THine Value 集成GPIO和I2C傳輸的Serial transceiver。解說對使用者有益的兩項更改
2023.08.22
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THine Electronics於2023年7月發售了新型Serial transceiver IC （SerDes transceiver IC) 「THCS253/THCS254」。它的別名是「IOHA:B」（發音為I-O-Hub）。
本文是解說該新產品兩篇文章的第二篇。在第一篇的部分中，除了介紹新產品的特點外，我們還介紹了與既有產品「THCS251/THCS252」相比，「除了GPIO（汎用輸入/輸出）之外且對應I2C」，並向用戶說明其優勢。在這篇文章中，我們將更詳細地解說這些變化，並介紹另一個變更點「同步/非同步模式的導入」。
本文是解說該新產品兩篇文章的第二篇。在第一篇的部分中，除了介紹新產品的特點外，我們還介紹了與既有產品「THCS251/THCS252」相比，「除了GPIO（汎用輸入/輸出）之外且對應I2C」，並向用戶說明其優勢。在這篇文章中，我們將更詳細地解說這些變化，並介紹另一個變更點「同步/非同步模式的導入」。
自由定制I/O
這次新產品THCS253/THCS254的基本功能是用僅使用兩對差分線的serial傳輸來取代過去透過多條訊號線發送的parallel傳輸。例如，新產品可以將訊號線數量從34條減少到僅剩4條。降低幅度高達88%。而且可以減輕配線cable的重量，延長傳輸距離。正如第一篇提到，帶給用戶的好處是相當顯著的。
不過這個基本功能就和既有產品THCS251/THCS252的功能一模一樣，並沒有什麼新穎之處。新產品除了繼承了之前產品的這一基本功能，還做出了兩項重大改變。除了一開始介紹的GPIO外還支持I2C，並且導入了同步/非同步模式。
首先先詳細解說第一個變化，即除了GPIO之外還支持I2C。此次變更的內容已在第一篇中簡要介紹。也就是說，除了多個GPIO之外，還可以將一個或兩個I2C系統集成在一起進行serial傳輸。這為用戶帶來了極大的好處。因為透過使用I2C重寫內部register，使用者可以高度自由地定制I/O（輸入/輸出interface）部分。
具體來說,將新型THCS253/THCS254應用到電子設備時，準備兩個相同的芯片 (IC)，並使用PSSEL端子指定一個作為Primary Chip，另一個作為Secondary Chip。對THCS253，可處理的最大GPIO數量為32條；對於THCS254，可處理的最大GPIO數量為20條。例如，THCS253在Default情況下,設置為GPI（汎用輸入）16條和GPO（汎用輸出）16條（圖 1）。
圖 1 Default時的I/O設置(THCS253)
GPI和GPO的數量可以由用戶自由設置。這是因為透過I2C重寫內部register，每個端子都可以指定為GPI或GPO。圖2是一個具體示例（每個端子分配給 GPIO、I2S、SPI 和 UART輸入/輸出的示例）。
圖2 重寫內部register來定制I/O
使用者也可以指定既有產品THCS251/THCS252中GPI和GPO的數量，但數量比例只能分四個階段選擇。也就是說，定制I/O部分的自由度低於這次的新產品。
定制I/O的部分在電子設備突然添加新功能或發生設計變更、以及為未來的型號變更或追加新功能做準備，需要將設計共通化時特別能發揮其效果。
一般在執行設計變更、型號變更或功能添加的同時，新功能的電路數量增加，I/O端子的數量也可能會隨之增加，或者I/O端子的位置關係發生改變。既有產品在定制I/O部分的自由度不高，因此在某些情況下需要重新設計訊號傳輸路徑和其他硬體。然而，如果採用這次新產品，使用者能以非常高的自由度來定制I/O，並極其靈活地對應設計的變化和功能的添加。如此可以提高避免重新設計硬體的機率。這將可減少出現延長設計週期或增加設計成本的情況。
不過這個基本功能就和既有產品THCS251/THCS252的功能一模一樣，並沒有什麼新穎之處。新產品除了繼承了之前產品的這一基本功能，還做出了兩項重大改變。除了一開始介紹的GPIO外還支持I2C，並且導入了同步/非同步模式。
