USB 3.0/千兆以太网转换器的设计

引言

随着物联网技术的发展，各种电子设备通过互联网进行 连接的需求日益旺盛，信息共享的程度要求在不断提高，这 就要求电子设备具备网络接口。但在移动电子设备方面，为 了方便移动和携带，这些设备在接口设计过程中，设备机身 较薄而不能承载许多体积较厚的接口，因此只能舍弃VGA、 RJ45接口，进而选择USB 3.0等超薄接口以降低厚度，同时 保留超高效能，最终可采用USB/以太网转换器移动设备连 接至以太网，为此，本文采用USB转10/100/1000M千兆以 太网控制芯片AX88179来实现高速USB 3.0/千兆以太网转 换器的设计。

1 USB3.0转10/100/1 000 M千兆以太网控制芯片AX88179

AX88179的基本特性

AX88179 的 USB 接 口符合 USB 3.0/2.0/1.1 规范，千兆 以太网 MAC 及 PHY 兼容于 IEEE 802.3、IEEE 802.3u 及IEEE 802.3ab协议。内置USB Host接口的微控制器 搭配AX88179，即可增加双绞线千兆以太网特性。此外， AX88179可在25 MHz频率下正常工作。

AX88179支持许多高级特性，包括IPv4/IPv6封包校验 和承载引擎、双绞线交叉自适应、TCP大包传送承载及符合 IEEE802.3az 超节能以太网标准(Energy Efficient Ethernet， EEE)等。根据EEE协议，当以太网连接中没有数据流量时, AX88179会进入低功耗模式，以省掉不必要的耗电，让能 源能更有效地被利用。在千兆模式时，还可支持绿色以太网 Green Ethernet，并可自动侦测有线网络连接与使用状况，调 整输出功率，以达到省电目的。此外，AX88179还支持网络 远程唤醒(Wake-on-LAN)功能，当系统进入低功率状态后, 透过侦测网络连线状态变动、收到魔术包及Microsoft唤醒包 等事件可远程唤醒。

AX88179的规格特性

AX88179为单芯片USB3.0转10/100/1000M千兆以太网 控制器，可支持超节能以太网(EEE)标准。该控制器主要由 USB设备控制器和千兆以太网控制器组成，同时支持网络远 程唤醒功能，并具有先进的电源管理功能。

AX88179中的USB设备控制器具有集成USB 3.0 PHY 和控制器并兼容USB 3.0、2.0及1.1规范，支持所有USB 3.0 节能模式(U0、U1、U2和U3)，同时支持USB超高速/高速 /全速模式，电源驱动能力则支持总线供电模式和自供电模式， 而且利用其独有的突发传输机制，可让USB总线上的封包传输速率达到极致。

AX88179中的千兆以太网控制器可支持IEEE 802.3az (Energy Efficient Ethernet),同时兼容 IEEE 802.3、802.3u 和 802.3ab。AX88179 中集成了 10/100/1 000 Mb/s 千兆以太 网MAC/PHY,故可支持绿色以太网，并可自动侦测有线网 络连接和调整输出功率，以达到省电之目的(仅Gigabit模 式),同时还支持并行检测及自动极性校正以及交叉检测及 自动更正，也支持IPv4/IPv6封包校验和卸除引擎，以减轻 CPU 的 负 载，包 括 IPv4 IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP、IPv6 TCP/UDP/ICMPv6 checksum的产生及核对；此外，还支持 TCP大量传送承载V1、全双工IEEE 802.3x流量控制及半 双工背压流量控制，以及IEEE 802.1P第2层优先编码和译 码，支持 IEEE 802.1Q VLAN tagging 和两组 VLAN ID 过滤， 所收到的4字节VLAN Tag可以选择被剥除或保留，不仅如 此，它也支持Jumbo frame，并具备MAC/PHY自环诊断功能。

AX88179可以支持网络远程唤醒功能。它的网络远程唤 醒功能包括两种模式：一是支持休眠模式和通过网络链接状 态变动、收到魔术包、收到Microsoft唤醒封包及外部唤醒引 脚状态变动等事件进行远程唤醒；二是能够支持Bonjour唤 醒需求。

