Zugriff auf Hochgeschwindigkeitsperipheriegeräte mit einer USB-zu-PCIe-Brücke

Erstellt: Mai 16, 2022
Aktualisiert am: Juni 25, 2023

PCIe auf dem Gerät ist hier, um zu bleiben, und Sie müssen sich nicht auf Edge-Connectoren mit großen Karten verlassen, um auf Peripheriegeräte zuzugreifen. Geräte, die normalerweise über PCI/PCIe kommunizieren würden, müssten mit einem teuren Host-Controller wie einem komplexen FPGA oder MPU interagieren, was diese Anwendungen auf Computersysteme beschränkt. Jetzt, mit der Fülle von eingebetteten Prozessorkomponenten, die auf dem Markt verfügbar sind, können Designer auf PCIe zugreifen, ohne teure FPGAs oder MPUs kaufen zu müssen.

Ein USB-zu-PCIe-Brückencomputer ist eine ausgezeichnete Wahl, um über USB mit einem abgespeckten MCU oder SoC auf PCIe-Peripheriegeräte zuzugreifen. Während Sie normalerweise einen hohen Preis zahlen müssten, um eine Multi-Lane-PCIe-Schnittstelle in Ihren Host-Controller zu integrieren, bietet ein günstigerer MCU mit einem USB-zu-PCIe-Brückencontroller Zugang zu ~Gbps PCIe-Peripheriegeräten über eine vertraute USB 2.0- oder höhere Schnittstelle. Lesen Sie weiter, um zu sehen, wie diese Geräte in die eingebettete Landschaft passen.

Der Wert von Interface-Bridge-ICs

Interface-Bridge-ICs arbeiten nach einer ziemlich einfachen Idee: Daten von einer hochgeschwindigkeitsdigitalen Schnittstelle als Eingang nehmen und sie in das Signalformat einer anderen hochgeschwindigkeitsdigitalen Schnittstelle am Ausgang umwandeln. Es gibt eine Reihe dieser Komponenten auf dem Markt, die dazu bestimmt sind, eine Schnittstelle zwischen mehreren Hochgeschwindigkeitsprotokollen zu bieten. Die LAN-Produktlinie von Microchip ist ein Beispiel für die Brücke zu Ethernet; einige Beispielprodukte sind der LAN7430 PCIe zu Gigabit Ethernet-Brücke und die LAN7800 USB zu Ethernet-Brücke.

Für Computerperipheriegeräte oder andere Hochgeschwindigkeitskomponenten funktioniert eine USB-zu-PCIe-Brücke im Grunde wie ein SerDes-Controller. Diese Komponenten können parallele Daten von mehreren PCIe-Lanes in serielle Daten über USB 2.0 oder höher umwandeln. Auf diese Weise wird die Datenrate das Minimum von dem sein, was durch die PCIe-Schnittstelle oder die USB-Schnittstelle bereitgestellt wird. Achten Sie darauf, welche PCIe-Generation von den Brückenkomponenten unterstützt wird; die meisten Brücken-ICs unterstützen Gen2.

Einige USB-zu-PCIe-Brückenkomponenten

Diodes Incorporated PI7C9X442SLBFDE

Der PI7C9X442SLBFDE von Diodes Incorporated bietet eine Schnittstelle zwischen bis zu 3 PCIe-Lanes und vier USB 2.0-Controller-Schnittstellen. Die USB-Ports auf dem Gerät können alle verfügbaren Geschwindigkeiten unterstützen, einschließlich High-Speed (HS), Full-Speed (FS) und Low-Speed (LS) gemäß der USB 2.0-Spezifikation. Das Routing wird durch einen integrierten Schalter zwischen der PCIe-Verbindung und den integrierten USB-Schnittstellen in einem 126-Pin-Gehäuse bereitgestellt.

Broadcom USB 3380

Die USB 3380 USB-zu-PCIe-Brücke von Broadcom ermöglicht eine Verbindung zwischen einer einzelnen PCIe Gen 2 Lane und USB 3.0. Dies ermöglicht einem abgespeckten FPGA oder einem hochwertigeren SoC ohne PCIe den Zugriff auf eine PCIe-Lane mit 5 GT/s. Einige Beispielanwendungen sind SSDs für eingebettete Systeme, Zugriff auf SoMs und direkte Schnittstelle mit Hochgeschwindigkeits-Netzwerkcontrollern ohne Verwendung eines Standard-Edge-Connectors.