首先先詳細解說第一個變化，即除了GPIO之外還支持I2C。此次變更的內容已在第一篇中簡要介紹。也就是說，除了多個GPIO之外，還可以將一個或兩個I2C系統集成在一起進行serial傳輸。這為用戶帶來了極大的好處。因為透過使用I2C重寫內部register，使用者可以高度自由地定制I/O（輸入/輸出interface）部分。
具體來說,將新型THCS253/THCS254應用到電子設備時，準備兩個相同的芯片 (IC)，並使用PSSEL端子指定一個作為Primary Chip，另一個作為Secondary Chip。對THCS253，可處理的最大GPIO數量為32條；對於THCS254，可處理的最大GPIO數量為20條。例如，THCS253在Default情況下,設置為GPI（汎用輸入）16條和GPO（汎用輸出）16條（圖 1）。
圖 1 Default時的I/O設置(THCS253)GPI和GPO的數量可以由用戶自由設置。這是因為透過I2C重寫內部register，每個端子都可以指定為GPI或GPO。圖2是一個具體示例（每個端子分配給 GPIO、I2S、SPI 和 UART輸入/輸出的示例）。
圖2 重寫內部register來定制I/O使用者也可以指定既有產品THCS251/THCS252中GPI和GPO的數量，但數量比例只能分四個階段選擇。也就是說，定制I/O部分的自由度低於這次的新產品。
定制I/O的部分在電子設備突然添加新功能或發生設計變更、以及為未來的型號變更或追加新功能做準備，需要將設計共通化時特別能發揮其效果。
一般在執行設計變更、型號變更或功能添加的同時，新功能的電路數量增加，I/O端子的數量也可能會隨之增加，或者I/O端子的位置關係發生改變。既有產品在定制I/O部分的自由度不高，因此在某些情況下需要重新設計訊號傳輸路徑和其他硬體。然而，如果採用這次新產品，使用者能以非常高的自由度來定制I/O，並極其靈活地對應設計的變化和功能的添加。如此可以提高避免重新設計硬體的機率。這將可減少出現延長設計週期或增加設計成本的情況。
可定制的輸出形式和濾波器
此外，透過使用I2C重寫內部register，用戶還可以設置輸出形式和Digital noise filter。輸出形式有Push-pull和Open Drain兩種選項。除了能夠為每個端子設置是否存在Digital noise filter之外，使用者還可以選擇濾波器段數（次數）。但不能為每個端子設置段數（次數）。例如，如果確定3段(3次)，則應用於每個端子的濾波器的段數(次數)將全部為3段(3次)。
新產品初始設定搭載一個I2C系統，但我們創建了一種機制，允許使用者通過重寫內部register並將兩個GPIO分配給I2C將系統數量增加到兩個。根據所設計的電子設備，除了SoC提供的I2C系統之外，外部購買和安裝的觸控螢幕和NFC（Near Field Communication）等模組/unit中也有安裝其他I2C系統。在這種情況下，可以將I2C增加到兩個系統,如此一來會方便許多。此外，如果使用兩個 I2C 系統（訊號數量為4條），則THCS253的GPIO將有30條，THCS254將有18條。
新產品初始設定搭載一個I2C系統，但我們創建了一種機制，允許使用者通過重寫內部register並將兩個GPIO分配給I2C將系統數量增加到兩個。根據所設計的電子設備，除了SoC提供的I2C系統之外，外部購買和安裝的觸控螢幕和NFC（Near Field Communication）等模組/unit中也有安裝其他I2C系統。在這種情況下，可以將I2C增加到兩個系統,如此一來會方便許多。此外，如果使用兩個 I2C 系統（訊號數量為4條），則THCS253的GPIO將有30條，THCS254將有18條。
同步和非同步模式均可使用
接下來我們談談另一個大的變化，同步/非同步模式的導入。既有產品THCS251/THCS252只能使用同步模式，而這款新產品現在可以使用同步和非同步模式。用戶可以使用Secondary Chip上的端子設定來選擇使用模式。
