USB 2.0-ATAATAPI桥器件可支持线缆供电的驱动器[计算机与外设]

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USB 2.0-ATAATAPI桥器件可支持线缆供电的驱动器

发布时间:2006年2月16日点击次数:580

来源:TI 作者:德州仪器公司Dan Harmon

       高速PC大容量存储外设--快速成长的市场

       通用串行总线 (USB) 是PC历史上最成功的外设接口。USB 2.0将秉承第一代USB产品的传统,为PC外设中的大容量存储设备提供具体优势。这些产品包括便携式数字音频播放器、外置硬盘驱动器 (HDD)、ZIP驱动器、CD刻录机、DVD刻录机、高密度PCMCIA type-II存储卡读卡器、光磁（MO）驱动器等。原始的USB标准USB 1.1不具备实现上述各类型产品最佳性能所必需的带宽。但是,USB具备更高的吞吐量 (480 Mbs),能够满足上述大容量外设的高带宽要求。USB 2.0已经开始推动各种高性能大容量外设的进程。

       定义

       ATA驱动器、ATAPI驱动器：一种标准的现成驱动器,其集成了高级技术（根据美国国家标准研究院小组X3T1Q 定义）附件/ATA包接口 (ATA/ATAPI) 总线和连接器作为其电子接口。其实例包括HDD、CD-RW和DVD驱动器。它们通常内置于PC或Mac中,通过ATA/ATAPI排线线缆进行连接。

       USB 2.0驱动器：标准ATA或ATAPI驱动器,以及USB 2.0到ATA/ATAPI桥接器板 (bridge board) 的组合,能够创建功能齐全的USB 2.0外设驱动器。

       所需的桥接器板

       任何USB 2.0大容量存储外设 (MSP) 的基础都是USB 2.0到ATA/ATAPI的桥接器板。外设开发商希望迅速进入市场,为了实现这一目的,他们使用市场上可用的ATA/ATAPI驱动器--之所以这么称呼,是由于它们所采用的连接器都是某种形式的ATA/ATAPI连接器。这些ATA/ATAPI驱动器能够支持并响应ATA/ATAPI命令,命令通过其ATA/ATAPI连接器或总线进行传送。但是,USB 2.0总线既不与ATA/ATAPI命令通信,也不支持这些命令。USB 2.0到ATA/ATAPI桥接器板必须在两个总线之间作为指令翻译器和数据管理器（图1）。

                                                       图1：桥接器板的功能

       USB 2.0驱动器产品开发商的多种选择

       在选择USB 2.0到ATA/ATAPI桥接器解决方案时,外设驱动器开发商有一系列开发要求。其中一条重要的要求就是桥接器能够与各种ATA和ATAPI驱动器实现完美的互操作性。另一条重要要求则是实施创新特性的能力,其中包括线缆供电的产品。创新型特性相当重要,因为它们是使驱动器开发商能够使其产品独具创新性的利器。选择合适的USB 2.0桥接器解决方案是至关重要的,这有助于开发商不仅能满足上述要求,而且还能够快速进入市场。我们不妨来逐一讨论一下上述开发要求。

       与各种ATA/ATAPI驱动器实现无缝操作

       "无缝操作"实际上具有多方面的含义。USB 2.0桥接器解决方案必须能够解决ATAPI驱动器内在的操作差异问题。简单地说,许多ATAPI器件都同ATAPI规范存在某种不符合之处,因此就正常预期的操作情况而言会出现"操作差异"。这些差异有多种形式,而且难以预见。ATAPI驱动器中常见的一类差异是ATAPI总线上的

计时差异。ATAPI总线的应答信号各种各样,如数据选通脉冲,这可能会根据驱动器以PIO模式或UDMA模式运行的不同而各异。如果桥接器件在ATA/ATAPI物理接口处不具备可调整计时的话,那么基于该器件的桥接器板就不能就ATAPI驱动器的计时差异很好工作。驱动器开发商将不得不选择另外的ATAPI驱动器或不同的桥接设备。不管怎样,开发商将产品投放市场的时间都将放慢。

