CN101686132A - 通用串行总线矩阵切换系统 - Google Patents

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Abstract

一种多个主机共享多个通用串行总线(USB)装置的资源的通用串行总线矩阵切换系统，至少包含：多个下物理层接收器(DP PHY)、多个上物理层接收器(UP PHY)、多个集线器、信号撷取器以及多个信号控制切换模块。下物理层接收器一一对应于这些通用串行总线装置，用以将每一通用串行总线装置送出的序列信号转换为并行信号；上物理层接收器一一对应于这些主机；集线器分别一一对应于这些上物理层接收器，每一集线器包含数字中继器，传输转译器(TT)，上层路由器及下层路由器，该下层路由器记录与该多个通用串行总线装置的已连接或未连接状态；信号撷取器撷取使用者提供的控制信号；信号控制切换模块分别一一对应于这些下物理层接收器。

Description

通用串行总线矩阵切换系统
技术领域
本发明关于一种通用串行总线(USB)矩阵系统，特别是一种能使得含有USB端口的多个主机能经由USB矩阵系统的切换方式让多个USB装置资源共享。
背景技术
当外接装置通过通用串行总线(USB)端口与计算机连接时，对大多数的使用者而言，相比较RS 232串行端口或并行端口，USB端口是更为简易好用的。然而，当有多个USB主机要共享多个USB装置时，情况会变得很复杂。因为USB装置传输速率有高速的，例如，满足USB 2.0规范的卡片阅读机或高阶扫描仪，但也有只能全速或低速的装置，如键盘和鼠标。
依据USB 2.0规范，当USB支持低速或全速传输率时，差动电压是3.3V，而当所支持的周边装置是高速传输率时，差动电压变成400mV。而目前对于专用集成电路(ASIC：application-specific integrated circuit)的处理而言，0.4V的电压太低以致于无法提供数字型数据0或1的判读。因此，导致切换矩阵电路或者高阶ASIC的处理的设计变得很复杂。
图1A为传统的用于n个主机共享m个USB装置的矩阵切换系统50的示意图。该切换系统包括n个集线器(HUB1至HUBn)，每个USB装置都各自对应于一个总线切换器(BUS switch)30。而总线切换器30本身是模拟的，因此，需要有精确的阻抗匹配且有噪声的问题，特别是对于高速的USB信号必需更加精准地调整阻抗，未准确校正阻抗则会导致USB装置兼容性不佳等问题。此外，总线切换器的布局走线复杂，因为其本身通常就是一个芯片。每个集线器也是一个芯片。因此需要大量的平面面积来将这些集线器及总线切换器芯片摆放于印刷电路板(PCB)上。
此外，因高速传输和低/全速传输装置的电压不同，且前者的USB装置的差动电压仅有0.4V。因此，在矩阵型切换系统中，高速USB装置对高速主机的数据传送时，集线器内的中继器35仅可使用模拟式的。请参考图1B的示意图。这是一个传统集线器的基本架构，除了模拟式中继器35外，还包含下物理层收发器(Down physical layer transceiver；DP PHY)、上物理层收发器(Up physical layer transceiver；UP PHY)及传输转译器(Transactiontranslator；TT)40。传输转译器40是使高速主机对低速或全速USB装置存取时，不会被其中一个低速或全速USB装置占据所有带宽的缓冲装置。传输转译器40的工作电压是3.3V，因此，其可以是数字式或模拟式的装置。
如前在本发明的背景中所述的，对于用于n个主机共享m个USB组件的传统矩阵型切换系统而言，需要n个集线器及m个总线切换器，此二者都属于模拟形式。而传统的矩阵型切换系统有噪声高、需要精准的阻抗匹配及需要大尺寸布局面积等缺点，其导致USB组件可能有兼容性以及需要大封装体积的问题。
发明内容
相比较数字信号组件而言，模拟信号组件具有较高的噪声。本发明的通用串行总线(USB)矩阵切换系统的组件都集成在专用集成电路(ASIC；application-specific integrated circuit)芯片内并由数字信号操作。依据本发明的实施例，ASIC芯片可提供多个主机共享多个USB装置的资源，无论USB组件是低速的键盘、鼠标或是高速的USB快闪存储器、USB扫描器，信号在集线器(HUB)中都是并行信号。此外，本发明的中继器以及传输转译器(TT)是数字式的，使它们将在集成电路中提供最低噪声以及最小尺寸的布局面积。
