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引言
??? 市面上許多手機(jī)和便攜設(shè)備 (如數(shù)碼相機(jī)) 都能通過(guò)插入一塊標(biāo)準(zhǔn)、小型或微型SD卡來(lái)增加內(nèi)存。這一功能刺激了共享或擴(kuò)展主機(jī)處理器SDIO (安全數(shù)字I/O) 端口從而連接多個(gè)設(shè)備的需求。SD卡接口設(shè)計(jì)為一個(gè)6通道總線(xiàn)，當(dāng)中 1個(gè)通道用于時(shí)鐘、一個(gè)用于命令，其余4個(gè)用于數(shù)據(jù)線(xiàn)路。

??? 按照SD卡協(xié)會(huì) (SD Card Association, SDA) 的物理層規(guī)范，可將多卡與總線(xiàn)連接，只要每個(gè)卡都有專(zhuān)門(mén)的一套命令和數(shù)據(jù)通道 (時(shí)鐘可共享)。若在主機(jī)只有一套命令/數(shù)據(jù)通道的情況下擴(kuò)展SDIO接口，還必須解決幾個(gè)問(wèn)題，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化解決方案。無(wú)論采用什么方法來(lái)擴(kuò)展接口，插入的擴(kuò)展部件絕不能影響功能運(yùn)作和造成系統(tǒng)延遲。飛兆半導(dǎo)體" title="飛兆半導(dǎo)體">飛兆半導(dǎo)體已推出占位尺寸小及成本低的解決方案，即FSSD06多路復(fù)用器，將一個(gè)SDIO端口擴(kuò)展成多個(gè)端口。

圖1：SDIO主機(jī)端口擴(kuò)展

擴(kuò)展 SDIO 接口的約束條件

??? 市面上有兩種電壓范圍的SD卡及配件產(chǎn)品，即電壓在2.7 到3.3V的高壓卡，以及要么工作在上述高壓范圍，要么使用1.8V標(biāo)稱(chēng)低壓的雙電壓卡。因此，理想的解決方案應(yīng)當(dāng)讓主機(jī)控制器能夠同時(shí)與這兩種卡接口，為用戶(hù)帶來(lái)最大" title="最大">最大的靈活性。

??? 用于擴(kuò)展SDIO接口的插入擴(kuò)展部件絕不能影響功能運(yùn)行和造成系統(tǒng)延遲。接口通信定義了多種模式 (即不同速率)。缺省模式定義為0到 25 MHz之間可變的時(shí)鐘速率，可通過(guò)4條并行數(shù)據(jù)線(xiàn)以每秒12.5 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。高速模式支持高達(dá)50 MHz的時(shí)鐘速率，可通過(guò)接口以每秒25 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)SDIO接口進(jìn)行復(fù)用的處理速度必須足夠快，并不能對(duì)高速模式的數(shù)據(jù)傳輸速率造成限制。

??? 卡的初始化和識(shí)別以低速進(jìn)行，采用漏極開(kāi)路輸出信號(hào)接法，時(shí)鐘速率在100 kHz 到 400 kHz之間。初始化一完成，主機(jī)就進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式" title="傳輸模式">傳輸模式，而接口則可根據(jù)具體SD卡的模式 (即卡的數(shù)據(jù)傳輸速率) 相應(yīng)提高速率。數(shù)據(jù)傳輸模式采用推挽信號(hào)接法，時(shí)鐘速率可達(dá)50 MHz。擴(kuò)展SDIO接口的電路必須解釋協(xié)議并清楚了解主機(jī)何時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，必須能以既有利于初始化 (漏極開(kāi)路信號(hào))，又有利于數(shù)據(jù)傳輸模式 (推挽信號(hào)) 的交替方式實(shí)現(xiàn)通信。

??? 最后，當(dāng)主機(jī)或卡都不向接口傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，端口復(fù)用器必須讓系統(tǒng)處于缺省的高阻抗?fàn)顟B(tài)，備有所需的升壓電阻來(lái)控制命令和數(shù)據(jù)線(xiàn)。SD 卡規(guī)范定義的升壓電阻阻值在 10k 到 100k 歐姆之間，用于防止總線(xiàn)處于浮接狀態(tài)。

FSSD06 的功能特點(diǎn)

??? 飛兆半導(dǎo)體針對(duì)擴(kuò)展 SDIO 接口的目標(biāo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)出一種產(chǎn)品，名為 FSSD06 多路復(fù)用器，其每項(xiàng)功能均為應(yīng)對(duì)前述挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。概括而言，F(xiàn)SSD06 的這些功能是通過(guò)飛兆半導(dǎo)體的專(zhuān)有架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)架構(gòu)綜合了無(wú)源 FET 開(kāi)關(guān)與有源緩沖器的最佳功能。

??? 首先，讓我們看看主機(jī)控制器和市面上各種類(lèi)型 SD 卡對(duì)電源電壓的靈活性需求。FSSD06 的每個(gè)端口都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電源引腳，這樣邏輯高位端口電壓就可以準(zhǔn)確地做到所期望的電壓值。主機(jī)和卡之間的電壓轉(zhuǎn)換由 FSSD06 的內(nèi)部電路來(lái)管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員" title="設(shè)計(jì)人員">設(shè)計(jì)人員只需在每個(gè)端口加上所期望的電壓，不用操心其它任何事情。對(duì)不用的端口，電源引腳必須接地，而命令和數(shù)據(jù)引腳可以接地也可浮接。

