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THine Electronics于2023年7月推出了新型串行收發(fā)器IC（SerDes收發(fā)器IC）產(chǎn)品「THCS253/THCS254」。 新產(chǎn)品的名稱是「IOHA:B」（發(fā)音為I-O-Hab）。
本篇是解說(shuō)這一新產(chǎn)品的后篇。前篇中，除新產(chǎn)品的特征以外，也介紹了與原有產(chǎn)品「THCS251/THCS252」的變化--「對(duì)應(yīng)GPIO（通用輸入輸出）與I2C」的內(nèi)容，解說(shuō)了對(duì)用戶有利之處。后篇會(huì)更詳細(xì)解說(shuō)這一變化，并會(huì)介紹另一個(gè)變化--「導(dǎo)入同步/非同步模式」。
本篇是解說(shuō)這一新產(chǎn)品的后篇。前篇中，除新產(chǎn)品的特征以外，也介紹了與原有產(chǎn)品「THCS251/THCS252」的變化--「對(duì)應(yīng)GPIO（通用輸入輸出）與I2C」的內(nèi)容，解說(shuō)了對(duì)用戶有利之處。后篇會(huì)更詳細(xì)解說(shuō)這一變化，并會(huì)介紹另一個(gè)變化--「導(dǎo)入同步/非同步模式」。
任意定制I/O
這次的新產(chǎn)品THCS253/THCS254其基本功能是將原本通過(guò)多條信號(hào)線傳輸?shù)牟⒙?lián)傳輸改為僅通過(guò)2對(duì)差動(dòng)線進(jìn)行的串聯(lián)傳輸。使用此新產(chǎn)品，能將34條信號(hào)線減少為4條，削減率高達(dá)88％。且在減輕配線線纜重量的同時(shí)還能延長(zhǎng)傳輸距離。正如前篇所述，對(duì)用戶有利之處有很多。
但這一基本功能與原有產(chǎn)品THCS251/THCS252是完全一樣的，并沒(méi)有創(chuàng)新。新產(chǎn)品在繼承了原有產(chǎn)品的這一功能外，還增加了2大變化。這就是開(kāi)頭介紹的在GPIO以外還對(duì)應(yīng)I2C；以及導(dǎo)入同步/非同步模式。
首先詳細(xì)解說(shuō)一下第1個(gè)變化--在GPIO以外還對(duì)應(yīng)I2C。這一變化內(nèi)容在前篇中也已簡(jiǎn)單介紹過(guò)。也就是在集成多個(gè)GPIO以外，還能集成一或兩個(gè)系統(tǒng)的I2C進(jìn)行串聯(lián)傳輸。這為用戶提供了很大的優(yōu)勢(shì)。為什么呢？因?yàn)槭褂肐2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器，就能靈活定制I/O（輸入輸出接口）部分。
以下是具體說(shuō)明。在電子設(shè)備上使用新產(chǎn)品THCS253/THCS254時(shí)，準(zhǔn)備兩片相同芯片（IC），用PSSEL端子將其中一片指定為主芯片，另一片作為副芯片。能使用的GPIO線數(shù)為T(mén)HCS253最多32根、THCS254最多20根。例如THCS253默認(rèn)設(shè)定為GPI（通用輸入）為16根、GPO（通用輸出）也為16根的端子構(gòu)造(圖1)。
這些GPI與GPO的線數(shù)可由用戶任意設(shè)定。因?yàn)橹灰ㄟ^(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器后，就能為每個(gè)端子指定GPI或GPO。圖2是具體案例（將各端子分配至GPIO與 I2S、SPI、UART的輸入/輸出上的案例）。
原有產(chǎn)品THCS251/THCS252的GPI與GPO線數(shù)也能由客戶指定，但這些線數(shù)比率最多也就只能分4階段選擇。也就是說(shuō)定制I/O部件的自由度要比新產(chǎn)品低。
除了設(shè)計(jì)對(duì)象的電子設(shè)備需要進(jìn)行追加新功能等緊急設(shè)計(jì)變更的情況以外，在為將來(lái)的機(jī)型轉(zhuǎn)換或?yàn)榉奖阕芳庸δ芏鴮で髽?biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)，I/O部件的定制也能發(fā)揮極大的效果。一般來(lái)說(shuō)需要設(shè)計(jì)變更或機(jī)型轉(zhuǎn)換、功能追加等，需要為了實(shí)現(xiàn)新功能而增加回路，I/O端子的線數(shù)就會(huì)增加，I/O端子的位置關(guān)系也可能會(huì)變化。原有產(chǎn)品的I/O部件定制自由度不夠高，有時(shí)仍需要對(duì)信號(hào)傳輸路線等硬件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。但使用這次的新產(chǎn)品，就可以任意定制I/O，更靈活地對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)變更和功能追加。因此極大概率能避免硬件的重新設(shè)計(jì)；避免拖延設(shè)計(jì)期間，增加設(shè)計(jì)成本等情況的發(fā)生。
