【導讀】USB技術(shù)的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)獨特的挑戰，主要原因是需要在受限的設備尺寸內實(shí)現穩定互連、高速度和電源管理。各種器件兼容性問(wèn)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(lái)了更多壓力，他們需要在嚴格的技術(shù)限制范圍內進(jìn)行創(chuàng )新。工程師必須將USB功能集成到越來(lái)越小的模塊中，并在功能與設計限制之間取得平衡。
USB技術(shù)的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)獨特的挑戰，主要原因是需要在受限的設備尺寸內實(shí)現穩定互連、高速度和電源管理。各種器件兼容性問(wèn)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(lái)了更多壓力，他們需要在嚴格的技術(shù)限制范圍內進(jìn)行創(chuàng )新。工程師必須將USB功能集成到越來(lái)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(yè)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(fā)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(chǎn)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(yōu)化人工智能性能
? 非常適合工業(yè)、汽車(chē)和消費電子應用
在過(guò)去的幾年中，tinyVision.ai與萊迪思半導體密切合作，開(kāi)發(fā)出一套完整的USB解決方案，將先進(jìn)的FPGA技術(shù)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(dòng)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(hù)幫助很大，除了參考應用說(shuō)明，他們還可以根據自己的要求進(jìn)行修改。
通過(guò)結合tinyVision在固件和模塊化硬件設計方面的優(yōu)勢和萊迪思尖端的FPGA功能，這項合作帶來(lái)了一種創(chuàng )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(yè)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(jiàn)，在許多低端微控制器中也有很多應用。但是，如果要為工業(yè)攝像頭、軟件無(wú)線(xiàn)電等應用傳輸大量數據，則需要使用USB SuperSpeed。
在工業(yè)攝像頭、手持超聲波、邏輯分析儀和軟件無(wú)線(xiàn)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(gè)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(jiǎn)單的數據泵，無(wú)法接觸數據流本身。它們通常能夠添加頭/腳，以符合協(xié)議要求。ISP（圖像信號處理器）所需的各種攝像頭相關(guān)功能（如AEC、AGC、AWB、伽馬、鏡頭校正等）的信號處理任務(wù)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(gè)芯片：FPGA和USB 3接口合并為一個(gè)器件。
圖 2. 使用萊迪思CrossLinkU-NX器件改進(jìn)后的系統架構
與市場(chǎng)上其他同類(lèi)USB 3橋接器解決方案相比，其優(yōu)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(gè)工具鏈。UVC層的線(xiàn)路速率為5 Gbps，實(shí)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(shí)現之前無(wú)法實(shí)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(diǎn)，而不是由芯片供應商來(lái)規定有限的數量）。例如，這樣就能輕松支持多個(gè)攝像頭數據流。
此外，由于部件數量大大減少（供應鏈問(wèn)題也減少了），加上直連傳感器接口，無(wú)需在電路板上布設大量的FIFO線(xiàn)，也無(wú)需芯片間控制信號，因此極大簡(jiǎn)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(chuàng )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(chǎn)
2.圍繞USB硬核IP構建的精簡(jiǎn)的RTL，可最大限度地提高USB帶寬和效率
3.該IP的Zephyr RTOS驅動(dòng)可簡(jiǎn)化復雜的USB協(xié)議
4.工具流程和完整的參考設計，為開(kāi)發(fā)人員提供了良好的起點(diǎn)
5.提供從驅動(dòng)開(kāi)發(fā)到完整產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設計服務(wù)，為客戶(hù)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(chǎn)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(shí)現快速原型開(kāi)發(fā)。
在Zephyr RTOS的基礎上，tinyVision開(kāi)發(fā)了一種“USB作為API”的方法，實(shí)現了零配置USB API，自動(dòng)生成符合要求的USB描述符。這就實(shí)現了USB的無(wú)縫集成，使開(kāi)發(fā)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(jiǎn)化之外，tinyVision始終堅持開(kāi)源開(kāi)發(fā)，包括在開(kāi)源項目中不斷優(yōu)化其USB 3驅動(dòng)并積極參與開(kāi)發(fā)Zephyr的UVC（USB視頻類(lèi)）驅動(dòng)，這對視頻流非常重要。