MCU, MPU oder FPGA?

Ein FPGA ist eine weitere Prozessoroption, die Entwickler nutzen können, um über PCIe oder andere Schnittstellen auf Hochgeschwindigkeitsperipheriegeräte zuzugreifen. FPGAs neigen dazu, mehr Hochgeschwindigkeits-Computing- und Netzwerkschnittstellen (PCIe, DDR, Ethernet usw.) als ein typischer MCU zu umfassen. Das Gleiche gilt für MPUs, wie die Sitara-Reihe von MPUs von TI. Selbst wenn ein kostengünstiger FPGA kein PCIe enthält, umfasst eine hochwertigere Komponente wahrscheinlich eine USB-Schnittstelle oder wird mit einer Hochgeschwindigkeits-USB-Schnittstelle verbunden, sodass Sie immer noch auf PCIe mit einem Bridge-IC zugreifen können.

MCUs mit USB

Wenn Sie kein FPGA-Entwickler sind und dennoch auf PCIe-Peripheriegeräte mit einem kostengünstigen MCU, MPU oder einem auf MCU basierenden SoC zugreifen möchten, bieten neuere Komponenten Optionen, die eine Hochgeschwindigkeits-USB-2.0-Schnittstelle umfassen. Große IC-Hersteller haben ihre MCU/MPU-Produktlinien allmählich erweitert, um USB 2.0 zu unterstützen, und Sie können wahrscheinlich eine zusätzliche Komponente finden, die mit einem USB-zu-PCIe-Brücken-IC verbunden wird und Ihnen Zugang zu Hochgeschwindigkeitsperipheriegeräten bietet. Sie werden nicht bis zu 32 GT/s bei PCIe Gen 5 erreichen, aber Sie haben Zugang zu ~Gbps-Datenraten mit wichtigen Peripheriegeräten in einem kompakten Paket.

MCUs sind auch aus Programmiersicht etwas einfacher zu handhaben; ich kenne viele Firmware-Entwickler, die mit einer Reihe von MCUs arbeiten, aber nicht so viele FPGA-Entwickler. Beide Arten von Komponenten von großen Herstellern haben viel Programmierunterstützung mit SDKs, einer IDE und Beispielprojekten, also einfach, mit der Entwicklung für Ihr neues System zu beginnen. Ein Beispiel ist die PIC32 SAM USB-Reihe von MCUs von Microchip, die eine USB-2.0-Schnittstelle mit voller Geschwindigkeit umfassen. Dies bietet eine Datenübertragungsrate, die viel schneller ist als jede andere digitale Niedriggeschwindigkeitsschnittstelle, die Sie in einem typischen MCU finden werden, sowie zusätzliche Schnittstellen wie CAN und 10/100 Ethernet.

Mehr spezialisierte MCUs mit USB 3.0

Einige spezialisiertere MCU-Produkte, wie zum Beispiel für einen USB-Hub, beinhalten eine integrierte USB 3.0 Schnittstelle mit integriertem Taktgeber für hohe Datenübertragungsraten nach dem 3.0 Standard. Theoretisch können diese mit einer USB 3.0 zu PCIe-Brücke verbunden werden, wobei die spezifische Verwendung darin besteht, auf eines oder mehrere PCIe-Geräte über USB zuzugreifen, falls die nachgeschalteten Komponenten oder Peripheriegeräte einfach nicht mit einer USB-Schnittstelle verfügbar sind. Ein großartiges Beispiel ist die CYUSB3xxx Serie von USB 3.0 Hub Controller MCUs von Cypress Semiconductor, die über I2C mit einem Host-Controller verbunden wird und Zugriff auf 4 nachgeschaltete Geräte bietet.

Weitere Teile für eingebettete Systeme mit USB zu PCIe Bridge ICs

PCIe-Geräte werden immer wichtiger für rechenintensive Anwendungen wie Robotik und On-Device KI, aber sie benötigen eine Vielzahl anderer Komponenten, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Einige andere wesentliche Komponenten, die benötigt werden, um Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme mit PCIe zu unterstützen, umfassen:

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