AX88179带有先进的电源管理功能。其中包括支持电源 管理及卸除(ARP & NS)，同时支持动态电源管理，以节省在 空载、轻负载或断开网络线等状况下的功耗。当网络线被断开 时，可从 USB Soft-disconnected 支持 AutoDetach 省电功能， 同时支持先进的断电节能功能。

AX88179支持可选串行E2PROM (93c56/66)用来储存 USB描述符和Node-ID等信息，同时支持嵌入式eFuse (64 位)储存USB描述符和Node-ID等信息，可以替代外部存储 的E2PROM。当上电启动后，支持自动从嵌入式eFuse或外部 E2PROM加载USB描述符和Node-ID等信息。

AX88179采用25 MHz时钟输入，并可支持晶体及外部 时钟，而且内置上电复位(Power-on reset)电路。

AX88179 采用 68 引脚 QFN(8 mmX8 mm)并符合 ROHS/ REACH规范。器件工作温度范围为：0~+70 C

2采用AX88179设计高速USB/以太网转换器

AX88179的组成结构

图1所示为AX88179组成框图，其内部主要由USB3.0 转超高速以太网桥接、USB3.0内核和接口、锁相环时钟发生器、 USB3.0物理层、通用I/O、eFuse和控制、封包缓冲SRAM、 内存仲裁器、校验和卸载引擎、GMAC内核、千兆节能以太 网物理层等部分组成。

AX88179的应用设计

图2所示为采用AX88179设计的USB 3.0转千兆以太 网适配器的结构示意图，其中AX88179的一端接USB Host， 另外一端与以太网相连，其连接方式可以采用RJ45标准网 络接口。

图1AX88179的内部组成框图

图2 USB 3.0转千兆以太网适配器结构图

图3所示是采用AX88179设计的USB 3.0/千兆以太网 转换器的硬件电路布局图。图中左侧为USB 3.0接口，右侧为 RJ45接口，转换器中的存储器采用串行16位E2PROM芯片 93C66,电源芯片采用高效脉冲宽度调整双通道DC-DC直流 降压转换器RT8075，网络变压器选用Bothhand的LA1S109- 43 LF，晶体频率为25 MHz。

USB 接口25 MHzRT8075AX88179E2PROM93C66图3 USB 3.0/千兆以太网转换器的硬件电路布局图

在进行USB 3.0/千兆以太网转换器的设计时，一般应 注意几个问题：一是选择网络变压器的匝数比是1CT:1CT。二是时钟晶体频率选择25 MHz +30 ppm,负载电容財为20 pF，等效串联电阻ESR最大为70 Q,同时要在晶体两端连接一个1 MQ的电阻。三是在AX88179应用中必须使用 E2PROM，因为AX88179的E2PROM内容中包括重要的硬 件初始化数据(如USB描述符、产品信息、序列号等)，这 些配置数据将被用于正常工作模式下的AX88179的硬件初始 化。四是每个AX88179设备必须分配一个独立的MAC地 址。因为每个以太网设备必须有一个独立的MAC地址,所以, 应该在每个AX88179的E2PROM中分配一个独特的MAC 地址。五是未必需要为每个AX88179设备设定一个独特的 序列号。如果目标应用系统上安装超过一个基于AX88179的 设备，应该在每个AX88179设备的E2PROM中设置不同的 序列号。如果目标应用系统总是只用一个AX88179设备，考 虑到量产的方便，所有的AX88179设备E2PROM中可使用 相同的序列号，特别是计划重复使用一台Windows电脑平台 用来做AX88179设备量产测试的情况。

3结语

AX88179是一款低价、小封装、高性能、高集成度、即 插即用的USB 3.0转千兆以太网单芯片，可应用于台式电脑、 笔记本电脑、超轻薄笔记本电脑、计算机扩展基座、游戏机、 智能家电及任何具备标准USB端口的嵌入式系统。

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