但這一基本功能與原有產(chǎn)品THCS251/THCS252是完全一樣的，并沒(méi)有創(chuàng)新。新產(chǎn)品在繼承了原有產(chǎn)品的這一功能外，還增加了2大變化。這就是開(kāi)頭介紹的在GPIO以外還對(duì)應(yīng)I2C；以及導(dǎo)入同步/非同步模式。
首先詳細(xì)解說(shuō)一下第1個(gè)變化--在GPIO以外還對(duì)應(yīng)I2C。這一變化內(nèi)容在前篇中也已簡(jiǎn)單介紹過(guò)。也就是在集成多個(gè)GPIO以外，還能集成一或兩個(gè)系統(tǒng)的I2C進(jìn)行串聯(lián)傳輸。這為用戶提供了很大的優(yōu)勢(shì)。為什么呢？因?yàn)槭褂肐2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器，就能靈活定制I/O（輸入輸出接口）部分。
以下是具體說(shuō)明。在電子設(shè)備上使用新產(chǎn)品THCS253/THCS254時(shí)，準(zhǔn)備兩片相同芯片（IC），用PSSEL端子將其中一片指定為主芯片，另一片作為副芯片。能使用的GPIO線數(shù)為T(mén)HCS253最多32根、THCS254最多20根。例如THCS253默認(rèn)設(shè)定為GPI（通用輸入）為16根、GPO（通用輸出）也為16根的端子構(gòu)造(圖1)。
圖1 默認(rèn)的I/O設(shè)定（THCS253）
這些GPI與GPO的線數(shù)可由用戶任意設(shè)定。因?yàn)橹灰ㄟ^(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器后，就能為每個(gè)端子指定GPI或GPO。圖2是具體案例（將各端子分配至GPIO與 I2S、SPI、UART的輸入/輸出上的案例）。
圖2 通過(guò)重寫(xiě)內(nèi)部寄存器定制I/O
原有產(chǎn)品THCS251/THCS252的GPI與GPO線數(shù)也能由客戶指定，但這些線數(shù)比率最多也就只能分4階段選擇。也就是說(shuō)定制I/O部件的自由度要比新產(chǎn)品低。
除了設(shè)計(jì)對(duì)象的電子設(shè)備需要進(jìn)行追加新功能等緊急設(shè)計(jì)變更的情況以外，在為將來(lái)的機(jī)型轉(zhuǎn)換或?yàn)榉奖阕芳庸δ芏鴮で髽?biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)，I/O部件的定制也能發(fā)揮極大的效果。一般來(lái)說(shuō)需要設(shè)計(jì)變更或機(jī)型轉(zhuǎn)換、功能追加等，需要為了實(shí)現(xiàn)新功能而增加回路，I/O端子的線數(shù)就會(huì)增加，I/O端子的位置關(guān)系也可能會(huì)變化。原有產(chǎn)品的I/O部件定制自由度不夠高，有時(shí)仍需要對(duì)信號(hào)傳輸路線等硬件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。但使用這次的新產(chǎn)品，就可以任意定制I/O，更靈活地對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)變更和功能追加。因此極大概率能避免硬件的重新設(shè)計(jì)；避免拖延設(shè)計(jì)期間，增加設(shè)計(jì)成本等情況的發(fā)生。
能定制輸出形式與濾波器
通過(guò)進(jìn)一步活用I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器，用戶還能設(shè)定輸出形式與數(shù)字噪聲濾波器。輸出形式的選擇有推挽式（Push-pull）與漏極開(kāi)路（Open Drain）這兩種。數(shù)字噪聲濾波器可在每個(gè)端子上設(shè)定是否安置，且用戶可以選擇過(guò)濾的段數(shù)（次數(shù)）；但是段數(shù)（次數(shù)）無(wú)法進(jìn)行每個(gè)端子分別設(shè)定。例如設(shè)定為3段（3次）的話，各個(gè)端子上的濾波器段數(shù)（次數(shù)）都會(huì)是3段（3次）。
新產(chǎn)品默認(rèn)裝載1個(gè)系統(tǒng)的I2C，但可以通過(guò)重寫(xiě)內(nèi)部寄存器將2根GPIO分?jǐn)偟?個(gè)系統(tǒng)中。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的電子設(shè)備不同，在具備SoC的I2C系統(tǒng)之外，有時(shí)從外部購(gòu)買(mǎi)后組裝進(jìn)系統(tǒng)的觸摸屏和NFC（近場(chǎng)通信）等模組/單元上也會(huì)裝載著其他I2C系統(tǒng)。這種時(shí)候，能將I2C增加到2個(gè)系統(tǒng)就會(huì)很方便。當(dāng)I2C增加到2個(gè)系統(tǒng)時(shí)（信號(hào)線數(shù)為4根），THCS253的GPIO為30根、THCS254為18根。
