Accedi a periferiche ad alta velocità con un ponte da USB a PCIe

Creato: maggio 16, 2022
Aggiornato: giugno 25, 2023

PCIe sul dispositivo è qui per restare, e non è necessario affidarsi a connettori di bordo con schede di grandi dimensioni per accedere ai periferici. I dispositivi che normalmente comunicano tramite PCI/PCIe avrebbero bisogno di interfacciarsi con un costoso controller host come un FPGA o un MPU complesso, il che limita queste applicazioni ai sistemi informatici. Ora, con la ricchezza di componenti per processori embedded disponibili sul mercato, i progettisti possono accedere a PCIe senza acquistare costosi FPGA o MPU.

Un computer con ponte da USB a PCIe è un'ottima scelta per accedere ai periferici PCIe tramite USB utilizzando un MCU o un SoC semplificato. Mentre normalmente potrebbe essere necessario pagare un prezzo elevato per ottenere un'interfaccia PCIe multi-lane integrata nel tuo controller host, un MCU più economico con un controller ponte da USB a PCIe offre l'accesso a periferici PCIe ~Gbps tramite un'interfaccia USB 2.0 o superiore familiare. Continua a leggere per vedere come questi dispositivi si inseriscono nel panorama embedded.

Il valore degli IC ponte di interfaccia

Gli IC ponte di interfaccia operano secondo un'idea piuttosto semplice: prendere dati da un'interfaccia digitale ad alta velocità come input e convertirli nel formato del segnale di un'interfaccia digitale ad alta velocità diversa in output. Esiste una gamma di questi componenti sul mercato che sono progettati per fornire un'interfaccia tra più protocolli ad alta velocità. La linea di prodotti LAN di Microchip è un esempio per il ponte verso Ethernet; alcuni prodotti di esempio sono il LAN7430 ponte da PCIe a Gigabit Ethernet, e il LAN7800 ponte da USB a Ethernet.

Per periferiche di computer o altri componenti ad alta velocità, un ponte da USB a PCIe funziona essenzialmente come un controller SerDes. Questi componenti possono tradurre dati paralleli da più corsie PCIe in dati seriali tramite USB 2.0 o superiore. In questo modo, la velocità di trasmissione dati sarà il minimo tra quella fornita dall'interfaccia PCIe o dall'interfaccia USB. Assicurati di prestare attenzione alla generazione di PCIe supportata dai componenti ponte; la maggior parte degli IC ponte supporta Gen2.

Alcuni componenti ponte da USB a PCIe

Diodes Incorporated PI7C9X442SLBFDE

Il PI7C9X442SLBFDE di Diodes Incorporated fornisce un'interfaccia tra fino a 3 corsie PCIe e quattro interfacce di controller USB 2.0. Le porte USB sul dispositivo possono supportare tutte le velocità disponibili, inclusi High-Speed (HS), Full-Speed (FS) e Low-Speed (LS) secondo la specifica USB 2.0. Il routing è fornito da uno switch integrato tra il collegamento PCIe e le interfacce USB integrate in un pacchetto da 126 pin.

Broadcom USB 3380

Il bridge USB 3380 da USB a PCIe di Broadcom fornisce connettività tra un singolo canale PCIe Gen 2 e USB 3.0. Questo consente a un FPGA semplificato o a un SoC di fascia alta senza PCIe di accedere a un canale PCIe a 5 GT/s. Alcuni esempi di applicazioni sono SSD per sistemi embedded, accesso a SoM e interfaccia diretta con controller di rete ad alta velocità senza utilizzare un connettore edge standard.

MCU, MPU o FPGA?

Un FPGA è un'altra opzione di processore che i progettisti possono utilizzare per accedere a periferiche ad alta velocità tramite PCIe o altre interfacce. Gli FPGA tendono a includere più interfacce di calcolo e rete ad alta velocità (PCIe, DDR, Ethernet, ecc.) rispetto a un MCU tipico. Lo stesso vale per gli MPU, come la linea di MPU Sitara di TI. Anche se un FPGA a basso costo non include PCIe, un componente di fascia alta probabilmente include un'interfaccia USB o si interfaccia con un'interfaccia USB ad alta velocità, quindi puoi comunque accedere a PCIe con un IC bridge.

MCU con USB

Se non sei uno sviluppatore FPGA e vuoi comunque accedere a periferiche PCIe con un MCU, MPU o SoC basato su MCU a basso costo, i componenti più recenti ti daranno opzioni che includono un'interfaccia USB 2.0 ad alta velocità. I principali produttori di IC hanno gradualmente ampliato le loro linee di prodotti MCU/MPU per supportare USB 2.0, e probabilmente potrai trovare un componente aggiuntivo che si interfaccia con un IC bridge da USB a PCIe e ti dà accesso a periferiche ad alta velocità. Non raggiungerai i 32 GT/s di PCIe Gen 5, ma avrai accesso a velocità di trasmissione dati di ~Gbps con periferiche importanti in un pacchetto compatto.

Gli MCU sono anche un po' più semplici da gestire da un punto di vista della programmazione; conosco molti sviluppatori firmware che lavorano con una gamma di MCU ma non altrettanti sviluppatori FPGA. Entrambi i tipi di componenti dei principali produttori hanno un ampio supporto alla programmazione con SDK, un IDE e progetti di esempio, quindi è facile iniziare a sviluppare per il tuo nuovo sistema. Un esempio è la linea di MCU PIC32 SAM USB di Microchip, che include un'interfaccia USB 2.0 che funziona a piena velocità. Questo offre una velocità di trasferimento dati molto più veloce di qualsiasi altra interfaccia digitale a bassa velocità che troverai in un MCU tipico, oltre a interfacce aggiuntive come CAN e Ethernet 10/100.

MCU più specializzati con USB 3.0

Alcuni prodotti MCU più specializzati, come per un hub USB, includeranno un'interfaccia USB 3.0 integrata con clock integrato per alte velocità di trasferimento dati secondo lo standard 3.0. Questi possono teoricamente interfacciarsi con un ponte da USB 3.0 a PCIe, con l'uso specifico di accedere a uno o più dispositivi PCIe tramite USB nel caso in cui i componenti o i periferici a valle siano semplicemente non disponibili con un'interfaccia USB. Un ottimo esempio è la serie CYUSB3xxx di controller MCU per hub USB 3.0 di Cypress Semiconductor, che si interfaccia con un controller host tramite I2C e fornisce l'accesso a 4 dispositivi a valle.

Altri Componenti per Sistemi Embedded con IC Ponte da USB a PCIe

I dispositivi PCIe stanno diventando più importanti per applicazioni ad alta intensità di calcolo come la robotica e l'AI su dispositivo, ma avranno bisogno di una serie di altri componenti per funzionare correttamente. Alcuni altri componenti essenziali necessari per supportare sistemi digitali ad alta velocità con PCIe includono:

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