從有線USB向認證無線USB的轉移
為實現(xiàn)從USB到認證無線USB的順利轉移，業(yè)界已定義了幾種產品。這些產品涵蓋了本機認證無線USB設備、設備線纜適配器、主機導線適配器，以及利用無線主機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主機系統(tǒng)轉移到認證無線USB?？蛻艨墒褂没赑CI或PCI-e的認證無線USB附加卡，或使用主機導線適配器(HWA)解決方案。HWA將有線USB主機功能擴展成認證無線USB主機功能。換句話說，HWA通過USB轉接器提供認證無線USB主機功能。
同樣，現(xiàn)有的USB設備也可以連接到認證無線USB主機。設備線纜適配器(DWA)使客戶能將其現(xiàn)有USB設備連到認證無線USB主機。DWA作為認證無線USB集線器，可實現(xiàn)各個USB設備與其下游端口的連接，并將有線USB流量轉變成認證無線USB流量。
| 圖1：NXPISP3582框圖。 |
DWA可以用于外部集線器型應用中，但它并非針對嵌入式應用而設計。對嵌入式設備而言，DWA的性能不高，而且成本昂貴、尺寸大、功耗高。而對性能、成本、裸片尺寸和低功耗等指標都極其重要的嵌入式設計而言，認證無線USB本機設備控制器則是最佳的設計選擇。NXP半導體公司(NXP Semiconductors)公司的首個認證無線USB產品就是本機認證無線USB設備控制器ISP3582。ISP3582直接向設備功能應用提供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)緩沖和調度，也不需要有線USB端口連接到DWA。
NXP半導體預計，有線USB設備和認證無線USB設備將在相當長的時間內共存，因此ISP3582繼承了NXP有線USB設備特性和系統(tǒng)架構。它的軟件堆棧類似于NXP有線USB設備控制器的軟件堆棧，可為客戶提供無縫的設計路徑，以便輕松地從有線USB轉移到認證無線USB。
| 圖2：無線USB和有線USB接口共存的系統(tǒng)框圖。 |
基于ISP3582的設計說明
認證無線USB設備控制器ISP3582包含實現(xiàn)認證無線USB設備的所有構建塊。這些構建塊包括WiMedia介質訪問控制器(MAC)、MAC-PHY接口、系統(tǒng)連接接口，并且它們全部被集成在尺寸為 7×7mm的TFBGA112封裝中。
圖1為NXP認證無線USB設備控制器ISP3582框圖。ISP3582集成了MAC、認證無線USB協(xié)議抽象層(PAL)、并行 IO (PIO)或SDIO形式的系統(tǒng)接口、認證無線USB數(shù)據(jù)緩沖器、串行存儲器接口，以及用于加快認證無線USB協(xié)議處理的嵌入式ARM系統(tǒng)。
當從有線USB轉移至認證無線USB時，ISP3582是最佳選擇。ISP3582可以通過一條16比特并行總線或內部SDIO總線集成到系統(tǒng)中，并且不會干擾現(xiàn)有的有線USB功能。這個特性非常重要。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。圖2給出了有線和無線USB共存的系統(tǒng)框圖。
| 圖3：NXP認證無線USB設備控制器ISP3582的簡化設計示意圖。 |
實現(xiàn)認證無線USB設備功能有兩個主要元件：ISP3582和一個UWB物理層芯片或芯片組。圖3是ISP3582的簡化設計原理圖。
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功能針對某些認證無線USB設備經(jīng)過了最優(yōu)化，這些設備基于“無線網(wǎng)絡分布式介質訪問控制1.0發(fā)行版”(簡稱WiMedia MAC規(guī)范)和USB-IF的“無線通用串行總線規(guī)范1.0修訂版”。它支持認證無線USB 1.0直接信標機制，其裸片尺寸小、功耗低。MAC構建塊集成了以線速工作的先進加密標準(AES)加密解密引擎。數(shù)據(jù)在經(jīng)過加密后直接寫入數(shù)據(jù)緩存器，而在數(shù)據(jù)傳輸時，可直接從數(shù)據(jù)緩沖器中讀出數(shù)據(jù)，然后解密，進行傳輸。這個過程不需要為加密的數(shù)據(jù)提供額外的臨時緩沖器。
3．認證無線USB協(xié)議抽象層
