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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)) 都能通過插入一塊標(biāo)準(zhǔn)、小型或微型SD卡來增加內(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) 端口從而連接多個設(shè)備的需求。SD卡接口設(shè)計為一個6通道總線，當(dāng)中 1個通道用于時鐘、一個用于命令，其余4個用于數(shù)據(jù)線路。
??? 按照SD卡協(xié)會 (SD Card Association, SDA) 的物理層規(guī)范，可將多卡與總線連接，只要每個卡都有專門的一套命令和數(shù)據(jù)通道 (時鐘可共享)。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，還必須解決幾個問題，才能實現(xiàn)優(yōu)化解決方案。無論采用什么方法來擴(kuò)展接口，插入的擴(kuò)展部件絕不能影響功能運作和造成系統(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SDIO端口擴(kuò)展成多個端口。
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)控制器能夠同時與這兩種卡接口，為用戶帶來最大" 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之間可變的時鐘速率，可通過4條并行數(shù)據(jù)線以每秒12.5 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。高速模式支持高達(dá)50 MHz的時鐘速率，可通過接口以每秒25 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。對SDIO接口進(jìn)行復(fù)用的處理速度必須足夠快，并不能對高速模式的數(shù)據(jù)傳輸速率造成限制。
??? 卡的初始化和識別以低速進(jìn)行，采用漏極開路輸出信號接法，時鐘速率在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接法，時鐘速率可達(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 (漏極開路信號)，又有利于數(shù)據(jù)傳輸模式 (推挽信號) 的交替方式實現(xiàn)通信。
??? 最后，當(dāng)主機(jī)或卡都不向接口傳輸數(shù)據(jù)時，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控制命令和數(shù)據(jù)線。SD 卡規(guī)范定義的升壓電阻阻值在 10k 到 100k 歐姆之間，用于防止總線處于浮接狀態(tài)。
FSSD06 的功能特點
??? 飛兆半導(dǎo)體針對擴(kuò)展 SDIO 接口的目標(biāo)應(yīng)用開發(fā)出一種產(chǎn)品，名為 FSSD06 多路復(fù)用器，其每項功能均為應(yīng)對前述挑戰(zhàn)而設(shè)計。概括而言，F(xiàn)SSD06 的這些功能是通過飛兆半導(dǎo)體的專有架構(gòu)來實現(xiàn)，這個架構(gòu)綜合了無源 FET 開關(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型 SD 卡對電源電壓的靈活性需求。FSSD06 的每個端口都有一個專門的電源引腳，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)部電路來管理，系統(tǒng)設(shè)計人員" title="設(shè)計人員">設(shè)計人員只需在每個端口加上所期望的電壓，不用操心其它任何事情。對不用的端口，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 的最大容許值時尤其重要。FSSD06 采用飛兆半導(dǎo)體的專有輸出驅(qū)動電路，該電路的驅(qū)動強(qiáng)度可調(diào)，能夠提供極短的信號脈沖沿上升時間，亦允許系統(tǒng)工作在漏極開路 (初始化) 信號模式和推挽 (高速傳輸) 信號模式。
??? 將這種方法與純漏極開路方法做個比較，后者類似于 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。升壓電阻低帶來一個問題，即 SD 卡控制器將信號拉到邏輯低電平時所需的功耗大幅增加。而且這個問題在接口的電容性負(fù)載增加時更加惡化。
??? SDIO 技術(shù)規(guī)范所允許的總線最大電容性負(fù)載為 40pF，而且采用純無源的升壓電阻來實現(xiàn)邏輯高電平狀態(tài)，這會影響接口的最大工作速率。系統(tǒng)設(shè)計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 采用了針對兩種模式優(yōu)化的驅(qū)動電路，使系統(tǒng)設(shè)計人員完全擺脫這種約束。FSSD06 的輸出也采用同樣的專有驅(qū)動電路，無需解釋主機(jī)控制器的命令就能實現(xiàn)雙向通信，因而簡化所需的邏輯并進(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 (比如在無通信期間)，效果可能會更好。這可用 OEb 引腳禁用 FSSD06 的兩個端口來實現(xiàn)。根據(jù) SDIO 接口規(guī)范，時鐘線上沒有升壓電阻，如果 SD 卡仍處于上電狀態(tài)，卡的時鐘線將處于浮接。不過，F(xiàn)SSD06 通過連接一個微小的升壓電阻到任何未選中的卡端口的時鐘線上，解決了這個問題，防止上電的 SD 卡因浮接了一個 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延長電池工作時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，都是針對降低設(shè)備功耗以及簡化從單卡設(shè)計到多卡設(shè)計的轉(zhuǎn)換而開發(fā)的。
內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換電路
??? 無需采用低阻抗升壓電阻，就能在高速模式下驅(qū)動大電容性負(fù)載
??? 自動感測通信方向
??? 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)計需要擴(kuò)展 SDIO 接口的系統(tǒng)時，需要考慮幾個關(guān)鍵事項。設(shè)計人員面臨的最重要選擇是決定命令 (CMD) 和數(shù)據(jù) (DAT) 信號的升壓電阻的最優(yōu)值。該阻值越小，信號的完整性越好，這取決于跡線的長度，在高速數(shù)據(jù)傳輸時尤為突出；但系統(tǒng)功耗會增加。
圖2：典型應(yīng)用電路示意圖
??? 飛兆半導(dǎo)體開發(fā)出高度可配置的評測板，為設(shè)計人員提供協(xié)助。該板卡可插入各種阻值的升壓電阻。在每個 SD 卡端口都能測量不同阻值升壓電阻在每條跡線的電容性負(fù)載為 30pF 時的效果，阻值范圍是從 4.7k 到 100k 歐姆。四條數(shù)據(jù)跡線的每一條都具有相應(yīng)的不同升壓阻值，而命令線則可選擇五種不同的阻值，每種都有一個自有的跳線。使用這種配置的評測板，開發(fā)人員就能評測初始化和數(shù)據(jù)傳輸模式下時鐘、命令和數(shù)據(jù)線上的信號波形 (在每條跡線上提供了測試點)。通過監(jiān)視評測期間的電源電流，就可以選出最優(yōu)的升壓電阻，既能達(dá)到很好的信號完整性，同時又能最大限度地降低總體系統(tǒng)功耗。
??? 為監(jiān)視電流及評測不同電壓下的接口信號，該評測板還提供一些連接器，對主機(jī)端口和每個 SD 卡端口進(jìn)行獨立供電。使用跳線從連接器對特定的 SD 卡加電。評測板還配有 3 個調(diào)壓器 (1.8V、2.6V 和 3.3V)，便于用戶根據(jù)其應(yīng)用進(jìn)行電壓安排。
??? 飛兆半導(dǎo)體目前并提供 FSSD06 評測板和用戶手冊。