新產(chǎn)品默認(rèn)裝載1個(gè)系統(tǒng)的I2C，但可以通過(guò)重寫(xiě)內(nèi)部寄存器將2根GPIO分?jǐn)偟?個(gè)系統(tǒng)中。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的電子設(shè)備不同，在具備SoC的I2C系統(tǒng)之外，有時(shí)從外部購(gòu)買(mǎi)后組裝進(jìn)系統(tǒng)的觸摸屏和NFC（近場(chǎng)通信）等模組/單元上也會(huì)裝載著其他I2C系統(tǒng)。這種時(shí)候，能將I2C增加到2個(gè)系統(tǒng)就會(huì)很方便。當(dāng)I2C增加到2個(gè)系統(tǒng)時(shí)（信號(hào)線數(shù)為4根），THCS253的GPIO為30根、THCS254為18根。
可使用同步模式與非同步模式
接下來(lái)就另一個(gè)大的變化--同步/非同步模式導(dǎo)入進(jìn)行解說(shuō)。原有產(chǎn)品THCS251/THCS252只能使用同步模式，但這次的新產(chǎn)品可使用同步與非同步模式。用戶可通過(guò)設(shè)定副芯片的端子來(lái)選擇使用的模式。
同步模式是指主芯片到副芯片的Downlink（下行）與副芯片到主芯片的Uplink（上行）是在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)下工作的模式。換言之，Downlink（下行）與Uplink（上行）的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的頻率與位相是完全相同的。實(shí)際上，接收從主芯片上傳出的串聯(lián)信號(hào)（已嵌入時(shí)鐘信號(hào)的8B10B調(diào)制信號(hào)），使用副芯片的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR：Clock Data Recovery）回路中抽出的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行Uplink的方案即為同步模式（圖3、圖4）。
另一方面，非同步模式時(shí)Downlink與Uplink分別在完全不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)下工作。（圖5、圖6）。假設(shè)兩者的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率相同，其位相也不同，這就是非同步模式。
同步模式的優(yōu)勢(shì)是無(wú)需為副芯片提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源；但也有其弊端。那就是只能在主芯片上實(shí)現(xiàn)并聯(lián)信號(hào)的同步導(dǎo)入。副芯片由于使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)是從CDR回路中抽出的信號(hào)，與導(dǎo)入的并聯(lián)信號(hào)無(wú)關(guān)，就會(huì)成為非同步導(dǎo)入。這樣一來(lái)可同步導(dǎo)入的Downlink雖然可以傳輸高速的圖像/影像信號(hào)，但非同步導(dǎo)入的Uplink就無(wú)法傳輸高速圖像/影像信號(hào)，只能用于傳輸?shù)退俚目刂菩盘?hào)。
為了消除這一弊端我們導(dǎo)入了非同步模式。主芯片副芯片雙方都能分別提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，因此雙方都能同步導(dǎo)入并聯(lián)信號(hào)。也就是說(shuō)Downlink與Uplink都能傳輸高速的圖像/影像信號(hào)。
但這里有一點(diǎn)還需注意。那就是為主芯片和副芯片提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的方法。有2種方法：1是由外部的時(shí)鐘信號(hào)回路來(lái)提供的方法。另1個(gè)是由各芯片內(nèi)置的時(shí)鐘振蕩回路（內(nèi)部OSC）提供的方法。前者可通過(guò)共同使用并聯(lián)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)而達(dá)到同步導(dǎo)入。但后者由于內(nèi)部OSC的時(shí)鐘信號(hào)無(wú)法輸出至外部，因此無(wú)法共同使用并聯(lián)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，就又會(huì)變成非同步導(dǎo)入。因此，用戶需要根據(jù)想要通過(guò)Downlink與Uplink來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)特性來(lái)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)提供方法。