本发明公开了USB矩阵切换系统，提供多个主机共享多个USB装置。该系统至少包含：(1)多个下物理层接收器，其一一对应于这些通用串行总线装置，用以将每一个通用串行总线装置送出的序列信号转换为并行信号；(2)多个上物理层接收器，其一一对应于这些主机，以转换由主机接收的信号成为并行信号或作逆向转换；(3)多个集线器，其分别一一对应于这些上物理层接收器，每一集线器包含数字中继器、传输转译器(TT；transactiontranslator)、上层路由器、下层路由器、以及集线控制器；(4)信号撷取器，以撷取使用者提供的控制信号；(5)多个信号控制切换模块，其分别一一对应于这些下物理层接收器，每一信号控制切换模块包含下传端口控制器(DPcontroller；down stream port controller)：断线仿真器，用以在该下传端口控制器没有数据时仿真断线状态；以及选择多任务器，用以依据该控制信号将被选到的通用串行总线装置切换至这些集线器中的被选到的集线器。
在本发明的优选实施例中，对于高速USB组件来说，要将数据传送给所选定的高速主机是通过数字中继器，因此，本发明解决了现有技术中噪声及阻抗匹配的问题。
附图说明
通过以下详细描述结合附图，将可轻易明了上述内容及本发明的诸多优点，其中：
图1A示出依据现有技计所设计的USB矩阵切换芯片的内部功能框图。
图1B示出依据现有技计所设计的模拟式中继器和传输转译器示意图。
图2A示出依据本发明所设计的USB矩阵切换ASIC芯片的内部功能框图。
图2B示出依据本发明所设计的数字中继器内的两个队列及传输转译器的两个缓冲器的示意性功能框图。
图2C示出依据本发明设计的主机以传输转译器对低速或全速装置传送数据的示意图。
图2D示出依据本发明所设计的上层路由器内部的功能框图及其与上层及下层关系的示意图。
图2E示出依据本发明所设计的下层路由器内部的功能框图及当并行接口信号自上层往下层USB装置传送的关系示意图。
图2F示出依据本发明所设计的下层路由器内部的功能框图及当并行接口信号自下层USB装置往上层传送的关系示意图。
  30总线切换器   40传输转译器
  35模拟式中继器   50模拟式USB矩阵切换系统
  100ASIC芯片   104信号撷取器
  105信号控制切换模块   105A下传端口控制器
  105B中断连接拟态器   105C选择多任务器
  110下层路由器   112数字中继器
  110B下层路由器的传输转译器中继器仲裁单元   110A下层路由器的数字中继器仲裁单元
 112A第一队列   112B第二队列
 114传输转译器   114A第一缓冲器
 114B第二缓冲器   116集线控制器
 118下层路由器   118A下层路由器的仲裁单元
 HUB集线器   DP PHY下物理层接收器
 UP PHY上物理层接收器   1101至110m下层路由器的端点
 UP PHY1第一个上物理层接收器   UP PHYn第n个上物理层接收器
 DP PHY1第一个下物理层接收器   DP PHYm第m个下物理层接收器
具体实施方式
本发明在此公开详细的实施例的说明。不过，依据本发明的技术、系统和操作结构可能有许多形式及模式的变化，其中某些可以与以下的说明有相当的差异，因此，在此要说明的是此处所公开的仅为示例，并不用以限定本发明的权利要求的范围。
依据本发明可提供集成于ASIC芯片的数字通用串行总线(USB)矩阵切换系统，而其所需的处理仅需要深次微米，例如只要求0.18μm以上的处理即可。
如图2A中所示，本发明公开了一种USB矩阵切换系统。图2A显示将m个USB装置给n个主机共享的ASIC芯片100的功能框图。
数字ASIC芯片100由下而上包含：(1)m个下物理层接收器(DP PHY；down physical layer receiver)(DP PHY1至DP PHYm)，以下如无特别指定时，将以DP PHY统称，其分别对应于m个USB装置(图中未示出)；(2)m个信号控制切换模块105；(3)n个集线器HUB1至HUBn，此后以集线器(HUB)统称；(4)n个上物理层接收器(UP PHY；UP physical layer receiver)(UP PHY1至UP PHYn)；及(5)信号撷取器(signal monitor)104，用以撷取使用者输入的热键输入命令信号。
