撰写：可编程USB平台应对高速数据传输挑战
撰写：可编程USB平台应对高速数据传输挑战
今天，USB已在个人电脑连接方面占据主导地位，也在很快扩展到其他便携电子设备。例如，USB
2.0的高速能力可在PC主机和手机之间进行高达480Mbps的数据传输。USB
2.0规范的制定和实施在很大程度上解决了高速数据传输的瓶颈问题。许多厂商也在努力开发更支持USB2.0的产品，以满足广大用户的迫切需求。本文将以一种新型μWatt可编程桥接器件——暂定名称为“QuickUSB”的器件为例，讨论其市场定位和于应用有关的一些问题。
数据传输瓶颈的挑战
速度的提高对于用户的最大好处就是意味着可以使用更高效的外设。但是，遗憾的是，数据传输恰恰是制约设备之间连接的瓶颈所在。最初的通用串行总线规范是USB
1.1传输速率仅为12mbps，在其基础上演变而来的USB2.0简直是一个质的飞跃，实际传输速率提高了40倍，达到480mbps，即60MB/s。它是一种为用于视频流等高带宽应用的高速器件而设计的，利用与USB
1.1互相兼容。
在用户需求的推动下，USB技术已为广阔的市场领域所采用。谈到USB技术的特定市场和应用，有必要回顾一下USB的主要用途。首先，USB已成为个人电脑的标准高速连接外部端口。任何需要以超过串行端口能支持的数据传输率连接PC的嵌入式系统都需要支持USB。在这样的配置中，PC是USB的主机，它将嵌入式系统的USB控制器作为一个“器件”看待。其次，嵌入式系统还需要提供与非PC系统的外部“盒子”的连接。在大多数情况下，这些外部系统并不“聪明”。那么，嵌入式平台的USB控制器就必须有一个USB主机。第三，USB的更多应用在于新出现的满足设备内部连接的需求方面。新型无线（尤其是超宽带）和采用USB接口的存储外设，以及ExpressCard作为PC插卡新标准的实施，很可能进一步推进基于USB的外设的增长。在这种情况下，QuickLogic开发的QuickUSB器件USB控制器将需要支持的是主机配置。可以预期，对于后一种应用模型，相对于实体层到实体层（PHY-to-PHY）的连接，这样的外设通常都需要直接连接到数字总线。
针对目标市场和用户需求
2.0功能的需求是最近出现的一种趋势。这使英特尔、TI和三星等公司当前系列的嵌入式处理器在支持系统需求和USB功能方面出现了不匹配的情形。到目前为止，只有飞思卡尔（iMX
31处理器）似乎具备了可以满足某些新兴应用所需的USB
2.0功能的能力。此外，用户面对的上市时间压力不允许他们更换处理器，以便充分利用为特定处理器开发的现有软件。
也许，QuickLogic开发的单封装堆叠芯片QL1P100（Eclipse III
BR）可以解决上述问题。它是一个可与飞利浦半导体的USB
ASSP（特定用途，元件型号ISP1761）连接的芯片。从用户的观点来看，这种器件与QL5064的USB功能差不多，带有一个采用标准单元逻辑的成熟的USB子系统，以及一个可由用户支配实现唯一连接和数据处理功能的可编程逻辑区。
该器件包括下列主要功能单元：
·640个逻辑单元（具有与PolarPro&技术同样的属性和好处）
·3个兼容USB 2.0规范端口
o其中一个端口支持OTG（便携式）功能
o两个附加的主机唯一端口
·在非运行时，具有将USB端口功耗降低到接近零的能力
·支持商用和工业温度范围
·两种特定的封装选择（均为无铅封装）
o非空间敏感应用的301 BGA（17&17mm，0.8mm引脚间距）
o空间敏感应用的TBD BGA。
根据用户希望使用现成器件的策略，可能尽快为QuickUSB带来收益。该解决方案平台将满足所有三种应用模型，尤其是消费电子产品应用。为这种芯片开发的两种封装策略也使QuickLogic抓住了线路供电应用方面的机会。需要USB