同步模式是指主芯片到副芯片的Downlink（下行）與副芯片到主芯片的Uplink（上行）是在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)下工作的模式。換言之，Downlink（下行）與Uplink（上行）的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的頻率與位相是完全相同的。實(shí)際上，接收從主芯片上傳出的串聯(lián)信號(hào)（已嵌入時(shí)鐘信號(hào)的8B10B調(diào)制信號(hào)），使用副芯片的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR：Clock Data Recovery）回路中抽出的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行Uplink的方案即為同步模式（圖3、圖4）。
圖3 同步模式案例（外部輸入時(shí)）
圖4 同步模式案例（內(nèi)部OSC時(shí)）
另一方面，非同步模式時(shí)Downlink與Uplink分別在完全不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)下工作。（圖5、圖6）。假設(shè)兩者的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率相同，其位相也不同，這就是非同步模式。
圖5 非同步模式案例（外部輸入時(shí)）
圖6 同步模式案例（內(nèi)部OSC時(shí)）
同步模式的優(yōu)勢(shì)是無(wú)需為副芯片提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源；但也有其弊端。那就是只能在主芯片上實(shí)現(xiàn)并聯(lián)信號(hào)的同步導(dǎo)入。副芯片由于使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)是從CDR回路中抽出的信號(hào)，與導(dǎo)入的并聯(lián)信號(hào)無(wú)關(guān)，就會(huì)成為非同步導(dǎo)入。這樣一來(lái)可同步導(dǎo)入的Downlink雖然可以傳輸高速的圖像/影像信號(hào)，但非同步導(dǎo)入的Uplink就無(wú)法傳輸高速圖像/影像信號(hào)，只能用于傳輸?shù)退俚目刂菩盘?hào)。
為了消除這一弊端我們導(dǎo)入了非同步模式。主芯片副芯片雙方都能分別提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，因此雙方都能同步導(dǎo)入并聯(lián)信號(hào)。也就是說(shuō)Downlink與Uplink都能傳輸高速的圖像/影像信號(hào)。
但這里有一點(diǎn)還需注意。那就是為主芯片和副芯片提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的方法。有2種方法：1是由外部的時(shí)鐘信號(hào)回路來(lái)提供的方法。另1個(gè)是由各芯片內(nèi)置的時(shí)鐘振蕩回路（內(nèi)部OSC）提供的方法。前者可通過(guò)共同使用并聯(lián)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)而達(dá)到同步導(dǎo)入。但后者由于內(nèi)部OSC的時(shí)鐘信號(hào)無(wú)法輸出至外部，因此無(wú)法共同使用并聯(lián)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，就又會(huì)變成非同步導(dǎo)入。因此，用戶需要根據(jù)想要通過(guò)Downlink與Uplink來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)特性來(lái)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)提供方法。
待機(jī)功能的使用更易于上手
最后介紹一下新產(chǎn)品上使用I2C后實(shí)現(xiàn)的3個(gè)便利的新功能。
