CN118076949A - 用于检测和改变链路速度的自动usb3集线器 - Google Patents

Abstract

一种USB控制方法，包括：对USB连接所遇到的错误进行计数；将所计数错误数量与设定时间范围内的错误计数阈值进行比较(404)；识别用于USB连接的端口速度配置(408)；以及将用于USB连接的端口速度配置改变为比所识别的端口速度配置更慢的端口速度配置(414)。

Description

用于检测和改变链路速度的自动USB3集线器

相关专利申请

本申请要求2022年3月11日提交的共同拥有的美国专利申请63/319,002号的优先权，该专利申请的全部内容据此以引用方式并入以用于所有目的。

技术领域

本申请涉及USB3链路操作，且具体来说，涉及用于检测边缘USB3链路操作且改变链路连接速度以改善总体性能的系统及方法。

背景技术

通用串行总线(USB)1.0规范最初是在20世纪90年代开发的，以提供总线和接口使计算机和外围设备(例如键盘、打印机、光标定位设备、外部驱动器等)之间的通信标准化。USB 1.0支持高达1.5Mbps的速度，而USB 1.1支持高达12Mbps的速度。从那时起，USB已经发展到2.0版本和3.0版本，并且在电脑以及便携式设备(诸如智能电话、平板电脑和MP3播放器)中变得无处不在。USB 2.0支持高达480Mbps的速度。后来，USB 3.0成为通用标准并且支持高达5Gbps的速度。USB 3.0和/或USB 3.1具有Gen 1和Gen 2能力。USB 3.1Gen 1和USB3.1Gen 2之间的区别仅在于速度。USB 3.1Gen 1支持高达5Gbps的速度，而USB 3.1Gen 2支持高达10Gbps的速度。再后来，USB 3.2成为通用标准。类似地，USB 3.2Gen 1和USB 3.2Gen2之间的差别仅在于速度。USB 3.2Gen 1支持高达5Gbps的速度，而USB 3.2Gen 2支持高达10Gbps的速度。

一般来说，在USB通信中，主机是限定的，而另一外围设备充当经由总线连接到主机的设备。主机给总线供电，发出命令，并且通常保持对连接的控制。外围设备通常不发起任何活动来控制总线。例如，个人计算机充当USB″拇指驱动器″设备的主机。USB集线器是这样的设备：该设备将单个USB端口扩展为若干USB端口，使得存在可用于将设备连接到主机的更多端口。

为了帮助实现更薄和更整洁的产品设计、增强可用性并且为未来版本的USB提供性能增强的提升路径，已经开发USB C型连接器。C型连接器建立在现有USB 3.1和USB 2.0技术上。USB C型是具有旋转对称连接的24引脚USB连接器系统。型号C仅指连接器的物理配置或形状因素，并且不应与连接器的特定能力混淆，而该特定能力由连接器的传输规范指定。

当USB设备经由USB缆线连接方式连接到主机时，有时遇到糟糕通信质量。当前的USB规范没有为糟糕连接质量提供解决方案，并且假设USB设备和主机减轻数据丢失问题。当前的USB设备、主机和集线器几乎不能解决糟糕数据传输。具体来说，当前的USB规范没有设想USB集线器在错误检测和减轻中起积极作用。目前不存在机制，并且在当前可用的USB集线器中尚未观察到这种类型的功能。

需要如下USB集线器、主机或设备：可自动检测USB连接中的显著或关键数据丢失且采取校正动作，因此可减小对最终用户的影响。

发明内容

一种装置包括非暂态机器可读介质，该非暂态机器可读介质包括指令。该指令在由处理器加载和执行时使处理器执行自动USB集线器糟糕链路质量检测和速度回退。USB主机可迫使个别USB集线器端口达到指定USB速度(即，由于在以Gen2速度操作时检测到过多错误而迫使以Gen2速度操作的USB端口切换到Gen1速度)。