2.0连接的主要市场包括：
·计算：两台PC和基于PC的外设之间
·消费电子产品：线路供电应用，例如媒体网关、数字VCR；机顶盒等应用，这些都需要与个人电脑进行连接，以便传输HDTV、音乐文件和电影等数字内容，或者连接到外部存储、数码相机或打印机；诸如智能电话、PDA、GPS手持设备、便携式媒体播放器等便携式应用。同样，USB连接也可用于与PC的媒体同步，或为数码相机和存储等PC外设提供连接。
·工业应用：便携式医疗设备、ePOS和仪器、安全手持设备（军用电话，等等）
QuickLogic的主要焦点在于需要USB
2.0连接的低功耗应用。根据这一方针开发了面向手持电子产品和类似消费设备的Eclipse
II和PolarPro产品系列。目前，有可能采用QuickUSB产品的许多目标用户已经表示了极大的兴趣。QuickUSB器件拓展了QuickLogic的芯片解决方案，以应对系统连接的挑战，这正是最终用户眼中的价值所在。QuickLogic认为，在上述三个应用领域中将会有数十家主要OEM厂商可以采用他们的解决方案。
USB连接器件的竞争格局
有可能与其产生竞争的厂商有飞利浦、NEC和Cypress。飞利浦是著名的USB技术供应商，其ISP1761（一种堆叠器件）价格便宜，尺寸小，具有“USB处理器唯一”执行的低功耗特性；NEC已在日本推出的USB连接器件则是基于PCI的器件。Cypress的几种利用有限片上可编程逻辑支持的USB设备功能的USB控制器，可用于定制接口的特定微控制器和处理器。QuickUSB则是针对需要简单USB以外功能的应用，以及需要利用主机能力增加最终产品吸引力的系统。它在2.0传输速率下不支持USB主机，具有片上可编程逻辑的全面功能，支持PCI、IDE和SDIO等主要接口。QuickUSB是用于USB+解决方案的单芯片器件，可与嵌入式处理器直接连接，具备OTG功能，并支持小批量生产。
市场分析表明，QuickUSB恰恰是采用飞利浦成熟的USB技术开发的第一个具备2.0主机能力的可编程USB器件。这是双方结成“伙伴”联盟的结果。如果用户的需求是需要飞利浦的USB
Mr. Customer以外的附加功能的话，最佳的方法就是采用QuickLogic的解决方案。
可能成为竞争者的还有PLX Technology，据说它正在开发一种可以提供与IDE连接的USB功能器件。它可能附加了通常来自台湾芯片厂商的USB
ASSP。更大的挑战是来自片上集成USB功能的处理器厂商。目前只有飞思卡尔可以提供片上2.0功能（基于ARM内核的iMX31器件）。英特尔的Monahans处理器也包括了2.0器件内核和1.1主机功能；2006年，三星没有推出具有2.0功能（设备或主机）的计划；TI似乎也没有这方面的打算。
值得一提的是，飞利浦的市场定位是提供USB产品，其知名度与目前QuickLogic在该领域的默默无闻一样著名。飞利浦之所以没有自己开发这种包括标准USB
ASSP的器件，是由于其对这个定位可能影响其USB相关业务的担心造成的。
选择QuickUSB的理由
上面已经提到的QuickUSB的一些竞争优势。对用户而言，选择这种器件需要有正当的理由，这不外以下三个方面：
第一，PCB尺寸。USB
PHY包含集成在一个单封装中的USB控制器和可编程逻辑，它可使系统设计者最大限度地减少实现处理器附近的2.0+x子系统所需的占板空间，原本该处理器是不支持这个接口的。“x”通常是一个可提供网络连接、存储或图形处理外设的附加总线接口。不过，它也能用于普通系统的“桥接”，诸如系统电源管理电路的系统ID或定制逻辑。
