如何在手持设备中将全速USB升级为高速USB

移动手持终端市场已经出现对高速 (HS) USB 的巨大需求，这比预期计划实现的时间要来的更快，开发人员对此有些措手不及，因此他们不得不将这种需求添加到现有的设计中，而不是在未来的设计中重新开始。消费类电子的快速变化特性推动着高速USB的市场需求，例如音乐和图片文件传输。在现有设计中，全速USB用于实现这些文件传输以及其它一些功能，如诊断功能、调制解调器连通性以及系统升级。现在，开发可处理用户文件传输的高速 USB 时需要确保消费者体验不会受到低速数据传输的影响。至于其它全速 USB 功能仍不需要更改为高速 USB 功能，这样一来就带来了更多的软件修改风险和超越了目前高速USB所能提供的高速端点数的要求。

本文将描述开发人员如何才能分阶段地将高速 USB 功能引入到移动手持终端中。在第一阶段，开发人员需要将用户数据传输移植至高速 USB，同时使所有其它全速 USB 功能保持原状；而在第二阶段，开发人员的最初设计就从支持完全集成的高速USB实现开始。在第一阶段中，由于添加了一个高速 USB 接口，因此就创建了 2 个 USB 路径，这些路径必须使用信号开关在硬件中进行融合。 USB开关可导致 USB 信号完整性和兼容性等诸多问题。为了产生清晰的高速眼图，开发人员必须要对一些设计因素加以考虑。本文将详细地讨论使用 USB 开关进行设计的一些缺陷以及如何有效避免这些缺陷的方法。

USB 成为手持设备首选的传输协议

毫无疑问，蜂窝服务提供商都在千方百计地为他们的用户提供越来越多的产品特性。在市场达到饱和状态并且在增加新用户受到限制的情况下，这些特性将会提高平均用户收入 (ARPU)。手机 OEM 厂商对此作出积极响应，目前正在添加一些新的特性以支持他们的蜂窝服务提供商客户。最近几年，我们已经看到手机集成了数码相机 (DSC) 的功能。这种应用进行的非常成功，今天在您本地的存储服务中您将发现大多数手机都按照标准配备了摄像头。这意味着用户能够进行拍照并利用此过程中的通话时间与他们的朋友分享图片，因此这就为蜂窝服务提供商开创了新的收入来源。使手机集成便携式媒体播放器 (PMP) 功能是近几年才开始流行的，这一趋势在未来几年将一直持续。这将允许蜂窝服务提供商对音乐和视频内容进行收费，并且由于手机用户需要利用网络下载他们喜爱的歌曲，因此也会收取该通话时间的费用。DSC 与 PMP 产品作为独特的实体已经存在相当长一段时间了，在用户期望值方面他们与其集成对手有着共同之处——都必须能与用户计算机交换大量的图片数据和 MP3 文件，这就与目前他们使用分立器件所能做的没什么两样了。

USB 已成为与计算机 MP3 播放器 (PMP)、数码相机 (DSC)、闪存盘和硬盘驱动器等进行数据交换的标准方法。这些产品全部都采用 USB 作为首选的传输协议。 由于手机不断地集成越来越多的特性，例如高分辨率的数码相机、PMP、PDA 功能等等，因此对用户来说就需要更为便利的文件传输方式来进行手机数据交换。 那么还有什么能比 USB 更为普遍和熟悉的呢？

目前，大多数手机都支持全速 USB (12Mbps)，这对于少量的数据传输来说已经足够了，例如通讯录联系人同步功能。但对于其他诸如MP3播放器和高分辨率数码相机的特性来说，全速USB就显得有些力不从心。消费者过于偏爱通过高速USB（480Mbps）传输享受他们专用的 PMP 和 DSC 产品，然而他们对使用手机全速 USB 连接传输 MP3 音频和图片至计算机的体验感到非常失望。

通过比较两部常用的手持设备（一部支持高速 USB 而另一部支持全速 USB），在从主机传输固定大小的数据至每个设备并记录数据传输所花费的时间后，我们发现两者之间具有很大的差别。高速 USB 设备从主机传输105MB的数据至手持设备大约需要 33 秒；而全速 USB 设备执行同样的数据传输则花费了将近13分钟！基于最先进闪存的手持设备当前可支持高达 8GB 的数据存储，如此海量的数据通过全速 USB 传输需要 17 个小时以上，而使用高速 USB 进行传输则只需 44 分钟就能完成。此外，基于最先进硬盘的手持设备可支持 80GB 的数据存储，因此通过全速 USB 传输时其传输时间将提高到 10 倍（170 个小时），而使用高速 USB 传输则只需 7.3 个小时（440 分钟）！显而易见，用户或许不想每次都将手持设备连接至计算机上传或下载如此海量的数据，但是举这个例子的目的是想让消费者体验到使用全速 USB 和高速 USB 时的巨大差距。