根据一个方面，提供一种方法，包括：对USB连接所遇到的错误进行计数；将所计数错误数量与设定时间范围内的错误计数阈值进行比较；识别用于USB连接的端口速度配置；和将用于USB连接的端口速度配置改变为比所识别的端口速度配置更慢的端口速度配置。

又一方面提供一种装置，其具有：连接检测器电路，其对以初始速度操作的USB连接所遭遇的错误进行计数，将所计数错误数量与预设错误阈值数量进行比较；以及控制电路，其将USB连接的端口速度配置改变为比初始速度慢的速度。

根据另一方面，提供一种系统，该系统具有：USB集线器，其具有上游端口、下游端口以及与上游端口和下游端口进行电通信的开关；USB设备，其经由第二USB连接与下游端口进行电通信；连接检测器电路，其对第一或第二USB连接所遇到的错误进行计数，将所计数的错误数量与预设错误阈值数量进行比较，并且识别用于第一或第二USB连接的端口速度配置；以及控制电路，其将第一或第二USB连接的端口速度配置改变为较慢速度。

附图说明

附图示出示例流程和系统，该流程和系统用于检测边缘USB3链路操作和调节连接速度以改善总体性能并防止断开连接。可以为每个端口实现各种错误计数器，并且当计数器超过配置的阈值时，可以采取特定动作来调节连接速度。

图1是示出包括USB集线器、USB主机和USB设备的示例USB环境的示图，其中USB集线器具有连接检测器电路和速度电路。

图2示出用于图1的连接检测器和速度电路的流程图算法，通过该算法，USB集线器可以检测糟糕质量的USB连接并调节该连接以改善性能。

图3是示出包括集线器、USB主机和USB设备的示例USB环境的示图，其中USB主机具有连接检测器电路且USB集线器具有速度电路。

图4示出用于图3的连接检测器和速度电路的流程图算法，通过该算法，USB主机可以检测糟糕质量的USB连接并节制该连接以改善性能。

图5是示出包括集线器、USB主机和USB设备的示例USB环境的示图，其中USB设备具有连接检测器电路并且USB集线器具有速度电路。

图6示出用于图5的连接检测器和速度电路的流程图算法，通过该算法，USB设备可以检测糟糕质量的USB连接且速度电路可以调节该连接以改善性能。

图7示出连接检测电路的软件实现方式的示意图。

图8示出用于检测糟糕质量的USB连接并调节该连接以改善性能的示意图，包括连接检测电路和速度电路。

出现在多个不同附图中的任何所示元件的参考标号在多个附图中具有相同含义，并且本文在任何特定附图的上下文中对任何所示元件的提及或讨论也适用于其中示出相同所示元件的每个其他附图(如果有的话)。

具体实施方式

在本文描述用于糟糕链路质量检测和速度回退的自动USB主机、自动USB集线器和自动USB设备。当用户将USB设备插入到USB主机或USB集线器时进行自动连接，并且根据策略设置来配置端口和速度。此外，自动USB主机、自动USB集线器及自动USB设备可通过如下方式用于具有C型功能的USB3接口中：为每一端口实施各种错误计数器，且在计数器超过经配置阈值时采取特定动作来调节连接速度。例如，USB集线器可以允许质量糟糕的设备或与质量糟糕的缆线连接的设备以低信号速率操作，以便防止完全故障。USB集线器可以微调功能以满足定制规范。USB集线器可以与USB设备和缆线兼容以一起操作。当然，USB集线器功能可用USB集线器的固件来实施且可不具有新硬件设计，但硬件实施方式是可以的且减少固件方面的负担且改善可靠性。

一个方面可以允许质量糟糕的设备或与质量糟糕的缆线连接的设备以低信号速率操作，以便防止完全故障。糟糕质量是指在给定时间段内传输速率的错误量超过阈值。USB集线器可以微调功能以满足主机/集线器/设备环境的规范/需要。仅不以设定信号速率工作的设备加缆线可被配置为以较慢的信号速率与如本文所公开的连接检测器电路一起操作。示例可以在主机、集线器或设备的固件内实现，并且可以不具有新硬件设计。替代地，在用硬件实施的情况下，硬件实施方式还可减少固件开发的负担，且改善可靠性。

