Host Controller USB le soluzioni Renesas

Una panoramica delle soluzioni proposte da Renesas per applicazioni USB Host. USB (Universal Serial Bus) è un protocollo di comunicazione per dispositivi periferici introdotto nel 1994 da un gruppo di compagnie, tra cui Intel, IBM e Microsoft. Inizialmente orientato al mercato dei Personal Computer, ha in realtà trovato rapida diffusione anche in applicazioni embedded tanto da essere adottato oggi pure in telefoni cellulari, PDA, console di gioco.

Nel 2008 è stata superata la soglia dei 2 bilioni di dispositivi USB venduti per anno; ad oggi sono stati immessi sul mercato oltre 10 bilioni di componenti. Il protocollo di comunicazione ha una struttura asimmetrica caratterizzata dalla presenza di un singolo host ed una moltitudine di dispositivi periferici connessi in rete con una topologia a stella ad n-livelli. La versione 1.0 dello standard operava ad 1.2 Mbps in modalità Low-Speed e 12 Mbps in modalità Full-Speed. La specifica 2.0, introdotta nel 2001 ed oggi maggiormente diffusa, supporta invece trasferimenti fino a 480 Mbps (HighSpeed). Il nuovo standard 3.0 arriva a 4.8 Gbps (Super-Speed), la specifica è stata rilasciata nel 2008 ed il primo dispositivo è stato presentato nel 2009 da Nec.

ASSP PER APPLICAZIONI USB  HOST

La figura 1 mostra la line-card di Renesas per quanto concerne i componenti ASSP per applicazioni USB con funzionalità host.

Figura 1: line-card di dispositivi Renesas per applicazioni USB Host.

Figura 1: line-card di dispositivi Renesas per applicazioni USB Host.

L’ µPD720101, in particolare, è un controller dotato di 5 porte USB 2.0 con funzionalità host ed interfaccia host PCI 32bit/33 MHz, disponibile per applicazioni legacy come, ad esempio, schede PCMCIA. Supporta comunicazioni USB Full-Speed e High-Speed. Implementa due interfacce host di tipo OHCI (Open Host Controller Interface) per la gestione delle porte in modalità Low-Speed a FullSpeed ed una di tipo EHCI (Enhanced Host Controller Interface) per la modalità High-Speed. L’interfaccia PCI è compatibile con la revisione 2.2 della specifica e supporta le raccomandazioni PCI Mobile Design Guide Revision 1.1 e PCI-Bus Power Management Interface Specification Release 1.1; vendor ID e sub system ID, oltre ai parametri di default per le porte USB, sono configurabili mediante software di sistema o da EEPROM seriale. Disponibile in package LQFP e FBGA a 144 pin, richiede una singola tensione di alimentazione a 3.3 V ma assicura compatibilità con applicazioni PCI a 5V. Sono disponibili i driver per Windows e Linux. Per applicazioni che richiedano un numero di porte inferiore è disponibile la versione equivalente µPD720102, che dispone di 3 canali USB. L’ µPD720200a è, invece, la più recente proposta per le applicazioni USB 3.0. Dispone di due porte indipendenti in grado di supportare trasmissioni Super-Speed e di interfaccia host PCIe Gen2 x 1 Lane compatibile con protocollo Intel exHCI (eXtensible Host Controller Interface). Disponibile in package FPBGA a 176 pin di ridotte dimensioni (10 x 10 mm), richiede una tensione di alimentazione a 1.05 V per il core; l’I/O è invece alimentato a 3.3 V. La dissipazione di potenza (preliminare) in modalità operativa è inferiore a 1 W. Attualmente ne è anche in fase di sviluppo una versione con fino a 4 porte USB.

SOLUZIONI PER IL MERCATO EMBEDDED

Per il mercato embedded, Renesas rende disponibili, invece, i componenti ASSP M66596 e R8A66597. Si tratta di controller USB conformi alla specifica 2.0 con funzionalità di host e peripheral in unico dispositivo (la selezione avviene mediante configurazione). L’M66596, in particolare, supporta le modalità FullSpeed e High-Speed previste dallo standard; richiede tensione di alimentazione a 1.5 per il core ma supporta interfaccia host ad 1.8 V e 3.3 V. Caratterizzato da bassa dissipazione di potenza, disponendo anche di una modalità di powersaving sleep attivabile durante i periodi di sospensione delle attività, è ideale per applicazioni mobile. Disponibile, infatti, in package compatto a 64 pin, integra resistori di terminazione e pull-up delle linee seriali riducendo così lo spazio occupato sul circuito stampato. Supporta tutti i tipi di trasferimenti USB, tra cui i control transfer, bulk transfer, interrupt transfer e le comunicazioni isocrone (gli ultimi due tipi non disponibili nella modalità High-Speed). Dispone di interfaccia host ad 8 e 16 bit con funzionalità DMA slave per trasferimenti fino a 40 MByte/s da e verso l’host. Integra buffer di memoria da 5 Kbyte, supporta configurabilità di fino ad 8 endpoints, dispone di PLL interno che consente di operare con clock esterni a 12, 24 o 48 MHz. In modalità host gestisce comunicazione High-Speed verso un solo dispositivo periferico. Analoghe funzionalità sono offerte dall’R8A66597 che, in aggiunta, si caratterizza per la disponibilità di ben due porte USB in modalità Host e la possibilità di operare con una sola tensione di alimentazione a 3.3 V (la tensione di core è derivata mediante regolatore interno). Due porte USB host sono pure presenti a bordo dell’µPD720150, ereditato dalla line card Nec. L’M3A-0040 (figura 2) è un utility board per l’R8A66597 realizzata da Renesas con connettori a due file di passo standard per la connessione alla scheda carrier.

Figura 2: utility board M3A-0040.

Figura 2: utility board M3A-0040.

MCU CON CONTROLLER HOST USB

Oltre ai dispositivi ASSP, Renesas rende disponibili MCU per applicazioni embedded con interfaccia USB. La figura 3 ne mostra la road-map per quanto concerne i dispositivi basati su CPU SH-2A e SH-4A della famiglia SuperH a 32-bit.

Figura 3: road-map per MCU SuperH con interfaccia USB host

Figura 3: road-map per MCU SuperH con interfaccia USB host

Tali CPU implementano una architettura RISC superscalare (esecuzione simultanea di due istruzioni) con istruzioni a lunghezza fissa a 16 bit, MMU e coprocessore FPU. Sono in genere adottate in applicazioni miniaturizzate a basso costo, come, ad esempio, sistemi di navigazione, terminali POS, apparecchiature di rete, DVC e DSC. L’interfaccia USB è compatibile con le specifiche Full-Speed e HighSpeed. Sono disponibili fino a 2 porte di comunicazione indipendenti con canale DMA dedicato per lo scambio dati con l’host e sono gestiti fino a 10 endpoint; mediante un hub esterno è possibile interfacciare così dispositivi periferici multipli. Interfacce USB sono pure presenti a bordo di alcune delle MCU a 32 bit della serie V850. In questo caso è supportata la sola modalità Full Speed e sono gestiti fino ad 8 endpoint. Supporta, invece, la  specifica 2.0 l’interfaccia USB a bordo dei micro delle serie RX600 e RX200. Tali microcontrollori sono basati su CPU RX che implementa un’architettura CISC con istruzioni a lunghezza variabile (per assicurare la  massima compattezza del codice) in grado di garantire, nel caso. ad esempio. dei dispositivi RX62N, una capacità di calcolo di 165 DMIPS ad una frequenza di clock di 100 MHz. La CPU è dotata di unità FPU a singola precisione, MPU, accumulatore ed unità Multiple/Divide.

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