ISP3582認證無線USB協(xié)議抽象層(PAL)符合認證無線USB 1.0規(guī)范。它提供了一種非常靈活的認證無線USB端點配置。用戶能利用除控制端點之外的14個端點。這些端點可被單獨配置成批量端點(bulk endpoint)、中斷端點或同步端點。每個端點的最大分組的大小、動態(tài)分組大小的調整、突發(fā)分組的數(shù)量都是可編程的。每個端點的緩沖器大小和數(shù)量也是可編程的，以便實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)流傳輸。
與基于軟件的認證無線USB設備實現(xiàn)不同的是，ISP3582硬件可處理DN_EPRdy等時序關鍵的認證無線USB事件，這不僅減輕了軟件工作量，還縮短了恢復認證無線USB數(shù)據(jù)傳輸所需的響應時間。
| 圖4：外部微處理器與NXP認證無線USB設備控制器ISP3582之間的PIO接口。 |
4．認證無線USB數(shù)據(jù)存儲器
ISP3582提供64KB的共享存儲器以供認證無線USB數(shù)據(jù)緩沖和系統(tǒng)信息交換使用。
該存儲器可作為USB數(shù)據(jù)緩沖器動態(tài)分配給任何端點。在端點數(shù)據(jù)傳輸完成后，該存儲器可被重新激活，以供同一端點使用，或者被重新配置，供其它端點使用。
5．用于卸載系統(tǒng)工作量的內置ARM處理器
ISP3582集成了一個ARM7 RISC處理器。ISP3582固件訪問硬件，并提供一個硬件抽象層(HAL)應用編程接口(API)。集成工作非常容易：用戶應用程序只須遵循NXP半導體公司的標準設備協(xié)議程序(DPD)和設備控制器程序(DCD)API，就可實現(xiàn)USB類功能或特定于供應商的設備功能。認證無線USB DPD/DCD層與 ISP3582 都是符合認證無線USB的成熟堆棧，它降低了認證無線USB設備實現(xiàn)工作的復雜性，可實現(xiàn)快速上市，并降低開發(fā)成本。此外，ISP3582還配備了32KB ROM和32KB專用程序和數(shù)據(jù)存儲器。
| 圖5：利用內部SDIO接口的ISP3582認證無線USB設備設計實例。 |
6．ISP3582 配置在引導期間，可通過外部引腳來配置ISP3582的工作模式。為減少引腳數(shù)量，對PIO和SDIO接口進行了復用(見表)。
7．系統(tǒng)接口：PIO和SDIO
ISP3582有兩個系統(tǒng)接口和總線備選方案：一個 SDIO 接口，或一條類似 于SRAM的16比特并行輸入/輸出(PIO)總線。為內部設計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時鐘速率。另外，它具有一種定制配置來支持50MHz SDIO時鐘速率。在SDIO 4比特模式下，50MHz時的數(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320Mbps的數(shù)據(jù)訪問速率。
ISP3582寄存器和數(shù)據(jù)緩沖存儲器是存儲器映射式的。PIO的信號和系統(tǒng)連接圖如圖4所示。
ISP3582可以實現(xiàn)對寄存器區(qū)和存儲器區(qū)的快速讀/寫訪問。認證無線USB數(shù)據(jù)傳輸通過PHY、ARM處理器和PIO共享內部存儲緩沖器。
郵箱協(xié)議在ISP3582的PIO接口和內部總線之間傳輸命令和數(shù)據(jù)。該協(xié)議利用多條通道來實現(xiàn)系統(tǒng)處理器與ISP3582 之間的快速命令傳輸。
郵箱通信協(xié)議基于一種中斷機制。在命令或數(shù)據(jù)被傳輸之后，內部ARM處理器或外部系統(tǒng)處理器被一個中斷觸發(fā)。
SDIO是一種用于便攜式設備的接口。ISP3582 SDIO符合SDIO規(guī)范1.10。ISP3582 SDIO模塊符合標準的25MHz SDIO時鐘速率(可按照NXP公司的定制配置提高到50MHz)。圖5是一個采用ISP3582的內部SDIO接口的設計示意圖。
8．ISP3582軟件堆棧
由于架構很靈活，因此ISP3582能運行某些認證無線 USB 軟件組件。NXP提供不同的二進制固件映像，這些映像涵蓋了對認證無線USB的各種軟件要求。
