TUSB9261：USB 3.0 到 SATA 橋接器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性至關(guān)重要。TUSB9261 作為一款 ARM? Cortex? M3 微控制器為基礎(chǔ)的 USB 3.0 到串行 ATA 橋接器，為硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）、固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器（SSD）、光驅(qū)等設(shè)備與 USB 3.0 總線之間的連接提供了強(qiáng)大的解決方案。今天，我們就來深入探討一下 TUSB9261 的各項(xiàng)特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TUSB9261 的特性亮點(diǎn)

1.1 USB 相關(guān)特性

TUSB9261 完全符合 SuperSpeed USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)（TID 340730020），集成的收發(fā)器支持 SS/HS/FS 信號(hào)傳輸。其擁有一流的自適應(yīng)均衡器，大大提高了接收器的抖動(dòng)容限。在 USB 類支持方面，它涵蓋了 USB 附加 SCSI 協(xié)議（UASP）、USB 大容量存儲(chǔ)類批量傳輸（BOT），并支持 BOT 規(guī)范中定義的 13 種錯(cuò)誤情況，同時(shí)還具備 USB 可引導(dǎo)性支持和 USB 人機(jī)接口設(shè)備（HID）功能。此外，通過 TI 提供的應(yīng)用程序，還能實(shí)現(xiàn)通過 USB 進(jìn)行固件更新。

1.2 SATA 接口特性

該橋接器支持 Serial ATA 規(guī)范修訂版 2.6，包括 Gen1i、Gen1m、Gen2i 和 Gen2m，適用于與 ATA/ATAPI - 8 規(guī)范兼容的大容量存儲(chǔ)設(shè)備。

1.3 核心與外設(shè)特性

集成的 ARM Cortex M3 核心可通過 SPI 接口從 EEPROM 加載可定制的應(yīng)用代碼，還有兩個(gè)額外的 SPI 端口片選用于外設(shè)連接。它提供多達(dá) 12 個(gè)通用輸入輸出（GPIO）供用戶配置，其中兩個(gè) GPIO 具備 PWM 功能，可用于控制 LED 閃爍速度，同時(shí)還配備了用于調(diào)試的串行通信接口（UART）。

1.4 通用特性

集成的擴(kuò)頻時(shí)鐘生成功能使其能夠使用單個(gè)低成本晶體或時(shí)鐘振蕩器工作，支持 40 MHz 頻率。具備 JTAG 接口，用于 IEEE1149.1 和 IEEE1149.6 邊界掃描，并且采用完全符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)的封裝。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

TUSB9261 的應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富，常見于外部 HDD/SSD、外部 DVD、外部 CD 以及基于 HDD 的便攜式媒體播放器等設(shè)備中，為這些設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸搭建了高效的橋梁。

三、詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格

3.1 電氣與溫度規(guī)格

在絕對(duì)最大額定值、ESD 額定值、推薦工作條件和熱信息等方面，TUSB9261 都有明確的規(guī)定。例如，其靜電放電（ESD）的人體模型（HBM）為 +2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±1500 V；推薦的數(shù)字 1.1 - V 電源電壓范圍是 1.045 - 1.155 V 等。

3.2 功率消耗

在 SuperSpeed USB 和高速 USB 模式下，TUSB9261 的功率消耗也有相應(yīng)的典型值。如在 SuperSpeed USB 模式下，VDD11 的典型活動(dòng)電流為 291 mA，典型暫停電流為 153 mA；VDD33 的典型活動(dòng)電流為 65 mA，典型暫停電流為 28 mA。

3.3 時(shí)鐘相關(guān)規(guī)格

對(duì)于時(shí)鐘和晶體，TUSB9261 也有嚴(yán)格的要求。它支持外部振蕩器源或晶體單元，晶體輸入（XI）和輸出（XO）在使用晶體時(shí)需要連接 1 - MΩ 反饋電阻。時(shí)鐘的頻率公差在 - 50 到 50 ppm 之間，占空比為 45% - 55% 等。

