Обзор архитектуры адаптеров USB 3.0 на чипах Renesas и Etron

Предлагаемый материал является попыткой копнуть глуб­же и рассмотреть не только эксплуатационные характерис­ти­ки USB 3.0 контроллеров, но и их внутреннюю организа­цию. В обзор включены адаптеры производства ST Lab на основе xHCI-контроллеров uPD720201 и uPD720202 (оба — Renesas) и EJ168A от Etron Technology. Контроллеры Rene­sas являются продолжением линейки устройств, ранее вы­пускавшихся под маркой NEC. Компания Etron, произво­ди­тель памяти, — новичок на рынке USB-контроллеров, что при­вно­сит интригу в наше исследование.

Инструментарий

Для решения поставленной задачи необходим доступ к регистрам расширенного конфигурационного PCI-пространства и Memory Mapped I/O. В качестве инструментария используется программное обеспечение собственной разработки. Всем заинтересованным лицам можно рекомендовать аналогичный программный продукт от компании American Megatrends под названием Universal Chipset Reading.

Исследование

Прежде, чем приступить к детальному исследованию, рассмотрим схемы питания адаптеров. Напомним, что спецификация USB 3.0 декларирует максимальное потребление тока в 900 миллиампер на порт. В силу этого все адаптеры снабжены дополнительным разъемом питания типа THP-4MR. Бортовые импульсные регуляторы напряжения позволяют обслуживать слаботочные USB-подключения без использования этого разъема.

Адаптеры с чипами Renesas укомплектованы самовосстанавливающимися SMD-предохранителями 3А типа F110 производства Fuzetec Technology. Потребление повышенных токов от USB-порта нормируется документом Battery Charging Specification, Rev1.2. xHCI-контроллеры uPD720201 и uPD720202 от Renesas обладают функциональностью, позволяющей реализовать на базе USB-порта интеллектуальное программно-управляемое зарядное устройство.

Рис.2 Четырехпортовый USB 3.0 адаптер производства STLab,
модель U-780, на чипе Renesas Electronics uPD720201K8-701
Firmware контроллера находится в SPI-чипе Macronix MX25L512E

Представленный образец на чипе Etron в качестве предохранителей по цепям питания USB-портов использует низкоомные резисторы, которые перегорят в случае короткого замыкания, что ставит под сомнение использование его в качестве зарядного устройства.

Рис.1 Двухпортовый USB 3.0 адаптер производства STLab,
модель U-580, на чипе Etron Technology EJ168A.
Firmware контроллера использует I2C-чип 24C02

Результаты исследования внутренних регистров устройств сведены в Таблицу 1.

Таблица 1. Состояние регистров контроллеров Renesas и Etron

О виртуализационных технологиях

Исследование регистровых полей USB-адаптеров, представленных в обзоре, не оставляет сомнений: дизайн контроллеров eXtensible Host Controller Interface выполнен без учета современного курса на виртуализацию процессов обмена данными. Поддержка технологий Intel VT-d и SR-IOV не внедрены в логику ядра PCI-машины, сопрягающей USB 3.0 с персональной платформой.

Категоричность такого утверждения несколько смягчается организацией MMIO-регистров контроллера EJ168A. Расположение регистровых блоков Capabilities, Operational, Doorbell, Runtime удобно для виртуализации. Возможно, производитель планирует поддержку SR-IOV в будущем. Регистры с различными статусами размещены в разных 4-килобайтных страницах, что совместимо с гранулярностью требуемой процессором. Это позволяет при Single Root I/O Virtualization назначать различный статус для аппаратно эмулируемых High-Touch регистров и программно-эмулируемых Low-Touch регистров. Кроме того, даже без поддержки SR-IOV такое расположение регистров оптимизирует работу программного эмулятора и драйвера. Это служит базисом для производительности xHCI-контроллера Etron.

На весах выбора

Обзорное сравнение USB-адаптеров на контроллерах Renesas и Etron Technology склоняет чашу выбора в сторону первого из производителей.