当USB设备经由USB缆线连接进行连接时，有时遇到糟糕通信质量。例如，USB3.2设备——即满足由USB实现者论坛(USB-IF)发布的USB3.2标准的设备——可以用低质量USB缆线连接到USB集线器端口。更具体地，USB3 Gen2设备利用低质量缆线支持10 Gbit/秒，USB3 Gen1端口支持5Gbit/秒，当该设备连接到USB3 Gen1端口时，可具有比相同设备和缆线更低的总数据吞吐量。糟糕数据通信也可发生在USB集线器上游端口上，例如在USB集线器与USB主机之间，从而导致到下游端口上的所有设备的连接变差。在这种情况下，可存在三种可能的数据丢失情况：(1)偶尔损坏分组的最小到中等的数据丢失；(2)频繁损坏分组和恢复发起USB3链路的显著数据丢失；或(3)关键数据丢失，其中三个分组连续失效。普通用户将不可能注意到最小到中等数据丢失的第一场景。然而，普通用户将可能注意到第二场景，因为总数据吞吐量将低得多。在第三场景中，普通用户将肯定注意到连接问题，因为USB主机将可能通过关闭USB设备来采取动作。

可经由各种基于固件或硬件的错误计数器来对糟糕质量USB连接实施检测。所计数的错误类型可包括：链路恢复条目数量；接收的热复位的数量；检测的重试数量；和接收的LBAD(链路糟糕)链路命令的数量。例如，对于这些类型错误中的任一种，如果在一秒内计数到十五个错误，则可确定USB连接为糟糕质量。终端系统积分器可配置的参数可以包括：对错误类型的掩码操作；错误计数器阈值(每种错误类型1个)，其中用户可以设置阈值来定义″过量″意味着什么；模式选择：无限错误计数持续模式或滚动窗口模式；和滚动窗口定时。阈值用于检测指示糟糕质量USB连接的错误条件，可基于单一错误类型，或其可基于错误类型的组合，且其还可基于每单位时间计数的错误数量。对于组合示例，可针对第一错误类型预设阈值且可针对第二错误类型设定另一阈值，且将在将USB连接的质量确定为糟糕之前满足这两个阈值。可以在端口中运行新的硬件或USB设备以实现错误计数器。连接质量可以由USB集线器、USB主机或USB设备检测/调节。

转向附图，并且特别注意图1，示出示图，其示出根据示例的示例USB集线器环境。如图所示，系统100包括USB集线器102、USB主机112和USB设备114。USB集线器102具有上游端口108和四个下游端口110a、110b、110c、110d。交换式集线器104在下游端口110a、110b、110c、110d之间进行切换。控制电路105用于接收和处理一个或多个USB端口上的信号并控制交换式集线器104。控制电路105可以通过在单个设备中或分布在若干设备上的如下项来实施：由处理器执行的在介质中的指令、函数、库调用、子程序、共享库、软件即服务、模拟电路、数字电路、控制逻辑、通过硬件描述语言编程的数字逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)或其任何合适组合，或任何其他合适机制。连接检测器电路106检测每单位时间的错误并识别端口速度。速度电路103将端口改变为较慢速度配置。连接检测器电路106及速度电路103均可以通过在单个设备中或分布在若干设备上的如下项来实施：由处理器执行的在介质中的指令、函数、库调用、子程序、共享库、软件即服务、模拟电路、数字电路、控制逻辑、通过硬件描述语言编程的数字逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)或其任何合适组合，或任何其他合适机制。