第二，改善系统功耗和性能。在连接的外设与QuickUSB器件之间的数据传输能力可以减少处理器总线负载，使CPU置于暂停模式；此外，与本地总线上有两个分立控制器的情形相比，分派任务执行其他功能的时间更长。需要注意的是，人们对最大限度降低整个项目的器件成本抱有很大期望，这意味着在想像的当前解决方案中，系统设计者可能需要增加外部总线缓冲器，以实现并行数据传输，例如，在USB接口下载信息时，基于PCI的外设可同时访问主系统存储器。
第三是一站式。一个成熟的单芯片器件可减少完成设计所需的开发资源，并加快产品上市时间。
QuickLogic认为，最佳策略是开发一个能够解决各种与USB相关系统连接问题的产品，这个问题已经在呼唤既支持USB主机，又支持USB器件功能的USB元件的出现。这种策略可以与基于FPGA桥接解决方案的策略相媲美，即：与英特尔合作为使用英特尔PXA270平台的特定应用优化的参考工具，可以利用内部设计服务资源为最终用户提供交钥匙解决方案。
QuickLogic已开发出两种特定的参考工具，均包括采用FPGA逻辑的成熟接口、相关的系统软件和验证/演示平台。这些工具是专门为采用PXA270的平台优化的，一个是Sausalito——利用可编程逻辑可实现PXA270接口和PCI控制器；另一个是Campbell——利用可编程逻辑可实现PXA270接口和IDE控制器。
Campbell示范的第一个设计是根据用户需求和手持电子产品的目标消费群体，以及似乎因WiFi连接的应用而开始远离PCI的事实而开发的。以下的框图概括了这些解决方案是融入特定嵌入式应用的方法。
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创新模拟技术满足市场增长需求
——飞思卡尔半导体模拟产品全面解读
计算、通信、消费电子（3C）是一个数字与模拟结伴而行的时代。数字化时代为模拟集成电路提供了更广阔的发展和应用空间。今天，3C产品对模拟器件的依赖程度不是在减弱而是在增强。模拟与数字集成电路的精确组合为人们的工作、生活带来了对现实世界的完美体验。2005年模拟集成电路市场出现了微弱的增长，专家预计2006年将迎来15%的跳跃式增长，大大超过数字市场增长的速度。
作为活跃在模拟技术领域的半导体供应商，飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor）一直致力于为嵌入式控制系统设计者提供高度集成的系列功率开关、网络、通信、运动控制和电源管理应用产品。这些产品不同于具有单一功能的传统模拟产品，飞思卡尔可在单个集成电路中提供多种可改善和简化系统设计的关键功能。用户则可受益于这些产品的成本效益并缩短产品上市时间。本文将结合飞思卡尔在模拟技术方面的创新，对未来的模拟市场进行展望。
满足模拟市场增长需求
据Databeans Estimates预测，到2010年全球模拟半导体市场将以12%的复合增长率成长，亚太地区将高达17%，中国市场的增长尤为可观，将高达20%。未来几年，通信设备、消费电子产品将是驱动半导体市场成长的主要动力；此外保安、数字广播、节能及监控、汽车电子系统、工业设备等需求也将相应增加。通信设备、消费电子及电脑仍是中国三大主要市场；而且，中国已成为全球最大的手机生产基地之一。2006年3G通信设备市场将会继续成为国内最大的垂直整合产品市场。中国电子产业的可观增长，将需要更多的模拟集成电路来支持更多创新的功能，从而刺激对模拟集成电路的需求。这些都为厂商提供了有利的机遇和条件。