На первый взгляд, EJ168A имеет некоторое преимущество за счет увеличенного по сравнению с семейством uPD72020x количества  подключаемых устройств (Number of Device Slots): 64 против 32. Эта цифра означает возможности по обслуживанию периферийных девайсов, образующих своего рода USB-сеть, формируемую портами адаптера и USB-концентраторами. Но заявку на успех от компании Etron вряд ли стоит принимать в расчет: на практике такое количество подключений нереально.

Стоит сравнить точность и аккуратность обоих производителей в заполнении поля Device Serial Number. Etron Technology заполняет это поле неинформативными «единицами». Хотя на эксплуатационные качества такой подход и не влияет, но небрежность, как обычно в таких случаях, не улучшает реноме производителя.

Куда как важнее с позиций эффективности технология MSI-X, которую, в отличие от своего конкурента, обеспечивают контроллеры Renesas. Идея MSI (Message Signaled Interrupts) или механизма прерываний, инициируемых сообщениями, состоит в том, чтобы использовать их вместо выделенных сигналов PCI INT.  Устройство, требующее обслуживания, выполняет bus-master цикл записи в специальный диапазон памяти, где находятся memory-mapped регистры контроллера прерываний APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller).

Расширенный протокол MSI-X позволяет задавать несколько таких диапазонов памяти, по одному для каждой группы векторов прерывания, что дает возможность направлять запросы на несколько контроллеров APIC. Для мультипроцессорной системы – это выбор процессора, который будет выполнять обработку прерывания.  Аппаратная векторизация повышает производительность за счет сокращения времени выполнения служебных операций в процедурах обработки прерываний.

Поскольку мультипроцессорность сегодня обязательное свойство персональной платформы, использование технологии MSI-X дает неоспоримое преимущество xHCI-контроллерам от Renesas  по сравнению с аналогичными решениями Etron.

Скрытые возможности

Еще одно преимущество контроллеров от Renesas Electronics, о котором обязательно стоит сказать, — наличие USB 3.0 Debug-порта. Адаптеры с чипами uPD72020x можно использовать на отлаживаемой платформе для трассировки программного обеспечения в сеансе операционной системы. В связи с отсутствием Local RAM Capability, использование этих USB-адаптеров в процессе разработки низкоуровневого кода платформы остается под вопросом.

О производительности USB 3.0

xHCI-контроллеры Renesas uPD720201 и uPD720202 в компании с Etron EJ168A готовы обеспечить обмен на PCIe-шине на скорости до 5 GT/sec. Об этом убедительно говорит содержимое Link Capabilities Register, отображающее возможности PCI Express Link.

Резонный вопрос: как использовать производительность xHCI-контроллера, подключенного к PCIe-линку на скорости 2,5 GT/sec? Напомним, что на выходе каждого(!) порта USB 3.0 можно ожидать производительность до 5 Gb/sec. Ситуация усугубляется еще и наличием, как минимум, двух портов на борту каждой платы USB-адаптера. И выглядит вчетверо хуже в случае контроллера uPD720201. Разделив  2,5 GT/sec на число USB-портов мы получим неутешительные цифры.

Сравнение ценовых параметров

Адаптеры USB 3.0 с контроллерами Renesas uPD720202 и Etron EJ168A как нельзя лучше подходят для иллюстрации стоимостных характеристик, поскольку обеспечивают внешнее подключение к двум портам универсальной последовательной шины. Их розничная цена соответственно в $19,42 и $18,95 практически нивелирует аппаратные особенности, хотя рыночное таргетирование каждого из адаптеров имеет свою покупательскую нишу. Оснастка от Renesas предпочтительнее для комплектации профессионального оборудования, а девайсы с чипами Etron на борту наилучшим образом подходят для домашних и офисных систем.

Рискнем предположить, что при низкой себестоимости всех перечисленных выше чипов их поставки на данный момент выполняются по завышенным ценам. Оставляя за кадром причины и подробности этого экономического феномена, акцентируем внимание читателя на том, что попытка Etron соревноваться с маститым Renesas достойна похвалы. Во всяком случае, маркетологам Etron Technology нужно аплодировать и говорить: «Браво».

Адаптер USB 3.0 предоставлены
на тестирование компанией IT-Link