作者：萊迪思
USB技術的開發面臨著獨特的挑戰，主要原因是需要在受限的設備尺寸內實現穩定互連、高速度和電源管理。各種器件兼容性問題、各異的數據傳輸速度以及對低延遲和低功耗的要求，給工程師帶來了更多壓力，他們需要在嚴格的技術限制范圍內進行創新。工程師必須將USB功能集成到越來越小的模塊中，并在功能與設計限制之間取得平衡。 本文總結了業界用于高性能 USB 3 設備的一些典型解決方案，并介紹了一種新的架構，這種架構既能節省功耗和面積，又能提高靈活性和易用性。 萊迪思最近發布了一款帶有原生USB 3.2 Gen 1的新FPGA系列，名為萊迪思CrossLinkU-NX。除了產品數據表之外，本文還將詳細介紹該器件。CrossLinkU-NX器件的一些突出特性如下： • 集成USB 2.0和3.2支持，提供高達5 Gbps的數據傳輸速度 • 更高的集成度大大縮小了電路板設計尺寸，降低了功耗 • 支持各種接口（MIPI、LVDS、CMOS）和高級安全功能（AES256和ECC256） • 提供低功耗待機和多功能DSP資源，可優化人工智能性能 • 非常適合工業、汽車和消費電子應用 在過去的幾年中，tinyVision.ai與萊迪思半導體密切合作，開發出一套完整的USB解決方案，將先進的FPGA技術與模塊化、高性能的USB功能集成在一起。這種合作使tinyVision能夠利用萊迪思的CrossLinkU-NX FPGA平臺，推動USB設計的高效化、可擴展性和靈活性。這種包括硬件、RTL和固件在內的完整解決方案對客戶幫助很大，除了參考應用說明，他們還可以根據自己的要求進行修改。 通過結合tinyVision在固件和模塊化硬件設計方面的優勢和萊迪思尖端的FPGA功能，這項合作帶來了一種創新的解決方案，重新定義了現代嵌入式系統和多媒體應用的USB互連。 當今的工業攝像頭需要高效的橋接功能 如今，低速或高速USB解決方案在許多帶寬要求受限的設備中十分常見，在許多低端微控制器中也有很多應用。但是，如果要為工業攝像頭、軟件無線電等應用傳輸大量數據，則需要使用USB SuperSpeed。 在工業攝像頭、手持超聲波、邏輯分析儀和軟件無線電等大量應用中，FPGA通常用作信號采集和處理前端。為了與USB 3通信，FPGA通常與USB橋接芯片相連。
圖 1. 一個采用FPGA和USB3橋接芯片的典型USB3外設 FPGA與橋接芯片之間的接口通常是并行FIFO接口。橋接芯片就是簡單的數據泵，無法接觸數據流本身。它們通常能夠添加頭/腳，以符合協議要求。ISP（圖像信號處理器）所需的各種攝像頭相關功能（如AEC、AGC、AWB、伽馬、鏡頭校正等）的信號處理任務則由FPGA完成。 CrossLinkU-NX FPGA：顛覆USB設計的器件 CrossLinkU-NX的重要之處在于它將通常配對使用的兩個芯片：FPGA和USB 3接口合并為一個器件。
圖 2. 使用萊迪思CrossLinkU-NX器件改進后的系統架構 與市場上其他同類USB 3橋接器解決方案相比，其優勢在于占用面積更小、功耗更低、BoM成本更低、制造成本更低、且只需掌握和管理一個工具鏈。UVC層的線路速率為5 Gbps，實測吞吐量為3.4 Gbps，為高分辨率、高幀速率和多攝像頭系統提供了充足的帶寬。 從架構上講，數據FIFO可以拉入FPGA。這種靈活的架構可以實現之前無法實現的潛在新應用（例如，現在可以在設計人員的控制下為各種外設分配USB端點，而不是由芯片供應商來規定有限的數量）。例如，這樣就能輕松支持多個攝像頭數據流。 此外，由于部件數量大大減少（供應鏈問題也減少了），加上直連傳感器接口，無需在電路板上布設大量的FIFO線，也無需芯片間控制信號，因此極大簡化了電路板設計。
圖 3. 基于CrossLinkU-NX FPGA的USB器件概念框圖 tinyVision.ai的創新方法 tinyVision的解決方案由以下部分組成： 1. SoM（系統模組）用于快速原型設計，并可直接投入生產 2. 圍繞USB硬核IP構建的精簡的RTL，可最大限度地提高USB帶寬和效率 3. 該IP的Zephyr RTOS驅動可簡化復雜的USB協議 4. 工具流程和完整的參考設計，為開發人員提供了良好的起點 5. 提供從驅動開發到完整產品開發的設計服務，為客戶提供支持