DP PHY用于将接收到的串行信号(series signal)转换为并行信号(parallelsignals)，例如像是通用收发器宏单元接口(UTMI；USB transceiver macro-cellinterface)并行信号、随机存取内存(RAM)信号或者是少量管脚(LPC；lowpin count)并行信号。DP PHY会根据数据传输速度而工作于不同的差动电压上。不过，UTMI并行信号工作于相同的电压，例如3.3V。DP PHY将从对应的USB装置所接收到的并行信号转换为串行信号并且将这些串行信号传送到对应的信号控制切换模块105。另一方面，DP PHY将从对应的信号控制切换模块105所接收到的串行信号转为并行信号，再将并行信号传送给对应的USB装置。也就是，每个DP PHY连接于USB装置与信号控制切换模块105之间，并且在串行信号和并行信号之间作转换。UP PHY则是用于将从对应的集线器所接收到的并行信号转换为串行信号并将串行信号传送至对应的主机或将从对应主机接收到的串行信号转换为并行信号，再将并行信号传送到对应的集线器。换句话说，每一UP PHY连接于主机和集线器之间并且作并行信号和串行信号之间的转换。
每一信号控制切换模块105包含下传端口控制器(down stream portcontroller)105A、中断连接拟态器(disconnect emulator)105B及选择多任务器(select MUX)105C。下传端口控制器(down stream port controller)105A用于接收来自其下层对应DP PHY的并行信号。选择多任务器105C则依据信号撷取器104送出的热键输入控制信号104A内容将下传端口控制器105A内的并行信号切换至被选定的集线器。当没有信号转储(dump)于下传端口控制器105A时，中断连接拟态器105B就会模拟为其与下层DP PHY断线的状态，比如，其下层没有USB装置连接。每一信号控制切换模块105连接对应的DP PHY至所有集线器。
信号撷取器104拦截来自USB端口的特定信号并分析其下传端口的切换信号。可安排每一信号控制切换模块105有一个信号撷取器104或者所有的信号控制切换模块105共享一个信号撷取器104以拦截来自USB端口的特定信号。
中断连接拟态器105B附加于下传端口控制器(down stream portcontroller)105A，且在依据选择多任务器105C未选定对应USB装置时，其仿真主机与未被选定的下传端口处于中断连接的状态。该选择信号由使用者输入，然后由信号撷取器104所拦截以决定哪一个集线器会被选定，被选定的集线器会被连接于该下传端口。
选择信号有两个来源，一个是来自外部的切换电路，另一个则是来自信号撷取器104。例如，指定的下传端口指向即插即用的装置，比如HID键盘，并拦截到五个信号：Scroll(卷动)、Scroll、3、Insert、1，信号撷取器104将会指定下传端口3连接于集线器1。
请参考图2B，集线器则包含上层路由器118，数字中继器(digital repeater)112，传输转译器(TT；transaction translator)114、集线控制器116及下层路由器110。一一说明如下：相比较模拟式中继器只是提供高速主机对高速USB装置的绕道(bypass)功能，本发明的数字中继器112包含第一队列112A及第二队列112B。第一队列112A从上层路由器118撷取信号并以先进先出的方式传送至下层路由器110。相反地，第二队列112B用于从下层路由器110接收到的并行信号并将其传送到上层路由器118。
传输转译器114则用于使高速(high speed)主机对全速(full speed)或低速(low speed)的USB装置存取数据，以避免某一全速或低速的USB装置完全占据信道带宽。基本上，传输转译器114包含第一缓冲器114A及第二缓冲器114B。第一缓冲器114A用于使高速主机从上层路由器118经由下层路由器110传输数据到全速及/或低速USB装置。第二缓冲器114B用于使数据从全速及/或低速USB装置经由下层路由器110、上层路由器118传输到高速主机。在此，高速指的是符合USB 2.0规范最高的传输速率：480Mbps，全速指的是传输速率大约12Mbps。而低速则是指像鼠标、或键盘之类的装置，通常数据存取速率是15Mbps。
