USBからPCIeブリッジを使用して高速周辺機器にアクセス

投稿日五月 16, 2022
更新日七月 1, 2024

デバイス上のPCIeはここにとどまりますし、周辺機器にアクセスするために大きなカードのエッジコネクターに頼る必要はありません。通常PCI/PCIe経由で通信するデバイスは、複雑なFPGAやMPUのような高価なホストコントローラーとインターフェースする必要があり、これらのアプリケーションをコンピューターシステムに限定していました。しかし現在、市場には豊富な組み込みプロセッサコンポーネントがあり、設計者は高価なFPGAやMPUを購入せずにPCIeにアクセスできます。

USBからPCIeブリッジコンピューターは、簡素化されたMCUやSoCを使用してUSB経由でPCIe周辺機器にアクセスするための優れた選択肢です。通常、ホストコントローラーに統合されたマルチレーンPCIeインターフェースを取得するために高価な費用がかかるかもしれませんが、USBからPCIeブリッジコントローラーを備えた安価なMCUは、おなじみのUSB 2.0以上のインターフェースを介して~GbpsのPCIe周辺機器にアクセスを提供します。これらのデバイスが組み込み環境にどのように適合するかを読み進めてください。

インターフェースブリッジICの価値

インターフェースブリッジICは、かなりシンプルなアイデアの下で動作します：1つの高速デジタルインターフェースからデータを入力として取り、出力で異なる高速デジタルインターフェースの信号形式に変換します。市場には、複数の高速プロトコル間のインターフェースを提供するように設計されたこれらのコンポーネントの範囲があります。MicrochipのLAN製品ラインは、Ethernetへのブリッジングの例です。例としては、LAN7430 PCIeからGigabit Ethernetブリッジ、およびLAN7800 USBからEthernetブリッジがあります。

コンピューター周辺機器やその他の高速コンポーネントにとって、USBからPCIeブリッジは基本的にSerDesコントローラーのように機能します。これらのコンポーネントは、複数のPCIeレーンからの並列データをUSB 2.0以上のシリアルデータに変換できます。この方法では、データレートはPCIeインターフェースまたはUSBインターフェースによって提供される最小のものになります。ブリッジコンポーネントによってサポートされているPCIe世代に注意してください。ほとんどのブリッジICはGen2をサポートしています。

いくつかのUSBからPCIeブリッジコンポーネント

Diodes Incorporated PI7C9X442SLBFDE

Diodes IncorporatedのPI7C9X442SLBFDEは、最大3つのPCIeレーンと4つのUSB 2.0コントローラーインターフェース間のインターフェースを提供します。デバイス上のUSBポートは、USB 2.0仕様の下で利用可能なすべての速度、High-Speed (HS)、Full-Speed (FS)、およびLow-Speed (LS)をサポートできます。PCIeリンクと統合されたUSBインターフェース間のルーティングは、126ピンパッケージ内の統合スイッチによって提供されます。

Broadcom USB 3380

BroadcomのUSB 3380 USBからPCIeブリッジは、単一のPCIe Gen 2レーンとUSB 3.0間の接続を提供します。これにより、PCIeを搭載していない簡易FPGAや高性能SoCでも、5 GT/sでPCIeレーンにアクセスできます。一例としては、組み込みシステム用のSSD、SoMへのアクセス、標準のエッジコネクタを使用せずに高速ネットワークコントローラーと直接インターフェースすることが挙げられます。

MCU、MPU、またはFPGA？

FPGAも別のプロセッサオプションです。設計者はFPGAを使用して、PCIeやその他のインターフェースを介して高速ペリフェラルにアクセスできます。FPGAは、一般的なMCUよりも多くの高速コンピューティングおよびネットワーキングインターフェース（PCIe、DDR、Ethernetなど）を含む傾向があります。MPUについても同様で、TIのSitaraシリーズのMPUなどがあります。低コストのFPGAにPCIeが含まれていなくても、高性能なコンポーネントはUSBインターフェースを含むか、高速USBインターフェースとインターフェースすることで、ブリッジICを介してPCIeにアクセスできます。

USBを搭載したMCU

FPGA開発者でなくても、低コストのMCU、MPU、またはMCUベースのSoCでPCIeペリフェラルにアクセスしたい場合、新しいコンポーネントは高速USB 2.0インターフェースを含むオプションを提供します。主要なICメーカーは徐々にMCU/MPU製品ラインをUSB 2.0をサポートするように拡大しており、USBからPCIeブリッジICにインターフェースし、高速ペリフェラルにアクセスできる追加のコンポーネントを見つけることができるでしょう。PCIe Gen 5で32 GT/sまで実行することはありませんが、コンパクトなパッケージで重要なペリフェラルとの~Gbpsデータレートへのアクセスが可能になります。

MCUはプログラミングの観点からも扱いやすいものです。多くのファームウェア開発者がさまざまなMCUで作業していますが、FPGA開発者はそれほど多くありません。主要メーカーの両タイプのコンポーネントは、SDK、IDE、およびサンプルプロジェクトを含む豊富なプログラミングサポートがあり、新しいシステムの開発を始めるのが簡単です。MicrochipのPIC32 SAM USBシリーズのMCUはその一例で、フルスピードで動作するUSB 2.0インターフェースを含んでいます。これにより、一般的なMCUで見つかる他の低速デジタルインターフェースよりもはるかに高速なデータ転送レートが得られ、CANや10/100 Ethernetのような追加のインターフェースも提供されます。

USB 3.0を搭載したより特殊なMCU

USBハブ用など、より専門化されたMCU製品には、3.0規格に基づく高速データ転送率のために統合されたUSB 3.0インターフェースと統合クロッキングが含まれています。これらは理論的には、USBを介して1つ以上のPCIeデバイスにアクセスする特定の使用目的で、USB 3.0からPCIeブリッジに接続できます。下流のコンポーネントや周辺機器がUSBインターフェースで利用できない場合にこれが行われます。素晴らしい例は、Cypress SemiconductorのCYUSB3xxxシリーズUSB 3.0ハブコントローラMCUで、これはI2C経由でホストコントローラに接続し、4つの下流デバイスへのアクセスを提供します。

USBからPCIeブリッジICを持つ組み込みシステムのための他の部品

PCIeデバイスは、ロボティクスやオンデバイスAIのような計算集約型アプリケーションにとってますます重要になっていますが、適切に動作するためには他の多くのコンポーネントが必要です。PCIeを含む高速デジタルシステムをサポートするために必要なその他の重要なコンポーネントには以下が含まれます：

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