       ATAPI 驱动器操作差异的另一个实例就是驱动器向USB 2.0桥接器板传送其操作状态的方法不一致。ATAPI规范定义了在驱动器中使用状态寄存器的方法,但具体使用则就每个驱动器的不同而各异。一个具体的例子就是状态寄存器的BUSY位。ATAPI驱动器厂商因对位的操作和功能性实施而各有不同。在这种情况下,如果桥接器器件不能根据BUSY位的行为灵活地改变自身的操作,那么可能就会出现驱动器"被挂起"的情况。这时,USB 2.0驱动器停止与它所连接的PC或Mac通信,且不能再进行操作。如果要重新正常运行USB 2.0驱动器的话,就需要总线复位或PC/Mac机重启。显然,这从最终用户的角度来说,这种情况是不愿看到的,并可能导致用户向商店返还USB 2.0驱动器。

       13范式--进一步讨论无缝操作

       "BUSY位"问题是一个特定的缺陷实例,属于"13范式 (Thirteen Cases)"的范围。13范式是USB大容量存储类规范的子集,该文档的第六章对其进行了详细讨论。文档指出了在所有涉及数据传输的驱动器/主机通信时可能的排列中将发生的情况。只要出现主机－驱动器不匹配,USB到ATA/ATAPI桥接器件就可以采用正确的错误处理程序,这是相当重要的。如果主机和设备在数据传输方向或数据传输数量方面"不一致",就会发生上述错误。

       正确的桥接实施能够使13范式类错误对驱动器开发商透明,从而使最终用户不会感到其存在。但是,不适当的实施会导致驱动器挂起、数据丢失以及数据讹误症状。显然,在桥接器件中正确实施13范式对需进行桥接器件选择的USB 2.0外设厂商而言是至关重要的。

       创新要求灵活的、由固件驱动的架构

       希望开发创新性USB 2.0大容量存储外设以使其产品独具特色的驱动器开发商应当寻求由固件驱动的器件,这会带来很大的好处。固件驱动的器件与大量通用I/O一起可使驱动器开发商能够在产品开发期间充分利用他们独有的系列技术,并获得更好的市场前景。最后,其就可以推出新型的、有创意的驱动产品,并能够在提供上述驱动器产品的制造商市场中获得成功。

       便携式数字音频和视频播放器的创新型解决方案

       基于HDD的便携式数字音频播放器正成为日益流行的产品。从历史上说,音频播放器都依靠闪存技术作为音频文件的存储,但利用尺寸纤小的硬盘驱动器作为音频文件存储的做法正日益流行。上述升级背后的推理很简单,就是由于巨大的歌曲存储容量。传统的、基于闪存的音频播放器可存储10至20首歌,而基于HDD的播放器则可存储数千首歌。Apple的iPod ?是第一部采用硬盘驱动器的、著名的便携式音频播放器,其让iPod "口袋中装载1000首歌"的口号变成了现实。人们已开始把全部歌曲库随身携带。

       随着基于HDD的音频播放器存储容量不断扩大,我们需要到PC或Mac的连接实现更大的吞吐量。Apple的iPod 使用了1394a "Firewire"高速连接的"fast wire"特性。其他公司则已开始使用USB 2.0作为其高速连接解决方案。与USB 2.0外设HDD一样,这种应用也要求USB 2.0到ATA桥接器解决方案。如此说来,便携式音频播放器应当比外设HDD更为复杂,因此基于USB 2.0的音频播放器开发商要求桥接器解决方案除了单纯的USB 2.0 HDD所需要的之外,还应具备更多的功能。

       基于HDD的便携式音频播放器的桥接器解决方案应当是"智能的"。这就是说,它应当具有可编程性,以及由固件驱动的架构。实现上述目的的最佳方式就是在桥接器件（USB 2.0到ATA）中嵌入一个嵌入式处理器。将处理器嵌入桥接器件中既能够节约板级空间,又能够节约成本。此外,还应具备DSP和智能桥接器之间的I/O通道,从而实现设备间的通信与协调。这可以就通用I/O（GPIO）、串行总线或上述二者的组合得以实现。我们不妨来看看为什么桥接器件和DSP之间的通信对便携式音频播放器非常重要。

       创新的音频播放器开发商充分利用了内置HDD千兆位存储容量的优势。凭借巨大的现有数据存储空间,希望使其产品从竞争对手中脱颖而出的开发商正在向其音频播放器添加除音频之外的其他功能。许多新功能通常都与个人数据助理 (PDA) 相关。通过添加日历、待完成工作表、联系人列表以及开支记录等功能,基于HDD的音频播放器目前能够像功能丰富的PDA一样发挥作用。此外,开发商还可通过添加诸如播放列表同步等功能来扩大传统功能。

