USB 3.0/千兆以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進行 連接的需求日益旺盛，信息共享的程度要求在不斷提高，這 就要求電子設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)接口。但在移動電子設(shè)備方面，為 了方便移動和攜帶，這些設(shè)備在接口設(shè)計過程中，設(shè)備機身 較薄而不能承載許多體積較厚的接口，因此只能舍棄VGA、 RJ45接口，進而選擇USB 3.0等超薄接口以降低厚度，同時 保留超高效能，最終可采用USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器移動設(shè)備連 接至以太網(wǎng)，為此，本文采用USB轉(zhuǎn)10/100/1000M千兆以 太網(wǎng)控制芯片AX88179來實現(xiàn)高速USB 3.0/千兆以太網(wǎng)轉(zhuǎn) 換器的設(shè)計。

1 USB3.0轉(zhuǎn)10/100/1 000 M千兆以太網(wǎng)控制芯片AX88179

AX88179的基本特性

AX88179 的 USB 接 口符合 USB 3.0/2.0/1.1 規(guī)范，千兆 以太網(wǎng) MAC 及 PHY 兼容于 IEEE 802.3、IEEE 802.3u 及IEEE 802.3ab協(xié)議。內(nèi)置USB Host接口的微控制器 搭配AX88179，即可增加雙絞線千兆以太網(wǎng)特性。此外， AX88179可在25 MHz頻率下正常工作。

AX88179支持許多高級特性，包括IPv4/IPv6封包校驗 和承載引擎、雙絞線交叉自適應(yīng)、TCP大包傳送承載及符合 IEEE802.3az 超節(jié)能以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(Energy Efficient Ethernet， EEE)等。根據(jù)EEE協(xié)議，當(dāng)以太網(wǎng)連接中沒有數(shù)據(jù)流量時, AX88179會進入低功耗模式，以省掉不必要的耗電，讓能 源能更有效地被利用。在千兆模式時，還可支持綠色以太網(wǎng) Green Ethernet，并可自動偵測有線網(wǎng)絡(luò)連接與使用狀況，調(diào) 整輸出功率，以達到省電目的。此外，AX88179還支持網(wǎng)絡(luò) 遠程喚醒(Wake-on-LAN)功能，當(dāng)系統(tǒng)進入低功率狀態(tài)后, 透過偵測網(wǎng)絡(luò)連線狀態(tài)變動、收到魔術(shù)包及Microsoft喚醒包 等事件可遠程喚醒。

AX88179的規(guī)格特性

AX88179為單芯片USB3.0轉(zhuǎn)10/100/1000M千兆以太網(wǎng) 控制器，可支持超節(jié)能以太網(wǎng)(EEE)標(biāo)準(zhǔn)。該控制器主要由 USB設(shè)備控制器和千兆以太網(wǎng)控制器組成，同時支持網(wǎng)絡(luò)遠 程喚醒功能，并具有先進的電源管理功能。

AX88179中的USB設(shè)備控制器具有集成USB 3.0 PHY 和控制器并兼容USB 3.0、2.0及1.1規(guī)范，支持所有USB 3.0 節(jié)能模式(U0、U1、U2和U3)，同時支持USB超高速/高速 /全速模式，電源驅(qū)動能力則支持總線供電模式和自供電模式， 而且利用其獨有的突發(fā)傳輸機制，可讓USB總線上的封包傳輸速率達到極致。

AX88179中的千兆以太網(wǎng)控制器可支持IEEE 802.3az (Energy Efficient Ethernet),同時兼容 IEEE 802.3、802.3u 和 802.3ab。AX88179 中集成了 10/100/1 000 Mb/s 千兆以太 網(wǎng)MAC/PHY,故可支持綠色以太網(wǎng)，并可自動偵測有線網(wǎng) 絡(luò)連接和調(diào)整輸出功率，以達到省電之目的(僅Gigabit模 式),同時還支持并行檢測及自動極性校正以及交叉檢測及 自動更正，也支持IPv4/IPv6封包校驗和卸除引擎，以減輕 CPU 的 負 載，包 括 IPv4 IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP、IPv6 TCP/UDP/ICMPv6 checksum的產(chǎn)生及核對；此外，還支持 TCP大量傳送承載V1、全雙工IEEE 802.3x流量控制及半 雙工背壓流量控制，以及IEEE 802.1P第2層優(yōu)先編碼和譯 碼，支持 IEEE 802.1Q VLAN tagging 和兩組 VLAN ID 過濾， 所收到的4字節(jié)VLAN Tag可以選擇被剝除或保留，不僅如 此，它也支持Jumbo frame，并具備MAC/PHY自環(huán)診斷功能。

AX88179可以支持網(wǎng)絡(luò)遠程喚醒功能。它的網(wǎng)絡(luò)遠程喚 醒功能包括兩種模式：一是支持休眠模式和通過網(wǎng)絡(luò)鏈接狀 態(tài)變動、收到魔術(shù)包、收到Microsoft喚醒封包及外部喚醒引 腳狀態(tài)變動等事件進行遠程喚醒；二是能夠支持Bonjour喚 醒需求。