如本文所述，如果USB集线器102经修改为包括连接检测器电路106和速度电路103，则该USB集线器可以实现为可从亚利桑那州钱德勒市美国微芯科技公司(MicrochipTechnology Incorporated，Chandler，Arizona)获得的USB46x4集线器。在此图示中，USB主机112经由缆线109连接到USB集线器102。USB设备114还可以经由下游端口110a、110b、110c、110d中的一个而连接到集线器102，其中C型连接器可以用于该连接。在图1中，USB集线器102具有连接检测器电路106，其包括基于硬件固件或这两者的错误计数器以调节连接。连接检测器电路106可以通过在单个设备中或分布在若干设备上的如下项来实施：由处理器执行的在介质中的指令、函数、库调用、子程序、共享库、软件即服务、模拟电路、数字电路、控制逻辑、通过硬件描述语言编程的数字逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)或其任何合适组合，或任何其他合适机制。

图2示出用于图1的连接检测器电路106的流程图算法，通过该算法，USB集线器102检测糟糕质量的USB连接并调节该连接以改善性能。在这种情况下，USB集线器102监测通过上游端口108和缆线109以及下游端口110a-110d的USB连接，并且检查这些连接是到USB主机，还是到USB设备。该算法开始于清除202所有错误计数器。然后对错误进行计数204，并且确定错误计数是否已经在设定的时间范围内超过错误计数阈值。如果在设定时间范围内没有超过错误计数器阈值，则算法等待206，清除202错误计数器，并且在新设定时间范围内再次开始另一次错误计数204。如果在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则算法接下来确定在设定时间范围内超过错误计数器阈值的用于连接的端口速度208：例如，USB3.2Gen2(10G)或USB3.2Gen1(5G)。在这两种情况下，算法接下来确定210A和210B端口类型：(1)上游(例如，到USB主机112的连接)；或(2)下游(例如，到USB设备114的连接)。如果配置为USB3.2Gen2(10G)速度的上游端口上在设定时间范围204内超过错误计数器阈值(这可指示糟糕连接)，则连接检测器电路106或控制电路105或两者临时断开212上游端口USB3接口且在掩蔽Gen2能力下重新连接，从而实施较低数据速度，即USB3 Gen1吞吐率。此动作使得通过USB主机112的相应动作，将上游连接降级级到USB3 Gen 1(5G)端口速度连接。如果在配置为USB3Gen 1(5g)速度的上游端口(例如，到USB主机112的连接)上检测到其中在设定时间范围内超过错误计数器阈值的端口，则连接检测器电路106断开214上游端口USB3接口，并且向附接有USB3设备的所有下游端口发出USB3热复位，且然后断开/停用所有下游USB3接口。此动作使得下游连接重新配置为USB2。如果其中在设定时间范围内超过错误计数器阈值的端口是配置为USB3.2Gen2(10G)速度的下游端口，则连接检测器电路106或控制电路105或两者向下游端口发出软件复位216，并掩蔽Gen2能力位，且然后重新连接掩蔽Gen2能力位的端口。此动作使得连接重新配置为USB3 Gen1(5G)速度。如果其中在设定时间范围内超过错误计数器阈值的端口是在配置为USB3.2 Gen1(5G)速度的下游端口上，则连接检测器电路106或控制电路105或两者向该端口发出热复位，并且断开/停用USB3接口。此动作使得连接重新配置为USB2速度。

对于USB集线器进行的连接质量检测，当错误计数在设定时间范围内上升到特定阈值以上时，可开始表1中所提供的例程中的一者或多者。

表1

此功能可以在USB集线器的固件或硬件中实施。

图3示出类似于图1所示环境的示例USB集线器环境的示图，不同之处在于连接检测器电路106和速度电路103在USB主机112中。USB主机112具有连接检测器电路106，其可包括基于硬件或固件或两者的错误计数器以确定吞吐率的质量，且速度电路103可包括用于调节连接的硬件或固件或两者。USB主机112经由缆线109通过上游端口108连接到集线器102。在一个示例中，连接检测器电路106可以在USB主机112中并且速度电路103可以在USB集线器102中。在一个示例中，连接检测器电路106可以在USB集线器102中并且速度电路103可以在USB主机112中。