       事实上,实施这些更多特性的关键要求就是桥接器和DSP具备自由高效地相互通信的能力。众多的数据移动还是在PC和HDD之间进行的,关于这些数据的信息必须通过智能桥接器件传递输DSP。这是通过桥固件定制直接实现的。当然,如果桥接器不具备集成的处理器--如果它不是智能的、可编程的桥接器件的话--那么就不可能进行定制。

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图2：基于HDD的USB 2.0便携式音频播放器

       便携式视频播放器

       便携式视频播放器是一种新兴的产品类型,我们可将其看作是便携式音频播放器的相关产品。此二者具有许多相似的产品要求。由于其所处理的视频文件大小大大超过音频文件,因此视频播放器基本上都需要以HDD作为视频文件的存储。由于和便携式音频播放器相同的原因,因此智能桥接器在便携式视频播放器中也同样重要。

       线缆供电的驱动器

       线缆供电的驱动器,是指通过USB线缆供电,而不需要插入墙上电源插座的USB 2.0驱动器,其很受最终用户的欢迎。线缆供电不仅能够为最终用户提供简单的使用模型（即插即用）,而且还取消了墙上型电源适配器这一组件,从而节省了金钱。

       USB总线规范存在的一个错误是,总线本身可以向外设提供最大500mA的电流。由于大多数ATA和ATAPI驱动器需要大于500mA的电流,因此开发由线缆供电的驱动器存在不少问题。此外,USB规范要求任何线缆供电的器件在枚举时电流不超过100 mA,在"睡眠"省电操作模式时电流低于500uA。驱动器开发商制造线缆供电的驱动器必须采用满足上述电源标准的桥接器件。

       如果开发商希望使用驱动器所要求的功率级别是USB线缆所不能提供的,那么就会采用智能电池辅助解决方案。在这种情况下,如锂离子电池等的充电电池与驱动器和智能电池管理器件位于同一位置。电池将提供大部分的驱动器操作电流。不过,桥接器板的低电流消耗对应用而言仍然非常重要,因为智能电池管理器件必须具备充足的自由电流才能进行充电。否则就会出现电池无电或数据丢失或讹误的风险。

       在通过USB线缆进行电池充电时,开放商应当能够最大化从线缆到电池的功率传输,因为USB线缆只能提供2.5瓦特的功率（电流500 mA,电压5V）。了解了这一点,开发商就应当致力于最小化所有不直接与电池充电功能相关器件的功耗。在电池充电过程中,符合逻辑的做法是给HDD和DSP断电。从为电池充电应用而优化的固件进行操作的智能桥接器件将为DSP和硬盘驱动器断电。这将显示其自身ATA接口的三态,从而实现为电池充电而优化的低功耗使用状态。电池进行充电时,桥接器件还能监视充电过程和USB总线的情况

。如果与音频播放器相关的总线流量重新再现,那么桥将重新启动DSP和HDD。

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图3：基于智能桥接器的电池管理

       TI的TUSB6250--用于线缆供电应用的优化解决方案

       TI近期宣布推出了TUSB6250,是上述应用的优化解决方案。该器件通过集成的微控制器可支持创新的以及灵活性极高的解决方案。其基于固件的架构将使驱动器开发商能够处理ATAPI驱动器的"操作差异"。其能够无缝地处理并适应于解决USB大容量存储规范中指定的"13范式"情境。利用其16个通用 I/O引脚,开发商能够获得卓越的灵活性,以向市场推出新型的、独树一帜的解决方案。其还能与诸如音频或视频播放器中的其他系统级芯片相连,如DSP。

       对于那些对开发线缆供电的解决方案感兴趣的开发商而言,TUSB6250只需要不到80 mA的电流以及3.3V的电压。目前几款低功率HDD已开始供货,只要配备基于 TUSB6250的桥接器板,就可从USB线缆获取电源进行工作。为达到USB实施者论坛 (USB Implementers Forum) 认证要求的驱动器开发商必须满足的其他关键性USB规范包括枚举电流 (enumeration current) (100 mA) 和睡眠模式电流 (500 uA)。桥接器板利用TUSB6250来满足这些参数。TUSB6250的智能化与低功率相结合,对任何采用电池和电源管理以在USB线缆上充电的器件而言,都是非常优秀的解决方案。

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