传输转译器114根据USB 2.0的规格设计。当高速主机从USB外围装置存取信号，且该USB为低速或全速时，传输转译器114作为缓冲装置，使该低速及全速的USB组件不会因此而占据整个高速通道的带宽。
图2C说明了当要预备高速主机对低速或全速的装置存取数据时，传输转译器114处理OUT符记(out token)及数据的示意图。说明如下：首先，主机送出SPLIT START符记以通知传输转译器114它的下传端口是目的地，并且OUT符记与其后的数据将会被递送至此。然后传输转译器114就会把OUT符记与其后的数据存在第一缓冲器114A。之后，在第一缓冲器114A的OUT符记与其后的数据再被递送到上述下传端口时，采用低速或全速方式。在递送期间，高速主机仍然有能力可以存取其它装置，比如高速装置或连接端口，而不需要等待或被中断。等一段时间后，主机会再送出1个SPLITCOMPLETE符记给传输转译器114以询问数据是否传送完毕。若第一缓冲器114A已空，传输转译器114就会送出一个下传端口响应的“ACK”(知道)信号给主机。否则，响应的信号将是“NYET”(还没有)信号。主机则仍可存取其它高速的装置，并如前述地再次传送SPLIT COMPLETE符记给传输转译器114以询问数据是否传送完毕，直到所有在传输转译器的第一缓冲器114A的数据已空。
上层路由器118包含一仲裁单元118A。请同时参考图2D，主机发出的请求信号(request signal)首先会经由对应的UP PHY转换为并行信号，这些并行信号再被上层路由器118复制三份并分别被送往数字中继器112、传输转译器114及集线控制器116。而数字中继器112、传输转译器114及集线控制器116中只有一个会响应仲裁单元118A，对于没有响应的，该数据分组会被丢弃。上层路由器118会记录数字中继器112、传输转译器114及集线控制器116三者中的回应者，再将该回应者的UP PHY通过数字中继器112、传输转译器114或集线控制器116与下层装置，即USB装置相连接。
当上层路由器118收到UP UTMI时，其将该UP UTMI复制三份并分别传送到数字中继器112、传输转译器114以及集线控制器。其中只有1个会回复上层路由器118。因此，上层路由器118将等候由USB装置发出送到仲裁单元118A的“Tx REQ”(transmitting request)信号，然后路由器响应UTMITx信号到上传UTMI。
请参考图2E，其显示上层的并行信号经下层路由器110传送的示意图。如前所述，每个下层路由器110有m个端点/端口1101至110m。并行信号被高速主机向下层传送时，上层路由器118会记录信号来源是来自于哪个高速主机。下层路由器110内的所有端点1101至110m会接收来自数字中继器112及传输转译器114的信号，如图2D所示。当集线器连接到低速或全速的USB装置时，下传端口控制器105A会告知USB装置的信息，因此只有通过传输转译器114的并行信号送往下层。相反地，当该USB装置是高速的装置时，下层路由器110会丢弃传输转译器114内的内容，而只将数字中继器112内的并行信号向该USB装置传送。
每一装置都可能自数字中继器112或传输转译器114接收UTMI Tx信号。下层路由器110将依据DP控制器105A通知的DP状态而决定接着的装置应该获得的信号，例如，从图2D所示，装置1通知下层路由器110该装置1属于高速。之后，下层路由器110将从数字中继器112传送Tx信号到装置1。装置n告知下层路由器该装置属于低速或全速。然后，下层路由器110将从传输转译器114传送Tx信号至装置n。
请参考图2F，其显示下层的并行信号经下层路由器110往上层传送的示意图。当下传端口105A中的并行信号往上传送且依据信号撷取器104所撷取的信号切换至选定的集线器时，被选定的集线器的下层路由器110会有端点记录是连接到的USB装置，未连接到USB装置的端点则会被断线仿真器仿真为断线状态。此外，不管USB装置是低速/全速或是高速USB装置的哪一种，该端点的并行信号都会向着数字中继器仲裁单元110A及传输转译器仲裁单元110B传送。
