USB를 PCIe 브리지로 고속 주변기기에 접근하기

작성 날짜: 오월 16, 2022
업데이트 날짜: 유월 25, 2023

장치에서의 PCIe는 여기에 머물 것이며, 주변 장치에 접근하기 위해 큰 카드의 엣지 커넥터에 의존할 필요가 없습니다. 일반적으로 PCI/PCIe를 통해 통신할 장치는 복잡한 FPGA나 MPU와 같은 비싼 호스트 컨트롤러와 인터페이스해야 하며, 이는 이러한 애플리케이션을 컴퓨터 시스템으로 제한합니다. 이제 시장에 출시된 임베디드 프로세서 구성 요소의 풍부함으로 인해, 설계자는 비싼 FPGA나 MPU를 구입하지 않고도 PCIe에 접근할 수 있습니다.

USB에서 PCIe 브리지 컴퓨터는 USB를 사용하여 PCIe 주변 장치에 접근하기 위한 훌륭한 선택입니다. 간소화된 MCU나 SoC를 사용합니다. 일반적으로 호스트 컨트롤러에 통합된 멀티 레인 PCIe 인터페이스를 얻기 위해 높은 가격을 지불해야 하지만, USB에서 PCIe 브리지 컨트롤러가 있는 저렴한 MCU는 친숙한 USB 2.0 이상 인터페이스를 통해 ~Gbps PCIe 주변 장치에 접근할 수 있게 해줍니다. 이러한 장치가 임베디드 환경에 어떻게 맞는지 계속 읽어보세요.

인터페이스 브리지 IC의 가치

인터페이스 브리지 IC는 상당히 간단한 아이디어 하에 운영됩니다: 하나의 고속 디지털 인터페이스에서 데이터를 입력으로 받아, 출력에서 다른 고속 디지털 인터페이스의 신호 형식으로 변환합니다. 시장에는 여러 고속 프로토콜 간의 인터페이스를 제공하도록 설계된 이러한 구성 요소들이 다양하게 있습니다. Microchip의 LAN 제품 라인은 이더넷으로 브리징하는 한 예입니다; 예를 들어 LAN7430 PCIe에서 기가비트 이더넷 브리지와 LAN7800 USB에서 이더넷 브리지가 있습니다.

컴퓨터 주변 장치나 다른 고속 구성 요소의 경우, USB에서 PCIe 브리지는 기본적으로 SerDes 컨트롤러처럼 작동합니다. 이러한 구성 요소는 여러 PCIe 레인에서 병렬 데이터를 USB 2.0 이상을 통한 직렬 데이터로 변환할 수 있습니다. 이 방식으로, 데이터 속도는 PCIe 인터페이스 또는 USB 인터페이스에서 제공하는 최소 속도가 될 것입니다. 브리지 구성 요소에서 지원하는 PCIe 세대에 주의를 기울이십시오; 대부분의 브리지 IC는 Gen2를 지원합니다.

일부 USB에서 PCIe 브리지 구성 요소

Diodes Incorporated PI7C9X442SLBFDE

Diodes Incorporated의 PI7C9X442SLBFDE는 최대 3개의 PCIe 레인과 네 개의 USB 2.0 컨트롤러 인터페이스 사이의 인터페이스를 제공합니다. 장치의 USB 포트는 USB 2.0 사양에 따른 모든 속도, 즉 고속(HS), 전속(FS), 저속(LS)을 지원할 수 있습니다. 126핀 패키지에서 PCIe 링크와 통합된 USB 인터페이스 사이에 통합 스위치에 의한 라우팅이 제공됩니다.

Broadcom USB 3380

Broadcom의 USB 3380 USB to PCIe 브리지는 단일 PCIe Gen 2 레인과 USB 3.0 사이의 연결성을 제공합니다. 이를 통해 PCIe를 지원하지 않는 간소화된 FPGA나 고급 SoC가 5 GT/s의 PCIe 레인에 접근할 수 있습니다. 예시 애플리케이션으로는 임베디드 시스템용 SSD, SoM에 대한 접근, 표준 엣지 커넥터를 사용하지 않고 고속 네트워크 컨트롤러와의 직접 인터페이스 등이 있습니다.