1是「PWM信號(hào)生成功能」（圖7）。原有產(chǎn)品可在主芯片的GPIO上輸入可非同步導(dǎo)入的頻率的PWM信號(hào)，并集成串聯(lián)信號(hào)后傳輸至副芯片。但新產(chǎn)品可通過(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器并設(shè)定具備生成PWM信號(hào)的功能；并且無(wú)論在主芯片上還是副芯片上都能生成。在調(diào)整液晶平板的背光亮度、LED調(diào)光、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等用途上都能用到。
2是「I/O擴(kuò)展器功能」（圖8）。這個(gè)功能就是在I2C與GPIO之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)街餍酒蚋毙酒?。可將I2C的串聯(lián)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPO的并聯(lián)數(shù)據(jù)后傳輸，或監(jiān)控GPI上輸入的并聯(lián)數(shù)據(jù)，將其結(jié)果儲(chǔ)存至內(nèi)部寄存器上，再?gòu)腎2C上作為串聯(lián)數(shù)據(jù)再輸出?？雌饋?lái)就像是I2C端子擴(kuò)張了，因此稱為I/O擴(kuò)展器功能?！?br>
第3就是「待機(jī)功能」（圖9）。這次的新產(chǎn)品能通過(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，或脫離待機(jī)狀態(tài)?？呻S意設(shè)定為從主芯片到副芯片進(jìn)行進(jìn)入/脫離待機(jī)狀態(tài)，還是單獨(dú)在副芯片上進(jìn)入/脫離待機(jī)狀態(tài)。
待機(jī)狀態(tài)下消耗電流低至6mA；通常工作時(shí)為50～100mA。在待機(jī)狀態(tài)下，也能在主芯片與副芯片間交換I2C或最大8Bit的GPIO。且待機(jī)狀態(tài)下仍能繼續(xù)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行光傳輸；或通過(guò)近距離無(wú)線通信元件進(jìn)行無(wú)線傳輸。因此無(wú)需斷線就能從正常工作狀態(tài)切換至待機(jī)狀態(tài)。
以上
1是「PWM信號(hào)生成功能」（圖7）。原有產(chǎn)品可在主芯片的GPIO上輸入可非同步導(dǎo)入的頻率的PWM信號(hào)，并集成串聯(lián)信號(hào)后傳輸至副芯片。但新產(chǎn)品可通過(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器并設(shè)定具備生成PWM信號(hào)的功能；并且無(wú)論在主芯片上還是副芯片上都能生成。在調(diào)整液晶平板的背光亮度、LED調(diào)光、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等用途上都能用到。
圖7 PWM信號(hào)生成功能
2是「I/O擴(kuò)展器功能」（圖8）。這個(gè)功能就是在I2C與GPIO之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)街餍酒蚋毙酒?。可將I2C的串聯(lián)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPO的并聯(lián)數(shù)據(jù)后傳輸，或監(jiān)控GPI上輸入的并聯(lián)數(shù)據(jù)，將其結(jié)果儲(chǔ)存至內(nèi)部寄存器上，再?gòu)腎2C上作為串聯(lián)數(shù)據(jù)再輸出?？雌饋?lái)就像是I2C端子擴(kuò)張了，因此稱為I/O擴(kuò)展器功能?！?br>
圖8 I/O擴(kuò)展器功能
第3就是「待機(jī)功能」（圖9）。這次的新產(chǎn)品能通過(guò)I2C重寫(xiě)內(nèi)部寄存器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，或脫離待機(jī)狀態(tài)?？呻S意設(shè)定為從主芯片到副芯片進(jìn)行進(jìn)入/脫離待機(jī)狀態(tài)，還是單獨(dú)在副芯片上進(jìn)入/脫離待機(jī)狀態(tài)。
圖9 待機(jī)功能
待機(jī)狀態(tài)下消耗電流低至6mA；通常工作時(shí)為50～100mA。在待機(jī)狀態(tài)下，也能在主芯片與副芯片間交換I2C或最大8Bit的GPIO。且待機(jī)狀態(tài)下仍能繼續(xù)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行光傳輸；或通過(guò)近距離無(wú)線通信元件進(jìn)行無(wú)線傳輸。因此無(wú)需斷線就能從正常工作狀態(tài)切換至待機(jī)狀態(tài)。
以上