在典型應用軟件中，系統(tǒng)應用軟件通過DCD(設備控制器驅動程序)和DPD(設備協(xié)議驅動程序)API與ISP3582通信。DCD和DPD軟件組件均類似于NXP有線 USB 軟件組件。但是它們已進行了升級，從而滿足認證無線USB的新要求。修改范圍包括功率優(yōu)化、關聯(lián)塊以及無線媒體恢復機制。
NXP還提供固件以促成基于SDIO的實現(xiàn)。與PIO的情況類似，郵箱協(xié)議被用于SDIO主設備與從設備之間的通信。
為簡化軟件開發(fā)，NXP要求 ISP3582應用軟件使用DPD和DCD API。所有特定于類和特定于供應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。這種架構使開發(fā)者可繞開認證無線 USB 硬件的復雜性，他們只需通過一個簡單的 API即可輕松開發(fā)出特定應用軟件。另外，NXP還將常用軟件組件作為設計套件的一部分提供，包括海量存儲類驅動程序、圖片傳輸協(xié)議(PTP)、介質傳輸協(xié)議(MTP)，以及駐留在 ISP3582中的二進制固件。
外部微處理器和內部ARM之間的通信在這個層中進行。來自類驅動程序和應用軟件的所有命令都被轉換成郵箱命令，并通過郵箱協(xié)議進行傳輸。在ISP3582方面，固件將作為二進制映像提供給客戶。在系統(tǒng)處理器方面，NXP將向客戶提供參考代碼以及詳細的API文檔。
DPD層處理所有與處理標準設置令牌相關的協(xié)議，其中包括認證無線USB的協(xié)議，這其中又包括設備通知、信息單元(IE)等。該軟件組件以二進制形式提供給NXP的客戶。
DCD層對所有硬件細節(jié)進行抽象處理，并向DPD或認證無線USB層提供服務，后者利用它來實現(xiàn)對設備控制器寄存器的讀寫操作。該軟件組件以二進制形式提供給NXP的客戶。
DPD API定義了功能支持，以運行所有可能的應用軟件和類驅動程序，它們能高效率地使用DPD層的服務。針對任何特定API組的參數(shù)傳遞是由定義完善的數(shù)據(jù)結構處理的。
采用ISP3582的內部設計可輕松實現(xiàn)高性能
由于板上無線技術設計很復雜，所以NXP聯(lián)合亞洲和美國的多家模塊制造商，向客戶提供一站式解決方案。模塊制造商們除了向ISP3582用戶提供天線設計、射頻(RF)性能、調整和軟件支持以外，還會根據(jù)客戶需要來修改其ISP3582 解決方案。
通過與模塊制造商的合作，NXP的客戶可以極大地減少驗證時間和工作，并縮短上市時間。
1．功率管理
對于便攜式設備，功耗極其關鍵。它決定了電池的一次充電周期可使設備工作的時間。
NXP認證無線 USB 設備控制器 ISP3582已進行了最大程度降低功耗的設計。
該設計擁有正在申請專利的硬件功率管理單元 (PMU)，該PMU單元不間斷地監(jiān)視認證無線USB的活動，它不僅通過支持認證無線 USB 睡眠模式來省電，并且還會在認證無線USB正常工作期間尋找機會來關斷PHY或使其處于待機狀態(tài)，以便進一步降低功耗。
2．認證無線USB突發(fā)分組傳輸
為了提高媒體訪問效率，認證無線 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，主機向設備發(fā)出一個IN或OUT數(shù)據(jù)傳輸令牌，接著進行IN或OUT數(shù)據(jù)分組的突發(fā)。在這種模式中，幀間時間間隔(IFS)較小，并且分組的前導長度也可以縮短，因此增加了有效的數(shù)據(jù)傳輸時間。
ISP3582支持USB-IF的“無線 USB 規(guī)范 1.0”規(guī)定的最大突發(fā)長度。為了支持突發(fā)傳輸，用戶應遵循認證無線USB設備描述符的參考代碼，并根據(jù)端點的性能要求來定制它。
3．射頻設計
ISP3582是一種認證無線USB設備控制器，它并未集成射頻或基帶功能。但其設計和測試兼顧了多數(shù)WiMedia UWB 物理層(PHY)硅芯片解決方案的要求。NXP已與各家PHY供應商聯(lián)合起來共同確保兼容性。
ISP3582是一種高度集成的認證無線USB設備控制器，其架構使其非常適合嵌入式系統(tǒng)的特定要求。與基于軟件的認證無線USB設備或設備線纜適配器相比，ISP3582在功率、性能、尺寸和成本等方面都具有相當?shù)膬?yōu)勢。
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