MCU, MPU, 아니면 FPGA?

FPGA는 또 다른 프로세서 옵션입니다 디자이너들이 PCIe나 다른 인터페이스를 통해 고속 주변기기에 접근할 수 있게 해줍니다. FPGA는 일반적인 MCU보다 더 많은 고속 컴퓨팅 및 네트워킹 인터페이스(PCIe, DDR, Ethernet 등)를 포함하는 경향이 있습니다. MPU에 대해서도 마찬가지로, TI의 Sitara MPU 라인 같은 경우가 있습니다. 저가형 FPGA가 PCIe를 포함하지 않더라도, 고급 구성요소는 USB 인터페이스를 포함하거나 고속 USB 인터페이스와 인터페이스할 수 있으므로 여전히 브리지 IC를 통해 PCIe에 접근할 수 있습니다.

USB가 있는 MCU

FPGA 개발자가 아니더라도 저가형 MCU, MPU, 또는 MCU 기반 SoC로 PCIe 주변기기에 접근하고 싶다면, 새로운 구성요소는 고속 USB 2.0 인터페이스를 포함한 옵션을 제공할 것입니다. 주요 IC 제조업체들은 점차적으로 USB 2.0을 지원하는 MCU/MPU 제품 라인을 확장해왔으며, USB to PCIe 브리지 IC와 인터페이스할 추가 구성요소를 찾을 수 있을 것이며, 이를 통해 고속 주변기기에 접근할 수 있습니다. PCIe Gen 5에서 최대 32 GT/s까지 실행하지는 않겠지만, 중요한 주변기기와 함께 컴팩트한 패키지에서 ~Gbps 데이터 속도에 접근할 수 있습니다.

MCU는 프로그래밍 관점에서도 다루기가 좀 더 쉽습니다; 많은 펌웨어 개발자들이 다양한 MCU와 작업하지만 FPGA 개발자는 그렇게 많지 않다는 것을 알고 있습니다. 주요 제조업체의 두 유형의 구성요소 모두 SDK, IDE, 예제 프로젝트와 같은 충분한 프로그래밍 지원을 제공하므로 새로운 시스템 개발을 시작하기 쉽습니다. 한 예로 Microchip의 PIC32 SAM USB MCU 라인이 있으며, 이는 전속도에서 작동하는 USB 2.0 인터페이스를 포함합니다. 이는 일반 MCU에서 찾을 수 있는 다른 어떤 저속 디지털 인터페이스보다 훨씬 빠른 데이터 전송 속도를 제공할 뿐만 아니라 CAN 및 10/100 Ethernet과 같은 추가 인터페이스도 제공합니다.

USB 3.0이 있는 더 전문화된 MCU

USB 허브와 같은 좀 더 전문화된 MCU 제품은 통합된 USB 3.0 인터페이스와 3.0 표준 하에서 높은 데이터 전송 속도를 위한 통합 클로킹을 포함할 것입니다. 이러한 제품은 이론적으로 USB 3.0에서 PCIe 브리지로 인터페이스할 수 있으며, 특정 사용 사례는 하위 구성 요소나 주변 장치가 USB 인터페이스로 사용할 수 없는 경우 하나 이상의 PCIe 장치에 USB를 통해 접근하는 것입니다. 좋은 예로는 Cypress Semiconductor의 CYUSB3xxx 시리즈 USB 3.0 허브 컨트롤러 MCU가 있으며, 이는 I2C를 통해 호스트 컨트롤러와 인터페이스하고 4개의 하위 장치에 접근할 수 있습니다.

USB에서 PCIe 브리지 IC를 사용하는 임베디드 시스템을 위한 기타 부품

PCIe 장치는 로봇 공학 및 기기 내 AI와 같은 계산 집약적 응용 프로그램에 점점 더 중요해지고 있지만, 제대로 작동하려면 다른 여러 구성 요소가 필요합니다. PCIe를 포함한 고속 디지털 시스템을 지원하기 위해 필요한 몇 가지 필수 구성 요소는 다음과 같습니다:

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