当下层路由器110接收到UTMI Rx信号时，下层路由器110会依照装置速度传送信号至数字中继器仲裁单元110A或传输转译器仲裁单元110B。无论是数字中继器仲裁单元110A或传输转译器仲裁单元110B，在接收到REQ信号之后将会再向上传送UTMI Rx信号。
当想要连接的USB装置是低速/全速装置时，该数字中继器仲裁单元110A会丢弃该并行信号，但传输转译器仲裁单元110B将会把该并行信号传给传输转译器114。
当想要连接的USB装置是高速装置时，该数字中继器仲裁单元110A会将该并行信号向着数字中继器112传送，而传输转译器仲裁单元110B会丢弃该并行信号。
以上所述利用优选实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围，而且本领域技术人员都能够明白，适当作些微的改变及调整，仍将失去本发明的本质技术特征，也不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多个主机共享多个通用串行总线装置的资源的通用串行总线矩阵切换系统，至少包含：
多个下物理层接收器，其一一对应于这些通用串行总线装置，用以将每一个通用串行总线装置送出的序列信号转换为并行信号；
多个上物理层接收器，其一一对应于这些主机；
多个集线器，其分别一一对应于这些上物理层接收器，每一集线器包含数字中继器、传输转译器、上层路由器及下层路由器，该下层路由器记录与该多个通用串行总线装置的已连接或未连接状态；
信号撷取器，以撷取使用者提供的控制信号；以及
多个信号控制切换模块，其分别一一对应于这些下物理层接收器，每一信号控制切换模块包含：
下传端口控制器；
断线仿真器，用以在该下传端口控制器没有数据时仿真断线状态；以及
选择多任务器，用以依据该控制信号将被选到的通用串行总线装置切换至这些集线器中的被选到的集线器。
2.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中上述每一个数字中继器包含第一队列及第二队列，该第一队列接收来自对应这些主机的一端的并行信号，并将其向这些通用串行总线装置的一端传送，该第二队列以高速度接收来自对应这些通用串行总线装置的一端的并行信号，并将其以高速度或全/低速度向对应的这些主机的一端传送并以全/低速度传送至这些主机的一端。
3.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其更包含集线控制器。
4.如权利要求3所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，该上层路由器位于每一集线器的最顶层，因此，当想要将来自其对应上物理层接收器的并行信号往下传送时，该上层路由器将复制三份副本并传送至该数字中继器、该传输转译器及该集线控制器，并等待三者的其中之一回应。
5.如权利要求3所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，该上层路由器包含仲裁单元，以从该数字中继器、传输转译器及集线控制器中决定一回应者，并将该回应者和对应上物理层接收器连接。
6.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，该下层路由器包含m个端点以记录与这些通用串行总线装置为已连接或未连接状态。
7.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，每一该选择多任务器与该信号撷取器耦接。
8.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，这些下物理层接收器、信号撷取器、信号控制切换模块、多个集线器、多个上物理层接收器都形成于专用集成电路芯片内。
9.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中，上述并行信号为通用收发器宏单元接口信号或少量管脚并行信号。
10.如权利要求1所述的通用串行总线矩阵切换系统，其中该控制信号被产生于当使用者按下热键时。
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