A kétjeles, forrásszinkron interfész képes az USB2.0 szabványnak megfelelő, 480 Mibit/s adatsebesség biztosítására. Az adatátvitel 100%-ban kompatibilis a gazdavezérlő meghajtókkal és hagyományos USB topológiákkal. A Full-Speed (FS) és Low-Speed (LS) változatokat a formátum nem támogatja, azonban egy alkalmas elosztóval ez a probléma áthidalható.
A HSIC interfész az USB-től kizárólag a fizikai réteg tekintetében különbözik, a legjelentősebb eltéréseket a forrásszinkron soros adatátvitel és a forrócsere támogatásának hiánya jelentik (lévén az interfész folyamatosan csatlakoztatott állapotban van a fix huzalozásnak köszönhetően). A jelszint 1,2 V, amely megfelel a kis teljesítményű alkalmazásoknak (LV CMOS jelszinteknek). A vezetékes maximális hosszúsága 10 cm, a gazda és eszköz közötti adatátvitel protokollja a HSIC esetében is ugyanaz, mint az USB-nél (lásd 1. ábra).
1. ábra. Gazda-eszköz közötti adatcsomag átviteleAz elsődleges különbséget az adja, hogy a rendszer minden információt egyetlen adatvonalon át továbbít, a kapujel pedig azt jelzi, hogy a vett adatjel mikor van tényleges vehető állapotban. A HSIC kettős adatrátájú (DDR) jelrendszert használ, tehát az adatot a kapujel felfutó és lefutó élein is mintavételezik. A kapujel frekvenciája 240 MHz, így a teljes adatsebesség 480 Mibit/s.
A HSIC előnyei az USB-hez képest
A HSIC több tekintetben is jelentős előnyöket kínál az USB-hez képest a chipek közötti kommunikáció bonyolításában. A HSIC teljesen digitális szabvány, így az implementációhoz semmilyen analóg frontendre nincs szükség, ezáltal a chipek mérete és ebből következően a bekerülési költségeik is alacsonyabbak lehetnek. Az egyszerűsített csatlakoztatási protokoll azt is lehetővé teszi, hogy a digitális logikai részt is karcsúsítsák, amely további méret- és költségcsökkentést eredményezhet.
A HSIC-szabvány nemcsak alaptermészeténél fogva csökkenti a rendszer teljesítményigényét, hanem az analóg rész eltávolításának lehetősége szintén kisebb fogyasztású rendszereket tesz elérhetővé, amely a nem feltétlenül egyenes arányosság miatt a digitális logikai részekkel jelentős is lehet. A HSIC teljesítményigénye felfüggesztett működési állapotban különösen alacsony, mivel ilyenkor nem jelentkezik áramfelvétel a kapujel- és adatvonalakon sem – ehhez képest az USB-nél egy 1,5 kΩ névértékű ellenálláson keresztül minimum 200 µA az áramfelvétel készenléti állapotban is.
Mivel a HSIC csak a fizikai réteg tekintetében különbözik az USB-től, az átállás USB-ről HSIC-re közel sem ér fel azzal, mintha egy teljesen új kommunikációs szabványt kellene implementálni. Ez azt is jelenti, hogy a már meglévő USB szoftverstackek és USB-s protokollokban szerzett jártasság kiválóan hasznosítható a HSIC implementációja során is.
Adatminta-vételezés
Az USB esetében minden adatkeret egy szinkronizálómintával kezdődik, amely lehetővé teszi, hogy a vevő órajele a bejövő adattal fázisba kerüljön. A D+/D– differenciális adatjeleket ezt követően a szinkronizálómintának megfelelően mintavételezi a rendszer. A HSIC-ben külön kapujel működik, amely megmondja a vevőnek, hogy mikor kezdheti a bejövő adatokat mintavételezni.
A HSIC-adatjelet a kapujel fel- és lefutó élére is mintavételezik. Ha a kapu- és adatjelek egymáshoz képest elcsúsznak, a vett adatok megsérülhetnek, erre az esetre a HSIC elektromos specifikációi maximum 15 ps időmértékű csúszástoleranciát engednek meg. E probléma elkerülésére a HSIC huzalozási pályákat a lehető legrövidebben kell tartani, és egy esetben sem haladhatják meg a 10 cm hosszúságot. Az adat- és kapujel-pályáknak egyenlő hosszúnak kell lenniük, és ajánlott 50 Ω impedanciára kivezetni őket.
A csúszás mértékének illusztrálására szolgál a 2. ábra, amely egy tesztadatcsomag átvitelét mutatja a gazda és az eszköz között megegyező hosszúságú kapujel- és adatjelpályáknál.
2. ábra. Adatátvitel azonos hosszúságú huzalozási pályák esetén a kapujel- és adatjel-vezetékeknélA 3. ábra olyan esetet mutat, amikor ugyanezt a tesztadatcsomagot az adatvezetékhez képest 10 cm-rel hosszabb kapujel-vezetéknél próbáljuk meg átjátszani a gazda és az eszköz között. Az így keletkező csúszás a kettő között kb. 0,5 ns, amely jelentősen túlmutat a szabvány által specifikált 15 ps időértéken. Ez ugyan egy szélsőséges példa, de azt jól szemlélteti, hogy még egy kicsinek gondolt eltérés is mekkora problémát okozhat a huzalozási pályák hosszúságában.
3. ábra. Adatátvitel az adatvezetéknél 10 cm-rel hosszabb kapujel-vezeték eseténAz egyvégű felépítés és a lezárásokban tapasztalható különbségek problémát okozhatnak, ha a HSIC jelvezetékeket műszerrel mérni szeretnénk. A standard USB-jelek könnyedén kimérhetők és a rajta folyó információk dekódolhatók egy oszcilloszkóp és differenciális mérőfej segítségével mind az adó-, mind a vételi oldalakon. A HSIC-jelek sokkal érzékenyebbek, és rámérés során figyelembe kell venni a távvezeték-elméletet is.