SoM有著(zhù)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(jìn)行了測試，可簡(jiǎn)化集成。
tinyVisional還利用StreamLogic技術(shù)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(shí)時(shí)應用的理想選擇，可在USB設備中實(shí)現高級多媒體功能。
圖 5. 使用Streamlogic無(wú)代碼圖形設計工具的完整圖像處理流水線(xiàn)示例。還提供音頻和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )IP。
全新USB器件架構的7個(gè)優(yōu)勢
1.與典型的FPGA + 專(zhuān)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(shí)現ISP，還能實(shí)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(shí)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(guò)在FPGA架構中集成USB內核，可以實(shí)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(hù)提供了一個(gè)工業(yè)級的現代化RTOS，它擁有一個(gè)龐大的開(kāi)源驅動(dòng)庫和一個(gè)廣泛而樂(lè )于助人的社區。StreamLogic技術(shù)以及MIPI-UVC和SRAM控制器IP可助力快速開(kāi)發(fā)。
6.增強的安全功能： 位文件加密以及其他業(yè)界領(lǐng)先的安全功能可確?？蛻?hù)設計的安全。
7.更快上市： 由于設計中最復雜的部分已經(jīng)與RTL和Zephyr參考設計一起經(jīng)過(guò)了驗證，因此采用SoM的方法可以加快產(chǎn)品上市。
采用低功耗、模塊化、小尺寸解決方案的客戶(hù)
Constructive Realities公司從事空間數據的數字化和組織工作。他們正在開(kāi)發(fā)一種定制的3D視覺(jué)系統，該系統包括了一個(gè)共定位的飛行時(shí)間（ToF）和RGB攝像頭，以及在一個(gè)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(jué)流水線(xiàn)的方方面面。默認的解決方案是使用FPGA來(lái)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(guò)USB將數據流式傳輸給最終用戶(hù)。
通過(guò)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(wú)源器件）來(lái)節省功耗并顯著(zhù)降低BoM復雜性。
tinyVision UVC解決方案提供的靈活性可加快開(kāi)發(fā)工作，它可以將兩個(gè)傳感器的原始MIPI數據直接發(fā)送給開(kāi)發(fā)原始算法的主機。隨后，我們的客戶(hù)將計算成本高昂的ToF算法移植到SoM上，使用現成的部件來(lái)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(guān)鍵部分。該SoM將成為其最終產(chǎn)品的一部分，只需投入極少的資金開(kāi)發(fā)一個(gè)內插卡，即可承載SoM、電源、IMU和2個(gè)圖像傳感器。
實(shí)現可靠、高效和安全的USB連接
tinyVision與萊迪思半導體的合作開(kāi)發(fā)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(jìn)的FPGA功能以及Zephyr RTOS提供的全面固件支持，帶來(lái)了一個(gè)小尺寸、低功耗和高度靈活的平臺。
該解決方案大大簡(jiǎn)化了USB器件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)降低了成本，縮短了上市時(shí)間，是工業(yè)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(guān)鍵任務(wù)系統中實(shí)現可靠、高效和安全的USB連接。
無(wú)論是用于實(shí)時(shí)數據處理、多媒體還是嵌入式系統，tinyVision的技術(shù)都能支持這些不同領(lǐng)域的復雜要求。
這些來(lái)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(kāi)發(fā)者大會(huì )上參與展示。通過(guò)注冊參與萊迪思開(kāi)發(fā)者大會(huì )，您將獲得向經(jīng)驗豐富的FPGA專(zhuān)家學(xué)習的機會(huì )，并體驗來(lái)自多個(gè)行業(yè)的合作伙伴提供的超過(guò)75項創(chuàng )新技術(shù)演示。
了解有關(guān)tinyVision的USB解決方案和服務(wù)的更多信息，請發(fā)送電子郵件至：sales@tinyvision.ai并訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站www.tinyvision.ai。 了解更多有關(guān)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(kāi)發(fā)，請聯(lián)系萊迪思團隊。
我們將憑借久經(jīng)考驗的專(zhuān)業(yè)知識和創(chuàng )新技術(shù)幫助您加快USB器件的開(kāi)發(fā)。
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