TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主机控制器深度解析

在当今高速数据传输的时代，USB 3.0技术凭借其高速率、高带宽的优势，在各类电子设备中得到了广泛应用。TUSB73x0作为一款USB 3.0-compliant xHCI主机控制器，为我们的设计带来了诸多便利和强大功能。今天，我们就来深入探讨一下TUSB73x0的相关特性、应用及设计要点。

文件下载：tusb7340.pdf

一、TUSB73x0概述

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340两款产品。TUSB7320支持多达两个下游端口，而TUSB7340则支持多达四个下游端口，它们均采用引脚兼容的100引脚RKM封装。这两款控制器通过PCIe x1 Gen 2接口与主机系统相连，能够在下游USB端口上提供SuperSpeed、高速、全速或低速连接。

特性亮点

1. 端口灵活性：每个下游端口可独立启用或禁用，还可标记为可移动或不可移动，具备独立的电源控制和过流检测功能。
2. 信号调节：可对传输摆幅、去加重和均衡设置进行调整，以优化信号传输质量。
3. 低配置要求：默认配置无需外部闪存，还可通过可选的串行EEPROM进行自定义配置。
4. 时钟支持：支持低成本晶体或振荡器，内部具备扩频生成功能。
5. 自适应均衡：采用一流的自适应接收器均衡器设计，可有效补偿信道插入损耗，减少符号间干扰。

二、应用场景

TUSB73x0的应用范围十分广泛，涵盖了多个领域：

1. 服务器领域：如机架服务器、微服务器和塔式服务器，可满足高速数据传输和多设备连接的需求。
2. 高性能计算：为高性能计算系统提供稳定的USB接口支持。
3. 存储网络：在存储区域网络（SAN）和主机总线适配器（HBA）卡中发挥重要作用。
4. 桌面电脑：可用于桌面PC或主板，提升USB接口的性能和功能。

三、详细特性分析

1. PHY控制

输出电压摆幅控制

通过De - Emphasis and Swing Control Register中的SWING位，可将每个发射器的输出摆幅独立设置为多个选项之一。降低输出幅度可按比例减少电流消耗，从而节省功耗。

去加重控制

去加重功能可补偿连接介质中的高频衰减。通过De - Emphasis and Swing Control Register中的PORTx_DE位，提供了十五种不同的去加重设置。

自适应均衡器

所有接收通道均采用自适应均衡器，可通过Equalizer Control Register的Portx_EQ位进行配置。它能通过衰减信号的低频分量来补偿信道插入损耗，减少符号间干扰。

2. 输入时钟

时钟源要求

TUSB73x0支持外部振荡器源或晶体单元，时钟源频率可以是24 MHz或48 MHz。使用晶体时，需在XI和XO之间连接一个2 - MΩ的反馈电阻，并遵循相关连接准则。

外部时钟

使用外部时钟源时，参考时钟应具有±100 PPM或更好的频率稳定性，绝对峰 - 峰值抖动小于50 ps，或在应用USB 3.0抖动传递函数后小于25 ps。

外部晶体

使用晶体时，XI和XO之间需要一个外部2 - MΩ的反馈电阻，同时要注意晶体的相关规格。

3. 编程

两线串行总线接口

主机控制器提供两线串行总线接口，可从外部EEPROM加载子系统识别信息和特定寄存器默认值。使用外部EEPROM是可选的，TUSB73x0在默认设置下也能正常工作。

系统管理中断

TUSB73X0包含一个系统管理中断（SMI）引脚，可在系统BIOS中实现USB支持。该引脚由USB Legacy Support Control/Status Register中的位控制。

四、设计与实现要点

1. 典型应用设计

设计要求

输入电压范围为1.1V至3.3V，输出电压为5V，输出电流额定值为484 MHz。

详细设计步骤

• 上游实现：TUSB7320的上游端口连接到PCIe x1 Gen 2接口，使用48 - MHz外部晶体时，需在XI和XO之间连接一个外部2 - MΩ的反馈电阻。
• 下游端口实现：下游端口连接到USB3 Type A连接器。
• PCI Express连接器：PERp和PERn信号必须连接到0.1 µF的耦合电容器。
• 1.1 - V稳压器：若仅使用一个电源源，则需使用1.1 - V稳压器。
• 5 - V VBUS选项：可使用5 - V稳压器或IDE电源连接器来生成5 - V源。

2. 电源供应建议

上电和下电顺序

主机控制器包含1.1 - V和3.3 - V电源端子，上电时应先施加3.3 - V电压，再施加1.1 - V电压，GRST#必须保持有效，直到两个电压达到最小推荐工作电压。下电时，先断言PERST#，再移除参考时钟和电源电压。

PCI Express电源管理

TUSB73X0在内存映射寄存器空间中包含MSI - X Table和PBA，可通过Base Address Register 2/3中编程的地址进行访问。

3. 布局指南

高速差分布线

高速差分对（USB_DM和USB_DP）连接到A型USB连接器，差分对走线应具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信号对的走线长度应匹配，总走线长度应尽量短。

SuperSpeed差分布线

SuperSpeed由两个差分布线对组成，每个差分对走线应具有90 Ω ±15%的差分阻抗，高速信号对的走线长度匹配误差应不超过5 mils，总长度不超过六英寸。

五、寄存器映射

TUSB73x0的寄存器映射包括经典PCI配置空间、PCI Express扩展配置空间、xHCI内存映射寄存器空间和MSI - X内存映射寄存器空间。这些寄存器用于控制和配置控制器的各种功能，如端口设置、电源管理、中断控制等。

六、总结

TUSB73x0作为一款功能强大的USB 3.0 xHCI主机控制器，具有丰富的特性和广泛的应用场景。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性和要求，合理进行电源供应、布局布线和寄存器配置，以确保系统的稳定性和高性能。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地理解和应用TUSB73x0，在实际项目中发挥其最大优势。

各位工程师在使用TUSB73x0的过程中，是否遇到过一些独特的问题或有一些巧妙的解决方案呢？欢迎在评论区分享交流！