同步模式是指Primary Chip到Secondary Chip的downlink（下行）和Secondary Chip到Primary Chip的uplink（上行）使用相同的參考clock訊號。也就是說，下行和上行參考clock的頻率和位相完全相同。實際上，同步模式是Secondary Chip接收來自Primary Chip發送的Serial訊號（嵌入clock訊號的8B10B調製訊號），並使用由Secondary Chip的Clock Data Recovery（CDR）迴路抽出的clock訊號使uplink動作（圖3、圖4）。
另一方面，非同步模式是指downlink和uplink使用不同的參考clock訊號運行（圖5和圖6）。即使兩個參考clock訊號的頻率相同，如果位相不同，則建立非同步模式。
圖5外部輸入的非同步模式示例
同步模式的優點是它不需要參考clock訊號源來供給Secondary Chip。但也有Pararel訊號的同步讀取只能透過Primary Chip來實現的缺點。對於Secondary Chip來說，使用的參考clock訊號是CDR迴路抽出的參考clock訊號，與要讀取的Pararel訊號無關，因此成為非同步讀取。能夠同步讀取的downlink可以傳輸高速的圖像/影像訊號，而非同步讀取的uplink則不能傳輸高速圖像/影像訊號，只能用於低速傳輸的控制訊號。
非同步模式的導入就是為了解決這個缺點。向Primary Chip和Secondary Chip提供單獨的參考clock訊號允許兩者同步讀取Parallel訊號。換句話說，高速圖像/影像訊號可以在downlink和uplink上傳輸。
但這裡有一點需要注意，就是Primary Chip和Secondary Chip提供參考clock訊號的方式。供給的方式有兩種。一種方法是從外部clock訊號迴路提供。另一種方法是從每個chip內置的OSC提供。前者可以與Parallel訊號的參考clock訊號共用以實現同步讀取。但由於後者無法將內部OSC clock訊號輸出到外部，因此無法與Parallel訊號的參考clock訊號共享，從而導致非同步讀取。因此，使用者需要根據自己希望在downlink和uplink傳輸訊號的特性來選擇參考clock訊號的提供方式。
同步模式是指Primary Chip到Secondary Chip的downlink（下行）和Secondary Chip到Primary Chip的uplink（上行）使用相同的參考clock訊號。也就是說，下行和上行參考clock的頻率和位相完全相同。實際上，同步模式是Secondary Chip接收來自Primary Chip發送的Serial訊號（嵌入clock訊號的8B10B調製訊號），並使用由Secondary Chip的Clock Data Recovery（CDR）迴路抽出的clock訊號使uplink動作（圖3、圖4）。
圖3 外部輸入的同步模式示例
圖4 內部 OSC的同步模式示例
另一方面，非同步模式是指downlink和uplink使用不同的參考clock訊號運行（圖5和圖6）。即使兩個參考clock訊號的頻率相同，如果位相不同，則建立非同步模式。
圖5外部輸入的非同步模式示例
圖6 內部OSC的非同步模式示例
同步模式的優點是它不需要參考clock訊號源來供給Secondary Chip。但也有Pararel訊號的同步讀取只能透過Primary Chip來實現的缺點。對於Secondary Chip來說，使用的參考clock訊號是CDR迴路抽出的參考clock訊號，與要讀取的Pararel訊號無關，因此成為非同步讀取。能夠同步讀取的downlink可以傳輸高速的圖像/影像訊號，而非同步讀取的uplink則不能傳輸高速圖像/影像訊號，只能用於低速傳輸的控制訊號。
非同步模式的導入就是為了解決這個缺點。向Primary Chip和Secondary Chip提供單獨的參考clock訊號允許兩者同步讀取Parallel訊號。換句話說，高速圖像/影像訊號可以在downlink和uplink上傳輸。