图4示出用于图3的连接检测器电路106的流程图算法，通过该算法，USB主机112检测糟糕质量的USB连接(缆线109和上游端口108)并调节该连接以改善性能。连接检测器电路106通过清除402所有错误计数器而开始。然后对错误进行计数404，并且确定错误计数是否已经在设定的时间范围内超过错误计数阈值。如果在设定时间范围内没有超过错误计数器阈值，则算法等待406，清除错误计数器402，并且在设定时间范围内(即，在下一设定时间范围内)开始另一次错误计数404。如果在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则算法接下来确定408用于连接的端口速度：USB3.2Gen2(10G)或USB3.2Gen1(5G)。如果对于USB连接109而言，在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则速度电路103的算法配置为USB3 Gen2(10G)速度，其中速度电路103向端口发出USB3热复位且在掩蔽Gen2能力位下重新连接。此动作使得连接重新配置为USB3 Gen1(5G)速度。如果对于配置为USB3.2Gen1(5G)速度的USB连接109而言，在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则速度电路103向端口发出USB3热复位414，并且断开/停用USB3接口。此动作使得连接重新配置为USB2速度，因为已经断开/停用USB3能力。

对于USB主机进行的连接质量检测，当错误计数在设定时间范围内上升到特定阈值以上时，可开始表2中所提供的例程中的一个或多个。

表2

此功能可以在USB主机的固件或硬件中实施。

图5示出示图，其中连接检测器电路106在示例USB集线器环境中的USB设备114中。如图所示，系统100包括集线器102、一个或多个控制电路105、USB主机112和USB设备114，其中多个USB设备114可以经由下游端口110a-110d连接到集线器102。USB设备114具有连接检测器电路106，其包括基于硬件或固件或这两者的错误计数器，以及调节连接的速度电路103。

图6示出用于图5的连接检测器电路106和速度电路103的流程图算法，通过该算法，USB设备114检测糟糕质量的USB连接并调节该连接以改善性能。在这种情况下，USB设备114监测USB连接。连接检测器电路106通过清除602所有错误计数器而开始。然后对错误进行计数604，并且确定错误计数是否已经在设定的时间范围内超过错误计数阈值。如果在设定时间范围内没超过错误计数器阈值，则算法等待606，清除错误计数器602，并且在设定时间范围(即后续实例的设定时间范围)内开始另一次计数604错误。如果在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则算法接下来确定608用于连接的端口速度：USB3 Gen2(10G)或USB3Gen1(5G)。如果在USB连接配置为USB3.2Gen2(10G)速度下在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则速度电路103临时断开612USB3接口，并且在掩蔽的Gen2能力位下重新连接。此动作使得连接降级到USB3 Gen 1(5G)端口速度连接。如果在USB连接配置为USB3.2Gen 1(5g)速度下在设定时间范围内超过错误计数器阈值，则速度电路103断开/停用614USB3接口并向端口发出USB3热复位。此动作使得连接重新配置为USB2。

对于USB设备进行的连接质量检测，当错误计数在设定时间范围内上升到特定阈值以上时，可开始表3中所提供的例程中的一个或多个。

表3

此功能可以在USB设备114的固件或硬件中实施。

如本文中所公开的连接检测器106或速度电路103可实施于经设计用于汽车工业的USB3集线器、USB主机及USB设备中，具体来说，该汽车工业几乎普遍采用具有USB电力递送的USB C型端口。

图7示出连接检测器和速度电路706的示意图，该连接检测器和速度电路可以是连接检测器电路106或速度电路103的示例。见图1、3和5。连接检测器和速度电路706的此示例具有处理器702和包含指令708的非暂时性机器可读介质704。指令708在由处理器702加载和执行时使处理器702执行自动USB集线器糟糕链路质量检测和速度回退。指令包括：对USB连接所遇到的错误进行计数；将计数的错误数量与预设的错误阈值数量进行比较；识别用于USB连接的端口速度配置；和将用于USB连接的端口速度配置改变为较慢速度。也可以将这些功能编程为由速度电路103执行。见图1、3和5。