作为设计和开发高度集成的混合信号模拟集成电路的厂商，飞思卡尔不断将用户所需的关键系统功能融入到令人兴奋的解决方案中。飞思卡尔的电动解决方案包括：低端开关、高端开关、H桥和可配置开关、H桥步进电机、前置驱动器、电爆驱动器、发动机电压调节器；电源管理解决方案包括：线性稳压器、开关稳压器、热插拔控制器；网络收发器包括：连接解决方案（CAN物理接口、LIN/ISO物理接口、分布式系统接口组件）、千兆SerDes收发器；信号调整产品包括：弹性I/O；特殊功能及有线通信产品包括：音频放大器、电流控制器、ISDN、Ringer、UDLT、话音与数据编码（MC14LC5480系列数据信号编解码器、过滤器）；此外还有嵌入式MCU＋功率器件。
飞思卡尔的模拟产品可以在无线通信、数字和硬拷贝影像、汽车和工业等许多领域应用。公司也在将功率控制和电源管理方面的卓越新产品增加到产品线中。
SMARTMOS&工艺实现先进功能
飞思卡尔的集成电路功能强大，可为动力、控制和通信应用提供许多独到的特性。专有的SMARTMOS&混合信号半导体工艺可实现高密度逻辑与模拟和电源功能的共存，为设计者提供显著的集成优势。这些优势包括易于使用、突出的集成电路和负载保护特性，同时还可以减少元件数量和提高可靠性。
飞思卡尔的标准产品线包括功率开关集成电路、电源管理集成电路、网络收发器、汽车安全产品和专用功能器件。这些产品实现了单个芯片和集成级封装。每种器件都采用SMARTMOS&工艺作为通用构建模块，以增加用户所需的功能。这些器件可与飞思卡尔的微处理器、微控制器和DSP一起运行。
SMARTMOS&是嵌入式世界的最佳工艺。其独到之处在于结合了许多模拟器件所必需的特性，包括：NVM、iLDMOS、大电流金属、高电压、噪声免疫性、适应恶劣环境、感性负载开关和干扰免疫性、105V的能力，等等。这些强大的功能加上工程设计匹配能力，使SMARTMOS&产品成为了模拟设计的理想选择。
值得一提的是，虽然今天的高密度CMOS工艺具有很高的处理能力，但是它不能与大多数现实世界的系统进行直接交互。在嵌入式系统中，现实世界的信号仍然需要经过处理器，负载也需要进行驱动。此外，处理器还需要有干净的电源，同时还要对其进行保护，以免受到外部世界恶劣电气环境的影响。
SMARTMOS&是一种融合型CMOS工艺，它集成了精度模拟、功率器件和逻辑电路。采用SMARTMOS&技术的集成电路可以实现CMOS工艺所无法得到的性能。嵌入式系统设计者可以将诸如稳压、功率MOSFET、输入信号调节、瞬态保护、系统诊断和控制等功能融入到低成本的单片集成电路中，从而省掉数十个元件。
SMARTMOS&技术产的应用主要分为四大类——电源、通信、保护和控制。电源产品可以用具有现实世界能力的模拟/电源接口保护敏感元件；通信产品是用来与其主MCU通信实现网络通信的器件；保护产品可对其本身及其负载、匹配的MCU和电气线路进行智能保护，以免受到环境压力、故障或过载的影响；控制产品具有控制驱动大电流和大功率负载的能力，例如：螺线管、继电器、灯、电机和被动负载。
以形式划分，SMARTMOS&产品有三种主要类型——单芯片SMARTMOS&集成电路、多芯片单封装智能大功率开关产品，以及智能分布式控制产品。这些产品系列之间的通用线程是SMARTMOS&硅材料。
SMARTMOS&集成电路产品功能丰富，其混合信号构建模块包括：A/D和D/A转换器、轨对轨运算放大器、比较器、充电泵和栅极驱动器、稳压器、精度参考、数字逻辑和非易挥发存储器。在负载驱动应用方面，还有具备感应能量箝位、独立热管理、短路保护和负载感测诊断的功率MOSFET产品。