四、功能模塊與工作原理

4.1 主要功能模塊

TUSB9261 包含 Cortex M3 微控制器子系統(tǒng)，其中有時(shí)間中斷模塊（包括看門狗定時(shí)器）、通用異步收發(fā)器（SCI）、SPI、GPIO 和 PWM 等外設(shè)；還有 USB 3.0 核心（端點(diǎn)控制器）和集成的 USB 3.0 PHY，以及符合 AHCI 標(biāo)準(zhǔn)的 SATA 控制器和集成的 SATA PHY，同時(shí)具備芯片級(jí)時(shí)鐘生成和分配功能，并支持 JTAG 1149.1 和 1149.6。

4.2 工作流程

全局復(fù)位后，TUSB9261 的 ROM 中的引導(dǎo)代碼會(huì)執(zhí)行，將固件鏡像從連接的 SPI 閃存加載到本地 RAM。固件加載完成后，會(huì)對(duì) SATA 高級(jí)主機(jī)控制器接口主機(jī)總線適配器（AHCI）和 USB 設(shè)備控制器進(jìn)行配置。在配置 AHCI 時(shí)，會(huì)進(jìn)行端口復(fù)位，發(fā)起帶外（OOB）TX 序列以檢測(cè)設(shè)備連接并協(xié)商連接速度；配置 USB 設(shè)備控制器時(shí)，會(huì)創(chuàng)建描述符、配置設(shè)備端點(diǎn)以支持 UASP 和 USB 大容量存儲(chǔ)類 BOT 等。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電源供應(yīng)

TUSB9261 需要 1.1 - V 和 3.3 - V 的數(shù)字電源以及模擬電源。數(shù)字電源的 VDD11 和 VDD33 需連接 0.1 - μF 的旁路電容到地，同時(shí)建議在數(shù)字電源端子上添加 0.01 - μF 的小電容；模擬電源建議使用 Pi 濾波器，并連接 1 - μF 和 10 - μF 的旁路電容到 VSSA，也可添加 0.1 - μF 和 0.01 - μF 的小電容。

5.2 布局設(shè)計(jì)

在布局方面，高速差分對(duì)（如 USB_DM 和 USB_DP、USB_SSTXM 和 USB_SSTXP、SATA_TXP 和 SATA_TXM 等）的布線有嚴(yán)格要求。例如，USB 高速差分對(duì)的布線應(yīng)具有 90 - Ω、±15% 的差分阻抗，高速信號(hào)對(duì)的走線長(zhǎng)度應(yīng)匹配，最大長(zhǎng)度偏差不超過 150 密耳（對(duì)于 SuperSpeed USB 和 SATA 信號(hào)對(duì)不超過 2.5 密耳），且應(yīng)優(yōu)先布線差分走線，盡量減少過孔數(shù)量等。為減少串?dāng)_，建議遵循 5W 規(guī)則，即相鄰差分對(duì)之間的間距為走線寬度的五倍。

5.3 接口設(shè)計(jì)

PWM 輸出可用于驅(qū)動(dòng)指示燈，如 PWM0 可用于指示 USB 連接狀態(tài)和磁盤活動(dòng)，PWM1 可作為電源指示燈；JTAG 接口用于板級(jí)測(cè)試和調(diào)試，若不需要 JTAG 支持，可將其端子不連接或連接到外部 JTAG 控制器；SPI 接口用于與閃存設(shè)備通信，其時(shí)鐘頻率固定為 18.75 MHz，時(shí)鐘模式為 POLARITY = 0 和 PHASE = 1。

六、總結(jié)與思考

TUSB9261 憑借其豐富的功能和出色的性能，為 USB 3.0 到 SATA 設(shè)備的連接提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分考慮其各項(xiàng)技術(shù)規(guī)格和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。例如，在電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)方面，任何一個(gè)小的疏忽都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。那么，在你的實(shí)際項(xiàng)目中，是否遇到過類似橋接器應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。

通過對(duì) TUSB9261 的深入了解，我們可以更好地利用這款橋接器，為電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來更多的可能性。希望本文能為廣大電子工程師在相關(guān)設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。