??? 為了支持高速模式，F(xiàn)SSD06 具有非常短的傳送延遲，典型延遲范圍在 1 到 2 納秒。這個(gè)響應(yīng)速度在 SD 接口的電容性負(fù)載" title="電容性負(fù)載">電容性負(fù)載達(dá)到 40pF 的最大容許值時(shí)尤其重要。FSSD06 采用飛兆半導(dǎo)體的專(zhuān)有輸出驅(qū)動(dòng)電路，該電路的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可調(diào)，能夠提供極短的信號(hào)脈沖沿上升時(shí)間，亦允許系統(tǒng)工作在漏極開(kāi)路 (初始化) 信號(hào)模式和推挽 (高速傳輸) 信號(hào)模式。


??? 將這種方法與純漏極開(kāi)路方法做個(gè)比較，后者類(lèi)似于 FPGA 供應(yīng)商建議的方法，必需采用較低的升壓電阻才能達(dá)到所要求的數(shù)據(jù)速率。升壓電阻低帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，即 SD 卡控制器將信號(hào)拉到邏輯低電平時(shí)所需的功耗大幅增加。而且這個(gè)問(wèn)題在接口的電容性負(fù)載增加時(shí)更加惡化。

??? SDIO 技術(shù)規(guī)范所允許的總線(xiàn)最大電容性負(fù)載為 40pF，而且采用純無(wú)源的升壓電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯高電平狀態(tài)，這會(huì)影響接口的最大工作速率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須在采用低阻抗端接而導(dǎo)致功耗增加與數(shù)據(jù)傳輸期間的工作速率之間作出權(quán)衡折衷。 而FSSD06 采用了針對(duì)兩種模式優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員完全擺脫這種約束。FSSD06 的輸出也采用同樣的專(zhuān)有驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)需解釋主機(jī)控制器的命令就能實(shí)現(xiàn)雙向通信，因而簡(jiǎn)化所需的邏輯并進(jìn)一步減少總體系統(tǒng)功耗。

??? 如果能將 SD 卡插槽與主機(jī)接口隔離 (比如在無(wú)通信期間)，效果可能會(huì)更好。這可用 OEb 引腳禁用 FSSD06 的兩個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù) SDIO 接口規(guī)范，時(shí)鐘線(xiàn)上沒(méi)有升壓電阻，如果 SD 卡仍處于上電狀態(tài)，卡的時(shí)鐘線(xiàn)將處于浮接。不過(guò)，F(xiàn)SSD06 通過(guò)連接一個(gè)微小的升壓電阻到任何未選中的卡端口的時(shí)鐘線(xiàn)上，解決了這個(gè)問(wèn)題，防止上電的 SD 卡因浮接了一個(gè) CMOS 輸入而產(chǎn)生振蕩，造成額外的功耗。

??? 由于 SDIO 接口擴(kuò)展逐漸在超便攜 (電池供電的) 設(shè)備中應(yīng)用，最大限度地降低功耗對(duì)延長(zhǎng)電池工作時(shí)間或電池最終壽命非常關(guān)鍵。我們所討論的 FSSD06 器件的功能特點(diǎn)，都是針對(duì)降低設(shè)備功耗以及簡(jiǎn)化從單卡設(shè)計(jì)到多卡設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換而開(kāi)發(fā)的。

內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換電路

??? 無(wú)需采用低阻抗升壓電阻，就能在高速模式下驅(qū)動(dòng)大電容性負(fù)載
??? 自動(dòng)感測(cè)通信方向
??? 支持所有定義的 SD 卡模式：1位、4位或 SPI

應(yīng)用發(fā)展

??? 在設(shè)計(jì)需要擴(kuò)展 SDIO 接口的系統(tǒng)時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員面臨的最重要選擇是決定命令 (CMD) 和數(shù)據(jù) (DAT) 信號(hào)的升壓電阻的最優(yōu)值。該阻值越小，信號(hào)的完整性越好，這取決于跡線(xiàn)的長(zhǎng)度，在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)尤為突出；但系統(tǒng)功耗會(huì)增加。

圖2：典型應(yīng)用電路示意圖

??? 飛兆半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出高度可配置的評(píng)測(cè)板，為設(shè)計(jì)人員提供協(xié)助。該板卡可插入各種阻值的升壓電阻。在每個(gè) SD 卡端口都能測(cè)量不同阻值升壓電阻在每條跡線(xiàn)的電容性負(fù)載為 30pF 時(shí)的效果，阻值范圍是從 4.7k 到 100k 歐姆。四條數(shù)據(jù)跡線(xiàn)的每一條都具有相應(yīng)的不同升壓阻值，而命令線(xiàn)則可選擇五種不同的阻值，每種都有一個(gè)自有的跳線(xiàn)。使用這種配置的評(píng)測(cè)板，開(kāi)發(fā)人員就能評(píng)測(cè)初始化和數(shù)據(jù)傳輸模式下時(shí)鐘、命令和數(shù)據(jù)線(xiàn)上的信號(hào)波形 (在每條跡線(xiàn)上提供了測(cè)試點(diǎn))。通過(guò)監(jiān)視評(píng)測(cè)期間的電源電流，就可以選出最優(yōu)的升壓電阻，既能達(dá)到很好的信號(hào)完整性，同時(shí)又能最大限度地降低總體系統(tǒng)功耗。

??? 為監(jiān)視電流及評(píng)測(cè)不同電壓下的接口信號(hào)，該評(píng)測(cè)板還提供一些連接器，對(duì)主機(jī)端口和每個(gè) SD 卡端口進(jìn)行獨(dú)立供電。使用跳線(xiàn)從連接器對(duì)特定的 SD 卡加電。評(píng)測(cè)板還配有 3 個(gè)調(diào)壓器 (1.8V、2.6V 和 3.3V)，便于用戶(hù)根據(jù)其應(yīng)用進(jìn)行電壓安排。

??? 飛兆半導(dǎo)體目前并提供 FSSD06 評(píng)測(cè)板和用戶(hù)手冊(cè)。