié)進(jìn)行抽象處理，并向DPD或認(rèn)證無(wú)線USB層提供服務(wù)，后者利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備控制器寄存器的讀寫(xiě)操作。該軟件組件以二進(jìn)制形式提供給NXP的客戶。
DPD API定義了功能支持，以運(yùn)行所有可能的應(yīng)用軟件和類驅(qū)動(dòng)程序，它們能高效率地使用DPD層的服務(wù)。針對(duì)任何特定API組的參數(shù)傳遞是由定義完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理的。
采用ISP3582的內(nèi)部設(shè)計(jì)可輕松實(shí)現(xiàn)高性能
由于板上無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)很復(fù)雜，所以NXP聯(lián)合亞洲和美國(guó)的多家模塊制造商，向客戶提供一站式解決方案。模塊制造商們除了向ISP3582用戶提供天線設(shè)計(jì)、射頻(RF)性能、調(diào)整和軟件支持以外，還會(huì)根據(jù)客戶需要來(lái)修改其ISP3582 解決方案。
通過(guò)與模塊制造商的合作，NXP的客戶可以極大地減少驗(yàn)證時(shí)間和工作，并縮短上市時(shí)間。
1．功率管理
對(duì)于便攜式設(shè)備，功耗極其關(guān)鍵。它決定了電池的一次充電周期可使設(shè)備工作的時(shí)間。
NXP認(rèn)證無(wú)線 USB 設(shè)備控制器 ISP3582已進(jìn)行了最大程度降低功耗的設(shè)計(jì)。
該設(shè)計(jì)擁有正在申請(qǐng)專利的硬件功率管理單元 (PMU)，該P(yáng)MU單元不間斷地監(jiān)視認(rèn)證無(wú)線USB的活動(dòng)，它不僅通過(guò)支持認(rèn)證無(wú)線 USB 睡眠模式來(lái)省電，并且還會(huì)在認(rèn)證無(wú)線USB正常工作期間尋找機(jī)會(huì)來(lái)關(guān)斷PHY或使其處于待機(jī)狀態(tài)，以便進(jìn)一步降低功耗。
2．認(rèn)證無(wú)線USB突發(fā)分組傳輸
為了提高媒體訪問(wèn)效率，認(rèn)證無(wú)線 USB 規(guī)范定義了一種突發(fā)分組傳輸方法。在突發(fā)模式中，主機(jī)向設(shè)備發(fā)出一個(gè)IN或OUT數(shù)據(jù)傳輸令牌，接著進(jìn)行IN或OUT數(shù)據(jù)分組的突發(fā)。在這種模式中，幀間時(shí)間間隔(IFS)較小，并且分組的前導(dǎo)長(zhǎng)度也可以縮短，因此增加了有效的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。
ISP3582支持USB-IF的“無(wú)線 USB 規(guī)范 1.0”規(guī)定的最大突發(fā)長(zhǎng)度。為了支持突發(fā)傳輸，用戶應(yīng)遵循認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備描述符的參考代碼，并根據(jù)端點(diǎn)的性能要求來(lái)定制它。
3．射頻設(shè)計(jì)
ISP3582是一種認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器，它并未集成射頻或基帶功能。但其設(shè)計(jì)和測(cè)試兼顧了多數(shù)WiMedia UWB 物理層(PHY)硅芯片解決方案的要求。NXP已與各家PHY供應(yīng)商聯(lián)合起來(lái)共同確保兼容性。
ISP3582是一種高度集成的認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備控制器，其架構(gòu)使其非常適合嵌入式系統(tǒng)的特定要求。與基于軟件的認(rèn)證無(wú)線USB設(shè)備或設(shè)備線纜適配器相比，ISP3582在功率、性能、尺寸和成本等方面都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。
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