全速 USB 和高速 USB的差距

由于各种原因的存在，包括诊断功能、制造业可测性和调制解调器连通性，使全速 USB 得以用于当今的各种手持终端设备之上。前者给手持终端设备 OEM 厂商提供了在生产线上测试手持终端设备的功能以确保产品质量最便利的方法，因此这最小化或消除了现场失效。全速 USB 的带宽足以满足此类任务的需求。而后者则能够使用户将他们的电话作为调制解调器连接至膝上型电脑，从而提供了无线 Internet 接入。全速 USB 可提供高达 12 Mbps 的带宽，这足够支持现有的 2G 数据标准（至少从理论是说是可以的），例如基于 GSM 的 GPRS 和 EGDE 以及基于 CDMA 的1xEV-DO 和 1xEV-DO Rev. A，甚至还可支持新兴的 3G 标准，例如 HSDPA 和 HSUPA。升级这些特性以支持高速 USB 需要放弃已通过现场验证的软件，而重新推出全新的软件套件。此举将耗费大量的时间和资源，在快速变化的手持终端设备市场中两者都受到一定限制。因为全速 USB 相对于这些功能而言可提供足够的带宽，而且手持终端设备 OEM 厂商更倾向于保持现有的解决方案，所以手持终端设备 OEM 厂商仅仅以高速 USB 控制器或 PHY 的形式来添加高速 USB 支持，进而在设计中添加更高的带宽通道来满足海量存储的需求，从而让消费者在他们集成的便携式媒体播放器和数码相机方面能获得更佳的用户体验。这允许 OEM 厂商根据需要通过兼顾全速 USB 而增加此项支持，从而将现有平台仅仅升级至高速 USB，同时也使得他们能够更快速地将高速 USB 解决方案推向市场，而不必围绕高速 USB 完全重新设计。

以此方式添加高速 USB 的另一个原因是现有高速 USB 控制器中所提供端点数的限制。在计算机应用中，一般高速 USB 控制器都具有已定义的特定应用，并且只需要少量的端点，对大多数应用来说 4 个或 8 个端点即已足够。移动手持终端可通过 USB 来提供许多功能并满足端点不断动态增加的需求——12 个或 16 个甚至 20 个端点也不足为奇。在这些功能实例中，移动手持终端可支持的每项功能都要求具有单个或多个端点，其中包括海量存储、媒体传输协议 (MTP)、调制解调器 (CDC)、设备管理、对象交换 (OBEX) 和调试/测试。由于这个原因，手持终端设计人员就能同时利用全速和高速 USB 数据路径有效地支持更多的端点，这比单独使用高速 USB 数据路径所能支持的端点要多。

那么手持终端 OEM 厂商该如何将高速 USB 功能添加到现有的支持全速 USB 的设计中呢？显而易见，不能简单地将其作为单独的实体来添加，因为这要求手持终端上具有迷你型或微型 USB 连接器。当然，这样一来不仅提高了成本，而且更为重要的还会使消费者感到无所适从。这种解决方案的目的是将两种 USB 数据通道合并到单一的连接器上。图 1 中举例说明了首款 pass 解决方案的组织情况，如下所示：

任何拥有采用高速信号进行设计经历的设计人员当然都会意识到，当您完全摆脱全速链接操作时，由于将全速USB传输线用来进行传输高速数据信号时，传输线会产生类似短柱天线的作用，因此会导致高速链接无法工作，而且还会引起信号质量的严重下降并形成封闭的眼图。更不用说一想到这种结构假定全速和高速 USB 输出都能支持某种三态模式以获得这种设计的情况，即当全速 USB 工作时高速信号就为三态信号，反之亦然。这就是今天大多数 USB 设备在传统应用（例如计算机）中不能支持的原因，复式连接器即成为规范并且无需将多重 USB 信号合并到单个连接器之上。

将全速USB升级为高速USB的解决方案

这种解决方案要求全速和高速 USB 信号线迹完全分开。目前，将高速 USB 引入移动手持终端的最佳解决方案是添加高速路径，并使用信号开关在现有的全速路径中进行多路复用。 图 2 详细说明了该解决方案：

虽然这看起来很简单，但是当涉及到高速信号完整性时,实际上就会导致一些问题，并且在进行 USB 兼容性测试时也会导致失败。即使市面上存在的那些开关可能声称能够支持高速 USB 应用，但是它们在某种程度上都会降低眼图的质量，并且有时还会达到不兼容的地步。选择开关以及布置主板时需要考虑到一些实际情况，但是首先应考虑到理想的高速USB数据路径，例如根本没有开关的路径。

在考虑高速USB数据路径时，存在多个主板设计人员需要加以控制的因素，这些因素必须得到最佳化以创建出清晰的眼图。首先，D+与D-线路的线迹阻抗必须为45Ω。该线迹阻抗与接收设备的D+和D-引脚在输入时所看到的内部阻抗相匹配，这样就可形成合适的分压器以获得 400mV的兼容高速逻辑HIGH。另外一个因素是 D+和D-线迹的长度补偿。假若没有其它复杂因素，例如 ESD或EMI保护设备，那么就能提供如图3左上角所示的清晰的眼图。

