USB技术的开发面临着独特的挑战，主要原因是需要在受限的设备尺寸内实现稳定互连、高速度和电源管理。各种器件兼容性问题、各异的数据传输速度以及对低延迟和低功耗的要求，给工程师带来了更多压力，他们需要在严格的技术限制范围内进行创新。工程师必须将USB功能集成到越来越小的模块中，并在功能与设计限制之间取得平衡。
本文总结了业界用于高性能 USB 3 设备的一些典型解决方案，并介绍了一种新的架构，这种架构既能节省功耗和面积，又能提高灵活性和易用性。
莱迪思最近发布了一款带有原生USB 3.2 Gen 1的新FPGA系列，名为莱迪思CrossLinkU™-NX。除了产品数据表之外，本文还将详细介绍该器件。CrossLinkU-NX器件的一些突出特性如下：
在过去的几年中，tinyVision.ai与莱迪思半导体密切合作，开发出一套完整的USB解决方案，将先进的FPGA技术与模块化、高性能的USB功能集成在一起。这种合作使tinyVision能够利用莱迪思的CrossLinkU-NX FPGA平台，推动USB设计的高效化、可扩展性和灵活性。这种包括硬件、RTL和固件在内的完整解决方案对客户帮助很大，除了参考应用说明，他们还可以根据自己的要求进行修改。
通过结合tinyVision在固件和模块化硬件设计方面的优势和莱迪思尖端的FPGA功能，这项合作带来了一种创新的解决方案，重新定义了现代嵌入式系统和多媒体应用的USB互连。
工业摄像头需要高效的桥接功能
如今，低速或高速USB解决方案在许多带宽要求受限的设备中十分常见，在许多低端微控制器中也有很多应用。但是，如果要为工业摄像头、软件无线电等应用传输大量数据，则需要使用USB SuperSpeed。
在工业摄像头、手持超声波、逻辑分析仪和软件无线电等大量应用中，FPGA通常用作信号采集和处理前端。为了与USB 3通信，FPGA通常与USB桥接芯片相连。
图 1. 一个采用FPGA和USB3桥接芯片的典型USB3外设
FPGA与桥接芯片之间的接口通常是并行FIFO接口。桥接芯片就是简单的数据泵，无法接触数据流本身。它们通常能够添加头/脚，以符合协议要求。ISP（图像信号处理器）所需的各种摄像头相关功能（如AEC、AGC、AWB、伽马、镜头校正等）的信号处理任务则由FPGA完成。
颠覆USB设计的器件
CrossLinkU-NX的重要之处在于它将通常配对使用的两个芯片：FPGA和USB 3接口合并为一个器件。
图 2. 使用莱迪思CrossLinkU-NX器件改进后的系统架构
与市场上其他同类USB 3桥接器解决方案相比，其优势在于占用面积更小、功耗更低、BoM成本更低、制造成本更低、且只需掌握和管理一个工具链。UVC层的线路速率为5 Gbps，实测吞吐量为3.4 Gbps，为高分辨率、高帧速率和多摄像头系统提供了充足的带宽。
从架构上讲，数据FIFO可以拉入FPGA。这种灵活的架构可以实现之前无法实现的潜在新应用（例如，现在可以在设计人员的控制下为各种外设分配USB端点，而不是由芯片供应商来规定有限的数量）。例如，这样就能轻松支持多个摄像头数据流。
此外，由于部件数量大大减少（供应链问题也减少了），加上直连传感器接口，无需在电路板上布设大量的FIFO线，也无需芯片间控制信号，因此极大简化了电路板设计。
图 3. 基于CrossLinkU-NX FPGA的USB器件概念框图
tinyVision.ai的创新方法
tinyVision的解决方案由以下部分组成：
SoM（系统模组）用于快速原型设计，并可直接投入生产
围绕USB硬核IP构建的精简RTL，可最大限度地提高USB带宽和效率
该IP的Zephyr RTOS驱动可简化复杂的USB协议
工具流程和完整的参考设计，为开发人员提供了良好的设计起点
提供从驱动开发到完整产品开发的设计服务，为客户提供支持
图 4. tinyVision.ai tinyCLUNX33 SoM MIPI-UVC转换器
模块化硬件和固件架构支持可互换组件，团队只需少量工作就能为其产品添加USB功能。
SoM硬件支持USB 3.2 Gen1，确保高速数据和低功耗，适合尺寸有限的设计。由于采用Syzygy标准，各种适配器板均可使用，实现快速原型开发。
在Zephyr RTOS的基础上，tinyVision开发了一种“USB作为API”的方法，实现了零配置USB API，自动生成符合要求的USB描述符。这就实现了USB的无缝集成，使开发人员能够像处理其他API请求一样处理USB调用。除了这一重大简化之外，tinyVision始终坚持开源开发，包括在开源项目中不断优化其USB 3驱动并积极参与开发Zephyr的UVC（USB视频类）驱动，这对视频流非常重要。
