探索TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主机控制器：特性、应用与设计要点

在当今数字化飞速发展的时代，USB接口作为设备之间数据传输和供电的重要桥梁，其性能和兼容性至关重要。TUSB7320和TUSB7340作为TI推出的USB 3.0 xHCI主机控制器，为我们带来了高效且稳定的解决方案。今天，我们就深入探讨一下这两款芯片的特性、应用以及设计过程中的关键要点。

文件下载：tusb7320.pdf

一、TUSB73x0简介

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340，它们均采用100引脚的RKM（WQFN - MR）封装，引脚兼容。TUSB7320支持最多两个下游端口，而TUSB7340则支持最多四个下游端口。在后续的讨论中，我们用TUSB73x0来统称这两款芯片。

特性亮点

1. 端口灵活性：每个下游端口可独立启用或禁用，并且可以标记为可移动或不可移动，同时具备独立的电源控制和过流检测功能。这使得在不同的应用场景中，可以根据实际需求灵活配置端口，提高系统的适应性。
2. 信号调节：每个端口都可以对传输摆幅、去加重和均衡设置进行调整，有助于优化信号质量，减少信号干扰，提高数据传输的稳定性。
3. 时钟与电源管理：支持外部振荡器源或晶体单元，时钟频率可以是24 MHz或48 MHz。同时，芯片内部集成了扩频生成功能，有助于降低电磁干扰。此外，芯片不需要外部闪存进行默认配置，可选的串行EEPROM可用于自定义配置。
4. 低功耗设计：通过调整输出摆幅可以直接按比例减少电流消耗，从而节省功耗。不同工作状态下的功耗表现也较为出色，例如TUSB7320在2个SuperSpeed设备活动时，总功耗为1003.20 mW；在系统空闲状态下，总功耗仅为70.95 mW。

二、应用领域

TUSB73x0具有广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：

1. 服务器领域：在机架服务器、微服务器和塔式服务器中，TUSB73x0可以提供高速稳定的USB连接，满足服务器对数据传输和设备扩展的需求。
2. 高性能计算：在高性能计算系统中，需要快速的数据传输和可靠的设备连接，TUSB73x0的SuperSpeed连接能力可以很好地满足这些要求。
3. 存储区域网络（SAN）和主机总线适配器（HBA）卡：在存储系统中，TUSB73x0可以实现高速的数据传输，提高存储设备的读写效率。
4. 桌面PC或主板：为桌面PC和主板提供更多的USB端口选择，支持各种USB设备的连接，增强系统的扩展性。

三、详细设计要点

1. 引脚配置与功能

TUSB73x0的引脚配置涵盖了时钟、复位、PCI Express接口、USB下游端口等多个方面。例如，GRST#用于全局电源复位，XI和XO用于晶体输入和输出，PCIE_REFCLKP和PCIE_REFCLKN用于PCI Express参考时钟等。在设计过程中，需要特别注意引脚的连接和信号的处理，确保各个信号的稳定性和正确性。

2. 电气特性与规格

绝对最大额定值

在使用TUSB73x0时，必须严格遵守绝对最大额定值，例如电源电压、输入电压、输出电压等。超出这些额定值可能会导致设备永久性损坏，影响设备的可靠性。

ESD评级

芯片的ESD评级为人体模型（HBM）±1500 V，带电设备模型（CDM）±500 V。在实际应用中，需要采取适当的ESD防护措施，如使用ESD钳位器等，以保护芯片免受静电放电的影响。

推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压范围、工作温度范围等。例如，VDD33的推荐电压范围为3 - 3.6 V，工作温度范围根据不同的版本有所不同，工业版本为 - 40 - 85℃。在设计电源和散热系统时，需要确保芯片在推荐的工作条件下运行，以保证其性能和稳定性。

3. PHY控制

输出电压摆幅控制

通过De - Emphasis和Swing Control Register中的SWING位，可以独立设置每个发射器的输出摆幅。不同的SWING值对应不同的AC - 耦合振幅，通过调整输出摆幅可以直接影响电流消耗，从而实现功耗的优化。

去加重控制

去加重可以补偿连接介质中的高频衰减。通过Portx_DE位可以设置15种不同的去加重设置，不同的设置对应不同的振幅衰减和dB值。

自适应均衡器

所有接收通道都集成了自适应均衡器，可以通过Equalizer Control Register的Portx_EQ位进行配置。自适应均衡器可以补偿通道插入损耗，减少符号间干扰，提高信号质量。

4. 输入时钟

TUSB73x0支持外部振荡器源或晶体单元。当使用晶体时，需要在XI和XO之间连接一个2 - MΩ的反馈电阻，并注意晶体的负载电容等参数。在使用外部时钟时，参考时钟应具有±100 PPM或更好的频率稳定性，绝对峰 - 峰抖动小于50 ps或应用USB 3.0抖动传递函数后小于25 ps。

5. 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。在PCIe附加卡中，如果需要标记USB端口为不可移动、禁用端口、设置PCIe子系统ID和供应商ID等操作，则需要使用EEPROM。

系统管理中断

TUSB73X0包括一个系统管理中断（SMI）引脚，用于在系统BIOS中支持USB功能。通过USB Legacy Support Control/Status Register中的位可以控制SMI引脚的状态。

6. 应用与实现

设计要求

在设计过程中，需要考虑输入电压范围、输出电压和输出电流额定值等参数。例如，输入电压范围为1.1V - 3.3V，输出电压为5V，输出电流额定值为484 MHz。

详细设计过程

• 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，需要在XI和XO之间连接一个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，在布线时需要注意高速差分对的阻抗匹配和长度匹配。
• PCI Express连接器：PERp和PERn信号必须连接到0.1 µF的耦合电容，以保证信号的稳定性。
• 1.1 - V调节器：为了仅使用一个电源源，需要使用1.1 - V调节器。可以通过调整电阻值来设置不同的输出电压。
• 5 - V VBUS选项：可以使用5 - V调节器或IDE电源连接器来生成5 - V源。

布局要点

在PCB布局时，需要遵循一些重要的原则：

• 高速差分布线：对于高速差分对（如USB_DM和USB_DP、USB_SSTXM和USB_SSTXP、USB_SSRXM和USB_SSRXP），应确保90 Ω ±15%的差分阻抗，并且对信号对进行长度匹配。同时，尽量减少过孔的使用，将差分对布线在顶层或底层。
• ESD和共模扼流圈：ESD钳位器和共模扼流圈应尽量靠近USB连接器信号引脚放置，以提高信号的抗干扰能力。

7. 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。每个寄存器空间都有其特定的功能和用途，通过对这些寄存器的配置和操作，可以实现对芯片的各种功能控制。例如，通过配置USB Command Register可以启动或停止芯片的运行，通过读取USB Status Register可以了解芯片的状态信息。

四、总结

TUSB73x0作为一款高性能的USB 3.0 xHCI主机控制器，具有丰富的特性和广泛的应用领域。在设计过程中，我们需要充分了解其引脚配置、电气特性、PHY控制、输入时钟、编程、应用实现和寄存器映射等方面的知识，严格遵循设计要求和布局原则，才能充分发挥其性能优势，设计出稳定可靠的系统。希望本文能够为电子工程师们在使用TUSB73x0进行设计时提供一些有价值的参考。

以上就是关于TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主机控制器的详细介绍，你在实际设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言讨论。