AX88179帶有先進的電源管理功能。其中包括支持電源 管理及卸除(ARP & NS)，同時支持動態(tài)電源管理，以節(jié)省在 空載、輕負載或斷開網(wǎng)絡(luò)線等狀況下的功耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線被斷開 時，可從 USB Soft-disconnected 支持 AutoDetach 省電功能， 同時支持先進的斷電節(jié)能功能。

AX88179支持可選串行E2PROM (93c56/66)用來儲存 USB描述符和Node-ID等信息，同時支持嵌入式eFuse (64 位)儲存USB描述符和Node-ID等信息，可以替代外部存儲 的E2PROM。當(dāng)上電啟動后，支持自動從嵌入式eFuse或外部 E2PROM加載USB描述符和Node-ID等信息。

AX88179采用25 MHz時鐘輸入，并可支持晶體及外部 時鐘，而且內(nèi)置上電復(fù)位(Power-on reset)電路。

AX88179 采用 68 引腳 QFN(8 mmX8 mm)并符合 ROHS/ REACH規(guī)范。器件工作溫度范圍為：0~+70 C

2采用AX88179設(shè)計高速USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器

AX88179的組成結(jié)構(gòu)

圖1所示為AX88179組成框圖，其內(nèi)部主要由USB3.0 轉(zhuǎn)超高速以太網(wǎng)橋接、USB3.0內(nèi)核和接口、鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器、 USB3.0物理層、通用I/O、eFuse和控制、封包緩沖SRAM、 內(nèi)存仲裁器、校驗和卸載引擎、GMAC內(nèi)核、千兆節(jié)能以太 網(wǎng)物理層等部分組成。

AX88179的應(yīng)用設(shè)計

圖2所示為采用AX88179設(shè)計的USB 3.0轉(zhuǎn)千兆以太 網(wǎng)適配器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中AX88179的一端接USB Host， 另外一端與以太網(wǎng)相連，其連接方式可以采用RJ45標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng) 絡(luò)接口。

圖1AX88179的內(nèi)部組成框圖

圖2 USB 3.0轉(zhuǎn)千兆以太網(wǎng)適配器結(jié)構(gòu)圖

圖3所示是采用AX88179設(shè)計的USB 3.0/千兆以太網(wǎng) 轉(zhuǎn)換器的硬件電路布局圖。圖中左側(cè)為USB 3.0接口，右側(cè)為 RJ45接口，轉(zhuǎn)換器中的存儲器采用串行16位E2PROM芯片 93C66,電源芯片采用高效脈沖寬度調(diào)整雙通道DC-DC直流 降壓轉(zhuǎn)換器RT8075，網(wǎng)絡(luò)變壓器選用Bothhand的LA1S109- 43 LF，晶體頻率為25 MHz。

USB 接口25 MHzRT8075AX88179E2PROM93C66圖3 USB 3.0/千兆以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的硬件電路布局圖

在進行USB 3.0/千兆以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計時，一般應(yīng) 注意幾個問題：一是選擇網(wǎng)絡(luò)變壓器的匝數(shù)比是1CT:1CT。二是時鐘晶體頻率選擇25 MHz +30 ppm,負載電容財為20 pF，等效串聯(lián)電阻ESR最大為70 Q,同時要在晶體兩端連接一個1 MQ的電阻。三是在AX88179應(yīng)用中必須使用 E2PROM，因為AX88179的E2PROM內(nèi)容中包括重要的硬 件初始化數(shù)據(jù)(如USB描述符、產(chǎn)品信息、序列號等)，這 些配置數(shù)據(jù)將被用于正常工作模式下的AX88179的硬件初始 化。四是每個AX88179設(shè)備必須分配一個獨立的MAC地 址。因為每個以太網(wǎng)設(shè)備必須有一個獨立的MAC地址,所以, 應(yīng)該在每個AX88179的E2PROM中分配一個獨特的MAC 地址。五是未必需要為每個AX88179設(shè)備設(shè)定一個獨特的 序列號。如果目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)上安裝超過一個基于AX88179的 設(shè)備，應(yīng)該在每個AX88179設(shè)備的E2PROM中設(shè)置不同的 序列號。如果目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)總是只用一個AX88179設(shè)備，考 慮到量產(chǎn)的方便，所有的AX88179設(shè)備E2PROM中可使用 相同的序列號，特別是計劃重復(fù)使用一臺Windows電腦平臺 用來做AX88179設(shè)備量產(chǎn)測試的情況。

3結(jié)語

AX88179是一款低價、小封裝、高性能、高集成度、即 插即用的USB 3.0轉(zhuǎn)千兆以太網(wǎng)單芯片，可應(yīng)用于臺式電腦、 筆記本電腦、超輕薄筆記本電腦、計算機擴展基座、游戲機、 智能家電及任何具備標(biāo)準(zhǔn)USB端口的嵌入式系統(tǒng)。

20210916_61435bb033d91__USB 3