此外，为满足网络和通信市场发展的需求，飞思卡尔还开发了千兆SerDes收发器产品，为市场提供了从分立SerDes解决方案向集成解决方案转移的路径。飞思卡尔的SerDes产品是一种高带宽系统内或芯片间、板卡间、背板或电缆通信的全双工和多通道数据接口收发器，可提供优异的信号完整性和最佳的质量特性。SerDes产品采用CMOS工艺，可使用工业标准材料，以降低成本、功耗和风险。
总之，采用SMARTMOS&技术有助于设计者满足高精度元件在恶劣环境下运行的要求，提供强大的功率晶体管性能。新一代SMARTMOS 7是专门为0.35μm CMOS电路开发的，与0.5μm CMOS工艺的SMARTMOS 5相比，可提供接近10倍的数字密度。目前，采用0.25μm工艺的SMARTMOS 8也即将投入生产。
先进设计平台集数字模拟大成
DigitalPower是飞思卡尔为复杂集成混合信号系统级芯片（SoC）解决方案创建的设计平台。它利用超级智能功率技术SMARTMOS可显著提高数字密度，帮助系统级芯片设计者经济有效地将数字内容——微控制器和DSP核、串行接口、存储器和逻辑——融入在具有高性能模拟和大功率电路的芯片中。
这是一种真正的混合模式设计方法，可以实现3-A H桥与32MHz微控制器和处理器共存等大功率模拟功能。这种新的方法所提供的低功耗模拟功能包括：运算放大器、模数转换器（ADC）、脉冲宽度调制电路、通用I/O、宽能隙参考、波形发生器和滤波器。可用的大功率电路包括：大电流开关模式稳压器、H桥电机控制驱动器和打印头驱动器。
图. 基于PC主机的喷墨打印机系统级芯片
利用DigitalPower的能力，飞思卡尔开发了基于PC主机的喷墨打印机（上图）完整系统级芯片。它集成了8位16.7MHz 68HC05微控制器核、16KB
ROM、256字节RAM、IEEE-1284平行端口接口、DRAM控制器、四通道/8位模数转换器、系统时钟锁相环、16位定时器、16位COP看门狗定时器、逻辑门和4个25V
H桥，以及5V 100mA线性稳压器、1.8 V－3.2V
25mA线性稳压器、开关模式稳压控制器，还有电机控制专用的硬件特性。所有这一切都集成在一个100引脚的TQFP封装中。
该技术的最初目标是打印机应用，现在已用于影像、数码相机、CD/MP3播放器和其他消费产品。其较早的产品是定制设计，现在已为这些应用开发了标准的系统级芯片。为了使ASIC设计者获得DigitalPower的好处，飞思卡尔还创建了一个数字、模拟和电源功能程序库。这个开放的程序库有助于用户集成自身的专用功能和IP，也可用于设计、开发和仿真工具。
推动模拟集成电路向高端迁移
近20年，模拟集成电路经历了稳健快速的发展；10年来，消费电子产品、通信产品、计算应用市场依然发展迅猛。与数字IC相比，模拟集成电路的应用依然是高端应用，即使数字集成电路能够实现完成与模拟集成电路相同的任务，达到相同的性能，模拟集成电路在通用和大批量市场中依然是高性价比的选择。作为全球重要的制造和采购基地，中国的模拟IC市场依然是全球关注的焦点，而且在未来一两年仍然有着巨大的增长潜力。
先进电子产品需要采用更多的模拟集成电路，以支持更多新的功能。随着便携产品的小型化、低功耗要求，3C产品在给模拟器件带来巨大市场机会的同时，也对其提出更苛刻的要求。从整体趋势来说，速度、功耗、准确度、噪声及失真率等都是衡量电子产品性能的重要参数，这几方面的要求将日趋严格。这些正是厂商开发高性能的模拟芯片及子系统所追求的目标。
未来，飞思卡尔将继续利用其优势的技术开发先进的模拟产品，满足市场向高端应用迁移的需求，同时通过加强与用户的合作，在功能性、功率效率和价格方面不断创新，以满足用户的个性化需求。
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