图8示出用于检测糟糕质量的连接并调节该连接以改善性能的示意图，包括连接检测电路806和速度电路803。

尽管上文已描述了示例，但在不脱离这些所公开的示例的精神和范围的情况下，根据本公开可做出其他变型和示例。

Claims (18)

1.一种方法，包括：

对USB连接所遇到的错误进行计数；

将所计数的错误数量与设定时间范围内的错误计数阈值进行比较；

识别用于所述USB连接的端口速度配置；以及

将用于所述USB连接的所述端口速度配置改变为比所述识别的端口速度配置更慢的端口速度配置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述计数错误包括计数选自以下的两种或更多种类型的错误：链路恢复条目、接收的热复位、检测的重试以及接收的链路糟糕命令。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述比较包括将用于所述两种或更多种类型错误的所计数的错误的相应数量与用于所述两种或更多种类型错误的相应错误计数阈值进行比较。

4.根据权利要求1所述的方法，其中识别用于所述USB连接的端口速度配置包括识别从10 Gbps和5Gbps中选择的端口速度配置。

5.根据权利要求1所述的方法，包括确定所述USB连接是通过上游端口，还是通过下游端口。

6.根据权利要求1或权利要求5所述的方法，其中将所述USB连接的所述端口速度改变为更慢的速度包括从10 Gbps改变为5Gbps。

7.根据权利要求1或权利要求5所述的方法，其中将所述USB连接的所述端口速度改变为更慢的速度包括从5Gbps改变为480Mbps。

8.一种装置，包括：

连接检测器电路，其中所述连接检测器电路对USB连接所遇到的错误进行计数，其中所述连接检测器电路将所计数的错误数量与设定时间范围内的错误计数阈值进行比较，其中所述连接检测器电路识别用于所述USB连接的端口速度配置；和

速度电路，所述速度电路将所述USB连接的所述端口速度配置改变为比所述识别的端口速度配置更慢的端口速度配置。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述连接检测器电路计数选自以下的两种或更多种类型错误：链路恢复条目、接收的热复位、检测的重试以及接收的链路糟糕命令。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述连接检测器电路将用于所述两种或更多种类型错误的所计数的错误的相应数量与用于所述两种或更多种类型错误的相应错误计数阈值进行比较。

11.根据权利要求8所述的装置，其中所述连接检测器电路识别从10Gbps和5Gbps中选择的用于所述USB连接的端口速度配置。

12.根据权利要求8所述的装置，其中连接检测器电路确定所述USB连接是通过上游端口，还是通过下游端口。

13.根据权利要求8或权利要求12所述的装置，其中所述速度电路将所述USB连接的所述端口速度从10Gbps降低到5Gbps。

14.根据权利要求8或权利要求12所述的装置，其中所述控制电路将所述USB连接的所述端口速度从5Gbps降低到480Mbps。

15.一种系统，包括：

USB集线器，所述USB集线器包括上游端口、至少一个下游端口以及与所述上游端口和所述至少一个下游端口电通信的开关，

USB主机，所述USB主机经由第一USB连接与所述USB集线器上游端口电通信；

USB设备，所述USB设备经由第二USB连接与所述至少一个USB集线器下游端口电通信；

连接检测器电路，其中所述连接检测器电路对所述第一USB连接或所述第二USB连接所遇到的错误进行计数，其中所述连接检测器电路将所计数的错误数量与设定时间范围内的错误计数阈值进行比较，其中所述连接检测器电路识别用于所述第一USB连接或所述第二USB连接的端口速度配置；和

速度电路，所述速度电路响应于所述计数的错误数量在所述设定时间范围内大于所述错误计数阈值，将所述第一USB连接或所述第二USB连接的所述端口速度配置改变为比所述识别的端口速度配置慢的端口速度配置。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述USB集线器包括所述连接检测器电路。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述USB主机包括所述连接检测器电路。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述USB设备包括所述连接检测器电路。