现在，当将开关插入数据路径中时，就会出现信号失真。失真的具体类型与失真程度与开关的自身特征有关。首先我们应注意的是开关的切换速度。该开关必须在传输速度为 480 Mbps（相当于 240 MHz）时能够切换至与高速 USB 兼容。如果不能进行切换，则就可以不予考虑此种开关。最有可能的是，如果这种开关声称可用于高速 USB 用途，那么这将不成问题。下一个特征或许是最重要也是经常容易忽略的，那就是开关的串联电阻 (Ron)。串联电阻的阻值越大，眼图就越容易被压扁，并且当试图获得 USB-IF 认证时这就成为了一个最为头疼的问题。

下面的实例分析了较高的串联电阻对眼图有着怎样的具体影响。 在这里，开关A的典型串联电阻为5Ω，而开关B的典型串联电阻为10Ω。在使用开关A的时候，总线迹串联电阻将为50 Ω，而不是45Ω。当形成单一的分压器时，这将使逻辑 HIGH 变为379mV，而不是所需的400mV。这种规格可提供 10% 的容差（相对于400mV要求），因此 360mV的逻辑HIGH仍处于规格范围之内。当将开关B插入数据路径时会额外增加10Ω的串联电阻，从而使线迹阻抗的阻值总共为 55Ω。其结果会导致 360mV 的逻辑 HIGH，而没有留有任何的误差幅度。考虑到在端接电阻器以及线迹阻抗中存在额外的误差，因此期望这种情况具有兼容性是不切实际的。图 3 左下方的眼图是在信号路径中增加了10Ω线迹串联电阻之后形成的眼图。由于额外线迹串联电阻的影响，我们可以看到眼图的上下边界已被压扁。该眼图留有的误差幅度非常之小。

即使电压电平在额外开关电阻的影响下降低至可接受的范围，并且在考虑各种容差之后，我们发现还存在另一种方式能够使开关影响到眼图。这种开关也增加电容至线迹以减缓信号沿变化率（上升沿和下降沿）。此举可导致眼图禁止布线区域的角落变短，进而导致眼图形成失败。例如，开关 A 有 5pF 的电容而开关 B 有 15pF 的电容。通过开关 B 在开关 A 上增加额外 10pF 的电容，可使眼图禁止布线区域（误差幅度）周围的面积减少达 50% 之多。在写这篇文章的时候，典型的开关在开启时其电容介于 6pF~15pF 之间。图 3 右上角的眼图详细说明了通过增加 15pF 电容后发生失真的眼图。

如果开关仅仅增加串联电阻或电容，可能还不会导致任何问题。但是，事实情况是开关同时将增加串联电阻和电容，这两者的结合就会导致眼图出现一些实际存在的问题。我们常说最理想的开关应具有很低的串联电阻和电容。低串联电阻将导致顶层和底层朝着眼睛中心更为靠近的移动，这样一来误差幅度就较小。电容将使得转换减缓，这会切入到眼图禁止布线区域，从而导致高速 USB 信号完整性测试的失败。图 3 右下角的眼图具体图解了这种情况。

挑选具有低串联电阻和电容的开关，并且或许这种开关甚至是两者正确的混合，如此一来 Ron 和 Con 特性就成为能否获得成功的基于开关设计的关键所在。

进行这样的设计时，需要考虑的另一个因素是何时在全速和高速 USB 路径之间切换。目前，这样的切换主要在软件中实现，例如用户必须进入手持终端中的某个菜单然后选择是否使用海量存储或调制解调器模式。然后系统处理器（基带或应用程序）即会启用正确的信号路径。默认模式通常是全速 USB 模式，将这种模式作为工厂中用于诊断和制造测试的模式。这是一种很麻烦并且不合适宜的解决方案。随着时间的推移，手持终端设计人员希望这种解决方案没有任何用户干预的约束，这意味着将向全面汇聚的解决方案迈进。

结论

毫无疑问，手机设计人员将进行完全移植以支持单一的 USB 路径，这将允许全速和高速 USB 共存。对于这种解决方案，设计人员可把时间花费在优化软件方面，从而创造出更多一流的优化设计。产品解决方案将会适时出现，并且集成了足够多的端点数以支持手机应用。到那时，手机设计人员就会愿意支持高速 USB 并快速地推出市场产品以赢得客户满意度，这完全取决于本文中所描述的解决方案能否获得成功。

另外，要使这样的设计获得成功，设计人员必须考虑到他们所选择开关的 Ron 与 Con 参数。开关的 Ron 电阻应介于 4Ω~ 8Ω之间，而 Con 电容则应介于 5pF~10pF 之间。遵循这些准则有助于避免浪费更多时间在调试 USB 连接上，同时也使得移动手持终端设计人员能更迅速地抢占市场。