圖 4. tinyVision.ai tinyCLUNX33 SoM MIPI-UVC轉換器 模塊化硬件和固件架構支持可互換組件，團隊只需少量工作就能為其產品添加USB功能。 SoM硬件支持USB 3.2 Gen1，確保高速數據和低功耗，適合尺寸有限的設計。由于采用Syzygy標準，各種適配器板均可使用，實現快速原型開發。 在Zephyr RTOS的基礎上，tinyVision開發了一種“USB作為API”的方法，實現了零配置USB API，自動生成符合要求的USB描述符。這就實現了USB的無縫集成，使開發人員能夠像處理其他API請求一樣處理USB調用。除了這一重大簡化之外，tinyVision始終堅持開源開發，包括在開源項目中不斷優化其USB 3驅動并積極參與開發Zephyr的UVC（USB視頻類）驅動，這對視頻流非常重要。 SoM有著豐富的IP套件支持，包括USB IP和SRAM控制器，這些IP已在該平臺上進行了測試，可簡化集成。 tinyVisional還利用StreamLogic技術提供了一套圖像和音頻處理IP。該IP套件支持低延遲流處理，是視頻流和音頻播放等實時應用的理想選擇，可在USB設備中實現高級多媒體功能。
圖 5. 使用Streamlogic無代碼圖形設計工具的完整圖像處理流水線示例。還提供音頻和神經網絡IP。 全新USB器件架構的7個優勢 1. 與典型的FPGA + 專用USB3 FIFO芯片相比功耗更低。 2. USB 3帶寬 + 高性能信號處理：USB解決方案能夠有效利用USB3物理層的全部帶寬，在UVC層提供3.4Gbps的持續數據速率。FPGA還擁有大量片上計算資源，不僅能實現ISP，還能實現物體檢測/跟蹤等高級功能。 3. 小尺寸：采用3.1毫米 x 7.4毫米的微型CSP封裝，可實現超小尺寸的器件。 4. 可編程靈活性：傳統FPGA + 橋接芯片的數據流架構非常受限。通過在FPGA架構中集成USB內核，可以實現更多數據通路。 5. 強大的固件和IP支持：tinyVision的Zephyr端口為用戶提供了一個工業級的現代化RTOS，它擁有一個龐大的開源驅動庫和一個廣泛而樂于助人的社區。StreamLogic技術以及MIPI-UVC和SRAM控制器IP可助力快速開發。 6. 增強的安全功能： 位文件加密以及其他業界領先的安全功能可確保客戶設計的安全。 7. 更快上市： 由于設計中最復雜的部分已經與RTL和Zephyr參考設計一起經過了驗證，因此采用SoM的方法可以加快產品上市。 采用低功耗、模塊化、小尺寸解決方案的客戶 Constructive Realities公司從事空間數據的數字化和組織工作。他們正在開發一種定制的3D視覺系統，該系統包括了一個共定位的飛行時間（ToF）和RGB攝像頭，以及在一個小型ARM SBC上運行的空間跟蹤和重建功能。該解決方案要求小尺寸、電池供電和低成本。 ToF處理非常復雜，需要主機提供大量存儲帶寬和計算能力，因此應用處理器需要處理視覺流水線的方方面面。默認的解決方案是使用FPGA來管理RGB和ToF傳感器及數據處理，并使用FIFO-USB 3芯片（如Cypress或 FTDI的芯片組）通過USB將數據流式傳輸給最終用戶。 通過取消FTDI/Cypress橋接芯片及其支持電路（橋接芯片、存儲器、電源和其他無源器件）來節省功耗并顯著降低BoM復雜性。 tinyVision UVC解決方案提供的靈活性可加快開發工作，它可以將兩個傳感器的原始MIPI數據直接發送給開發原始算法的主機。隨后，我們的客戶將計算成本高昂的ToF算法移植到SoM上，使用現成的部件來降低連接系統上的計算要求。 Zephyr因其模塊化、占用空間小和強大的社區支持而成為解決方案的關鍵部分。該SoM將成為其最終產品的一部分，只需投入極少的資金開發一個內插卡，即可承載SoM、電源、IMU和2個圖像傳感器。 實現可靠、高效和安全的USB連接 tinyVision與萊迪思半導體的合作開發了以CrossLinkU-NX FPGA為核心的革命性USB設備解決方案。它結合了USB 3.2、先進的FPGA功能以及Zephyr RTOS提供的全面固件支持，帶來了一個小尺寸、低功耗和高度靈活的平臺。 該解決方案大大簡化了USB器件的開發，同時降低了成本，縮短了上市時間，是工業攝像頭、醫療設備等各種應用的理想之選。這些應用得益于該解決方案的靈活性、可擴展性和高性能，能在關鍵任務系統中實現可靠、高效和安全的USB連接。 無論是用于實時數據處理、多媒體還是嵌入式系統，tinyVision的技術都能支持這些不同領域的復雜要求。 這些來自tinyVision的革命性USB解決方案將在12月10日至11日舉行的萊迪思2024年開發者大會上參與展示。通過注冊參與萊迪思開發者大會，您將獲得向經驗豐富的FPGA專家學習的機會，并體驗來自多個行業的合作伙伴提供的超過75項創新技術演示。 了解有關tinyVision的USB解決方案和服務的更多信息，請發送電子郵件至：sales@tinyvision.ai并訪問網站www.tinyvision.ai。 了解更多有關萊迪思CrossLinkU-NX FPGA以及萊迪思如何幫助您加快基于USB的設計開發，請聯系萊迪思團隊。 我們將憑借久經考驗的專業知識和創新技術幫助您加快USB器件的開發。 |