SoM有着丰富的IP套件支持，包括USB IP和SRAM控制器，这些IP已在该平台上进行了测试，可简化集成。
tinyVisional还利用StreamLogic技术提供了一套图像和音频处理IP。该IP套件支持低延迟流处理，是视频流和音频播放等实时应用的理想选择，可在USB设备中实现高级多媒体功能。
图 5. 使用Streamlogic无代码图形设计工具的完整图像处理流水线示例。还提供音频和神经网络IP
全新USB器件架构的七大优势
1. 与典型的FPGA + 专用USB3 FIFO芯片相比功耗更低
2. USB 3带宽 + 高性能信号处理：USB解决方案能够有效利用USB3物理层的全部带宽，在UVC层提供3.4Gbps的持续数据速率。FPGA还拥有大量片上计算资源，不仅能实现ISP，还能实现物体检测/跟踪等高级功能。
3. 小尺寸：采用3.1毫米 x 7.4毫米的微型CSP封装，可实现超小尺寸的设备。
4. 可编程灵活性：传统FPGA + 桥接芯片的数据流架构非常受限。通过在FPGA架构中集成USB内核，可以实现更多数据通路。
5. 强大的固件和IP支持：tinyVision的Zephyr端口为用户提供了一个工业级的现代化RTOS，它拥有一个庞大的开源驱动库和一个广泛而乐于助人的社区。StreamLogic技术以及MIPI-UVC和SRAM控制器IP可助力快速开发。
6. 增强的安全功能：位文件加密以及其他业界领先的安全功能可确保客户设计的安全。
7. 更快上市：由于设计中最复杂的部分已经与RTL和Zephyr参考设计一起经过了验证，因此采用SoM的方法可以加快产品上市。
采用该解决方案的客户
Constructive Realities公司从事空间数据的数字化和组织工作。他们正在开发一种定制的3D视觉系统，该系统包括了一个共定位的飞行时间（ToF）和RGB摄像头，以及在一个小型ARM SBC上运行的空间跟踪和重建功能。该解决方案要求小尺寸、电池供电和低成本。
ToF处理非常复杂，需要主机提供大量存储带宽和计算能力，因此应用处理器需要处理视觉流水线的方方面面。默认的解决方案是使用FPGA来管理RGB和ToF传感器及数据处理，并使用FIFO-USB 3芯片（如Cypress或 FTDI的芯片组）通过USB将数据流式传输给最终用户。
通过取消FTDI/Cypress桥接芯片及其支持电路（桥接芯片、存储器、电源和其他无源器件）来节省功耗并显著降低BoM复杂性。
tinyVision UVC解决方案提供的灵活性可加快开发工作，它可以将两个传感器的原始MIPI数据直接发送给开发原始算法的主机。随后，我们的客户将计算成本高昂的ToF算法移植到SoM上，使用现成的部件来降低连接系统上的计算要求。
Zephyr因其模块化、占用空间小和强大的社区支持而成为解决方案的关键部分。该SoM将成为其最终产品的一部分，只需投入极少的资金开发一个内插卡，即可承载SoM、电源、IMU和2个图像传感器。
实现可靠、高效和安全的USB连接
tinyVision与莱迪思半导体的合作开发了以CrossLinkU-NX FPGA为核心的革命性USB设备解决方案。它结合了USB 3.2、先进的FPGA功能以及Zephyr RTOS提供的全面固件支持，带来了一个小尺寸、低功耗和高度灵活的平台。
该解决方案大大简化了USB器件的开发，同时降低了成本，缩短了上市时间，是工业摄像头、医疗设备等各种应用的理想之选。这些应用得益于该解决方案的灵活性、可扩展性和高性能，能在关键任务系统中实现可靠、高效和安全的USB连接。
无论是用于实时数据处理、多媒体还是嵌入式系统，tinyVision的技术都能支持这些不同领域的复杂要求。
这些来自tinyVision的革命性USB解决方案将在12月10日至11日举行的莱迪思2024年开发者大会上参与展示。通过注册参与莱迪思开发者大会，您将获得向经验丰富的FPGA专家学习的机会，并体验来自多个行业的合作伙伴提供的超过75项创新技术演示。
了解有关tinyVision的USB解决方案和服务的更多信息，请发送电子邮件至：sales@tinyvision.ai并访问网站www.tinyvision.ai 。
了解更多有关莱迪思CrossLinkU-NX FPGA以及莱迪思如何帮助您加快基于USB的设计开发，请联系莱迪思团队。
我们将凭借久经考验的专业知识和创新技术帮助您加快USB器件的开发。