Hatékony általános irányelv, ha a mérőfejjel a jelforrással ellenkező oldalon csatlakozunk a rendszerbe. Tehát ha például a szolgáról (eszközről) származó jeleket szeretnénk kimérni, a mérőfejet a gazdavezérlő oldalán lévő csatlakozópontokra illesszük, ha pedig a gazdavezérlőről induló jeleket mérnénk ki, a szolga oldalára csatlakozzunk fel! Ha a szolga jeleit mérjük úgy, hogy a saját oldalára csatlakozunk a mérőfejjel, torzított jelalakot kapunk, mert interferencia keletkezik a jel saját magára történő visszaverődése miatt. Próbálkozhatunk a huzalozási pálya közepe tájékán is, de az eredmény nagy valószínűséggel nem lesz olyan tiszta, mintha a forráshoz viszonyított ellenkező oldalon próbálkoznánk.
Az ideális az lenne, ha időben egyszerre mindkét oldalon végeznénk mérést. Erre a feladatra egy sorosprotokoll-analizátor mérőműszer elviekben alkalmas lehet, ám a 10 cm-ben maximált vezetékhossz ezt a gyakorlatban sokszor kivitelezhetetlenné teszi.
A csatlakozás felépítése
A HSIC interfész úgy épül fel, hogy a gazda és a periféria egymáshoz képest tetszőleges sorrendben kapcsolható be. A hibás összeköttetések elkerülése érdekében a gazdavezérlő, az elosztó és a perifériák esetében is biztosítani kell, hogy a kapu- és adatjelek ne lebegjenek határozatlan logikai értéken.
A 4. ábra egy csatlakozási szekvencia időtartománybeli folyamatát mutatja. Mivel ebben az esetben nincs szükség sebességegyeztetésre, a folyamat sokkal egyszerűbb, mint az USB esetében. Ezt a szekvenciát egy rendkívül egyszerű állapotgép képes kezelni, így nem szükséges nagy bonyolultságú logika.
4. ábra. Csatlakozási szekvencia a HSIC-n a tétlen vagy felfüggesztett állapotból való visszatéréskorA standard USB esetében a gazdavezérlő a DP/DM jelfeszültségen mérhető magnitúdók monitorozásával képes megállapítani, ha egy haladó jelirányú port leválasztásra kerül. Ha a feszültség meghaladja a leválasztási feszültség küszöbértékét, a gazdavezérlő megállapítja, hogy a periféria leválasztásra került.
A HSIC nem támogatja ezt a leválasztási protokollt, mivel alapvető rendeltetése, hogy fix huzalozással, állandó összeköttetéssel működjön. Ezzel együtt is előállhat olyan helyzet, amikor a haladó jelirányú eszköz leválasztottnak tűnhet, ezért gondoskodni kell arról, hogy a gazda ne veszítse el végérvényesen a kapcsolatot az eszközzel. Ilyen helyzet azért állhat elő, mert a gazdavezérlő buszforgalom híján tétlen állapotban van, a tétlen állapot pedig jelek szempontjából egyenértékű a felfüggesztett állapottal. A gazdavezérlő nem képes megállapítani azt, ha egy haladó jelirányba eső periféria lekapcsolásra vagy leválasztásra került. Mivel a felfüggesztett állapotbeli jelzések azonosak a tétlen állapotbeliekkel, lehetséges elérni egy olyan rendszerállapotot, amelyben a haladó jelirányba eső periféria úgy érzi, hogy felfüggesztésre került, míg az ellenirányban lévő gazda úgy látja, hogy haladó jelirányban nincs periféria, és végtelen várakozásba kezd egy csatlakozáskezdeményező jelre nézve. Hasonló helyzet állhat elő akkor is, ha a gazda letiltja a portot akkor, ha az eszköz úgy látja, hogy felfüggesztésre került.
E helyzetek kialakulása elég valószínűtlen olyan esetekben és rendszerekben, amikor a gazdák és perifériák sosem mennek át ki-/bekapcsolási cikluson, és nem kapnak szoft-resetet. Ha mégis előáll ilyen helyzet, akkor azt alkalmazásspecifikus módon kell megoldani összeköttetési és szoftverstack-szinteken. Ez a szoftverstack megfelelő programozásával megvalósítható, ill. az összeköttetés is megtervezhető úgy, hogy ezeket az eseteket eleve kizárja. További lehetőségként az SoC a haladó jelirányú periféria leválasztódása esetén is közbeléphet a HSIC elosztó újraindításával, aminek hatására elindul az eszközfelismerési szekvencia, a kapcsolat pedig újra felépül. A Microchip USB254x, USB3613, USB3813, USB4604 és USB4624 típusszámú eszközeinél az SoC a VBUS-DET kivezetés segítségével képes az összeköttetés újrafelépítésére, hiszen a kivezetés alacsony szintre húzásával az elosztó felfüggeszthető, magasra húzásával pedig felébreszthető.
Összefoglalás
A HSIC-szabvány előnyei a fix huzalozású alkalmazásokban az USB-hez képest jelentősek egészen addig, amíg az összeköttetésre és leválasztásra vonatkozó előírásokat és irányelveket a tervezők betartják. Az ismertetett procedúrák jelentősége különösen nagy akkor, ha a HSIC üzemeltetése során jelentkező csatlakozási/átviteli problémákat próbáljuk megoldani.
