通过 USB-C 重新定时 USB4

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时间：2023-02-28 17:04:35

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通过 USB-C 重新定时 USB4 USB-C 连接器是统领一切的连接器。它在定义上具有极大的灵活性，并已在不同的互连中广泛采用。这种使用的灵活性和多样性也是许多困难的根源

USB-C 连接器是统领一切的连接器。它在定义上具有极大的灵活性，并已在不同的互连中广泛采用。这种使用的灵活性和多样性也是许多困难的根源，尤其是在有源电缆中。重定时器的这些困难的一个关键是 USB-C 支持的所有选项和模式之间的许多交互。

USB-C 通过一系列替代或“Alt”模式支持 USB、Thunderbolt、DisplayPort、HDMI 和 MHL 以及其他新兴协议。每个都有自己的协议和物理层，必须由重定时器单独处理。它们是由不同的群体在不同的时间出于截然不同的目的而定义的。协议层彼此不同。物理层也以不同的方式定义，具有不同的速率和重要的向后兼容模式和约束。它们可以组合在一起并在一个连接器定义上运行，这是一项巧妙的工程壮举。

图 1：多个协议被定义为使用 Alt 模式在 USB-C 连接器上运行。

USB-C 还支持可逆性，连接器可以在两个维度上以任意对齐方式插入。个对齐维度是电缆的每一端都可以连接到主机端或外设端，直到插入时才知道对齐方式。USB-C 对这两者有完全对称的插头和插座定义角色，这是对 USB-A 连接器的重大改进。各种协议都有主机驱动的配置周期，因此区分命令来自哪一侧对于其重定时器必须参与这些周期的有源电缆非常重要。这意味着重定时器必须足够灵活以接受、处理和传播来自和向任一方向的开销数据包。

图 2：USB-C 有源电缆必须处理任一方向的配置流。

第二个对齐尺寸是电缆的每一端都可以插入，插头的任一侧在顶部。为了让用户不必摸索插头的方向，USB-C 被定义为允许插头在两端向上插入。这又是对 USB-A 连接器的一项重大改进，它是通过在每个方向上定义两对中的每一对以在连接器的相对角上固定来实现的。包括电源、接地和边带信号在内的所有其他连接也以对称方式定义。在某些应用场景中，反向控制很重要，因此能够在内部翻转电线之间的连接是全功能 USB-C 重定时器的要求。

图 3：USB-C 的线对线连接可以根据插入方式翻转。
USB-C 重定时器还必须与供电 (PD) 控制器交互。USB-C 允许生产者和消费者就通过链路传输的电力进行协商。因此，USB-C 重定时器需要支持到 PD 控制器的双线接口 (TWI)。
USB-C 重定时器必须支持不止一种时钟模式。模式是位级重定时 (BLR) 和具有独立 SSC (SRIS) 的独立参考时钟。
USB-C 还允许某些多功能模式。其中一个示例是一条高速通道是 USB 3.2，另一条通道是 DisplayPort。重定时器无法预先确定所需的配置。相反，它在与外围设备协商后由主机声明为需要。
由于 20 Gbps SerDes 速率，USB4 是需要重定时器而不是转接驱动器来完成这项工作的一代。模拟转接驱动器的三个主要缺点是：
转接驱动器会放大信号及其内部接收器噪声。
转接驱动器只能部分清除符号间干扰 (ISI)。
转接驱动器不会恢复眼宽并允许传播抖动。

结果，无法利用转接驱动器之前和之后的链路的全部范围。每个地方都必须采用较短的走线长度，以限度地减少增加的噪声、残余 ISI、抖动和眼宽变窄的影响。由于这些问题，系统开发人员在理解和描述转接驱动器在所有设想的使用场景中对终端系统的复杂影响方面承担了沉重的负担。当在数据路径中使用多个重定时器时，这些问题会成倍增加。

图 4：重定时器完全恢复信号。重新驱动程序没有。

USB4 也是需要重定时器物理上靠近每个端口的一代，除了的外形尺寸。这是因为要使 USB4 端口达到覆盖范围，损耗预算无法用完从微处理器到 USB-C 连接器的印刷电路板 (PCB)。在大多数前几代产品中，PCB 上的损耗可以吸收到损耗预算中。在 USB4 的大多数主机场景中，需要重定时器，尤其是当系统不想使用昂贵的 PCB 材料时。当然，如果可以将连接器紧挨着微处理器放置，则可能不需要重定时器。

图 5：USB4 是连接器附近需要重定时器的一代。
在某些应用中，微处理器只有一个通用的 SerDes，不支持 USB4 和其他协议的全部要求。在其中一些情况下，需要紧靠主机的第二个重定时器。
此外，USB4也是有源线缆大行其道的一代。到目前为止，USB 大部分都是通过无源电缆实现的。虽然在短距离内，无源电缆仍然是 USB4 的一种选择，但在许多情况下都需要有源电缆。由于重定时器需要增加功耗，这一事实会影响 USB4 在某些应用中的实用性。

一些协议定义了主机访问一系列重定时器中的每一个并为每个重定时器调整均衡器参数的方法。这些协议中有多种模式定义对称和非对称方法。USB-C 重定时器必须参与所有这些协议。

图 6：重定时器序列将在 USB4 中变得普遍。
由于围绕 USB4 的信号完整性环境具有挑战性，重定时器可能支持眼图功能，例如眼高和眼宽测量。还需要比特误码测量以及生成和检查 PRBS 码型的能力。
好像 USB4 还不够硬，无法自行重定时，所以必须支持这些附加功能。所有这些因素的结合使得 USB4 over USB-C 的多协议重定时器成为有史以来复杂的重定时器。一些可用的重定时器解决方案支持 USB4、DisplayPort 和 Thunderbolt 协议，允许方向反转，支持连接器翻转和外部 PD 控制器，并提供广泛的测试和测量功能。Kandou 提供了这样一种解决方案。
重定时器对于互连设计从未如此重要，并且对于 USB4 和为 USB-C 定义的其他高速协议的成功运行至关重要。