但這裡有一點需要注意，就是Primary Chip和Secondary Chip提供參考clock訊號的方式。供給的方式有兩種。一種方法是從外部clock訊號迴路提供。另一種方法是從每個chip內置的OSC提供。前者可以與Parallel訊號的參考clock訊號共用以實現同步讀取。但由於後者無法將內部OSC clock訊號輸出到外部，因此無法與Parallel訊號的參考clock訊號共享，從而導致非同步讀取。因此，使用者需要根據自己希望在downlink和uplink傳輸訊號的特性來選擇參考clock訊號的提供方式。
提高stand-by功能的方便性
最後，再介紹一下新產品中使用I2C實現三個便利的新功能。
第一個是「產生PWM訊號功能」（圖7）。既有產品可以透過Primary Chip的GPIO輸入讀取非同步頻率的PWM訊號，將其集成Serial訊號，傳送至Secondary Chip。不過，新產品具有透過I2C設定內部register產生PWM訊號的功能。Primary Chip或Secondary Chip都可以。可用於液晶面板的背光亮度調節、LED調光、馬達驅動等。
第二個是「I/O擴展功能」（圖8）。該功能在I2C和GPIO之間轉換數據並將其發送到Primary Chip或 Secondary Chip。將I2C Serial數據轉換為GPO Parallel數據並發送，或監控輸入到GPI的Parallel數據，將結果存儲在內部register中，並將其作為I2C的Serial數據輸出。之所以稱為I/O擴展器功能，是因為它看上去就像是I2C端子被擴張了一樣。
三是「stand-by功能」（圖9）。借助這款新產品，現在可以透過I2C重寫內部register來轉換或離開stand-by模式。從Primary Chip側，不僅可以設置Primary Chip從stand-by狀態轉換/離開，也可以設置Secondary Chip的轉換/離開。
stand-by模式下的電流消耗低至6mA。正常運作期間為50至100mA。即使在stand-by模式下，I2C 和最大8 bit的GPIO也可以在Primary Chip和 secondary chip之間交流。此外，即使在stand-by模式下，也可以繼續藉由光電轉換裝置的光傳輸或近距離無線通訊裝置來進行無線傳輸。因此，無需斷開link也可從正常工作的模式切換至stand-by模式。
以上
第一個是「產生PWM訊號功能」（圖7）。既有產品可以透過Primary Chip的GPIO輸入讀取非同步頻率的PWM訊號，將其集成Serial訊號，傳送至Secondary Chip。不過，新產品具有透過I2C設定內部register產生PWM訊號的功能。Primary Chip或Secondary Chip都可以。可用於液晶面板的背光亮度調節、LED調光、馬達驅動等。
圖7 PWM訊號生成功能
第二個是「I/O擴展功能」（圖8）。該功能在I2C和GPIO之間轉換數據並將其發送到Primary Chip或 Secondary Chip。將I2C Serial數據轉換為GPO Parallel數據並發送，或監控輸入到GPI的Parallel數據，將結果存儲在內部register中，並將其作為I2C的Serial數據輸出。之所以稱為I/O擴展器功能，是因為它看上去就像是I2C端子被擴張了一樣。
圖8 I/O擴展功能
三是「stand-by功能」（圖9）。借助這款新產品，現在可以透過I2C重寫內部register來轉換或離開stand-by模式。從Primary Chip側，不僅可以設置Primary Chip從stand-by狀態轉換/離開，也可以設置Secondary Chip的轉換/離開。
圖9 stand-by功能
stand-by模式下的電流消耗低至6mA。正常運作期間為50至100mA。即使在stand-by模式下，I2C 和最大8 bit的GPIO也可以在Primary Chip和 secondary chip之間交流。此外，即使在stand-by模式下，也可以繼續藉由光電轉換裝置的光傳輸或近距離無線通訊裝置來進行無線傳輸。因此，無需斷開link也可從正常工作的模式切換至stand-by模式。
以上