基於亞信AX88179A晶片的USB 3.2轉超高速乙太網路設計

2023年1月4日

透過已被廣泛使用於各種消費電子產品的USB介面,亞信電子AX88179A USB 3.2 Gen1轉超高速乙太網路晶片解決方案,可以為輕薄短小的筆記型電腦、智慧手機、平板電腦、遊戲機等智慧連網設備,提供一個高速穩定、簡單設計、容易使用、高性價比的有線連網最佳解決方案。

(圖一) USB乙太網路 vs 無線網路連網速度比較 on 任天堂Switch
(圖一) USB乙太網路 vs 無線網路連網速度比較 on 任天堂Switch

為輕薄省電的智慧連網設備提供高速穩定的有線網路 - USB乙太網路晶片

USB通訊介面由於硬體設計很簡單與具有高傳輸速度的特性,迅速發展成為大部分行動設備的標準通訊介面。USB 2.0通訊介面(只需要4接腳),最大傳輸速度可達480 Mbps;USB 3.2 Gen1通訊介面(只需要9接腳),支援可雙向插拔的USB Type-C通訊介面,最大傳輸速度可達5 Gbps;最新推出的USB 4.0標準(只需要24接腳),最大傳輸速度更可達40 Gbps,以符合未來超高速通訊介面的市場需求。另外,USB通用串列匯流排技術可支援熱插拔(Hot-Swap)、隨插即用(Plug & Play)與大電流快速充電的便捷功能,因此現在已經廣泛使用於各種電腦周邊設備、筆記型電腦、智慧手機、平板電腦、手持式行動裝置、遊戲機等智慧連網設備,成為現代智慧世代科技中最重要的通訊介面之一。

現代的智慧連網設備皆講求可攜性及輕薄短小之特性,因此大部分都以Wi-Fi無線網路或4G/5G行動網路為主要的通訊介面,並且不再支援內建的有線乙太網路通訊介面。然而,部分無線網路環境有時會受周遭環境的影響,導致網路連接不穩與資料傳輸速度緩慢的問題,利用便利的USB通訊介面,連接USB乙太網路卡或多功能智慧擴充基座,成為智慧連網設備獲得高速穩定有線連網功能的最佳解決方案。

(圖二) AX88179A USB 3.2 Gen1 轉超高速乙太網路產品應用
(圖二) AX88179A USB 3.2 Gen1 轉超高速乙太網路產品應用

超高速USB乙太網路晶片

亞信電子為一專業的工業/嵌入式/USB乙太網路與I/O橋接晶片設計製造廠商。20多年來長期耕耘USB乙太網路晶片市場,累積廣大的客戶群,並獲得許多國際大廠的認證使用,奠定全球USB乙太網路晶片市場的領導廠商地位。

亞信電子AX88179A是一款USB 3.2 Gen1轉Gigabit超高速乙太網路控制單晶片,將USB 3.2 Gen1實體層(PHY)、10/100/1000Mbps超高速乙太網路實體層(PHY)及媒體存取控制器(MAC)整合於單一晶片中。AX88179A在Windows 11/10/8.x、Linux/Android/Chrome OS、Nintendo Switch等作業系統皆已支援內建的驅動程式,在macOS/Linux作業系統並可支援內建的CDC-NCM驅動程式,提供客戶便利的免驅動(Driverless)與隨插即用(Plug and Play)軟體支援功能。AX88179A可適用於各種桌上型電腦、筆記型電腦、USB乙太網路卡、多功能智慧擴充基座、智慧手機/平板電腦擴充基座、遊戲機、POS收銀機、智慧攝影機/機上盒、5G/LTE路由器/閘道器,與各種支援USB介面的嵌入式系統等智慧居家與辦公室網路相關產品應用。

(圖三) AX88179A產品硬體設計方塊圖
(圖三) AX88179A產品硬體設計方塊圖
(圖四) AX88179A電路原理圖
(圖四) AX88179A電路原理圖
(圖五) AX88179A PCB佈局設計文件
(圖五) AX88179A PCB佈局設計文件

簡單地硬體設計

亞信電子提供完整的AX88179A電路原理圖與PCB佈局設計文件給客戶參考,讓設計人員可以簡單地將AX88179A設計到需要透過USB 3.2 Gen1介面支援超高速乙太網路功能的產品應用中,並可大大地縮短客戶產品硬體設計的時程。

(圖六) 亞信USB乙太網路晶片-免驅動與隨插即用軟體支援
(圖六) 亞信USB乙太網路晶片-免驅動與隨插即用軟體支援

便利的免驅動(Driverless)與隨插即用(Plug and Play)軟體支援

亞信電子USB乙太網路晶片解決方案皆提供完整的軟韌體技術支援,包括Apple macOS、Windows 11/10/8.x、Linux/Android/Chrome OS、UEFI X64/ARM等驅動程式,以及工廠生產燒錄與測試相關的工具。客戶完成產品硬體設計後,可以直接使用亞信電子提供的驅動程式與生產燒錄測試工具,進行產品功能測試驗證,不需要額外的軟體人力進行相關軟韌體開發與維護。

最新的AX88179A USB 3.2 Gen1轉超高速乙太網路控制晶片,可向下相容AX88179軟體驅動程式,因此在Windows 11/10/8.x、Linux/Android/Chrome OS、Nintendo Switch等作業系統皆可自動安裝系統內建的驅動程式,不需另外安裝驅動程式,即可正常使用網路連線功能。另外,AX88179A支援USB-IF定義的CDC-ECM與CDC-NCM標準網路設備協議,在macOS/Linux作業系統可自動安裝內建的CDC-NCM驅動程式,提供客戶便利的免驅動(Driverless)與隨插即用(Plug and Play)軟體支援功能。

(圖七) 亞信USB乙太網路晶片解決方案 for 任天堂Switch
(圖七) 亞信USB乙太網路晶片解決方案 for 任天堂Switch

有些遊戲機平台(如任天堂Switch)只支援Wi-Fi無線連網功能,為了提供使用者更穩定及高傳輸速度的上網體驗,任天堂Switch作業系統已經內建亞信USB乙太網路晶片的驅動程式。在Switch遊戲機插入亞信AX88179A USB乙太網路卡後,會自動安裝系統內建的驅動程式,即可開始輕鬆地使用任天堂提供的線上服務功能。

(圖八) AX88179A Windows生產燒錄與測試環境
(圖八) AX88179A Windows生產燒錄與測試環境
(圖九) AX88179A Windows生產燒錄工具
(圖九) AX88179A Windows生產燒錄工具
(圖十) AX88179A Windows生產網路測試工具
(圖十) AX88179A Windows生產網路測試工具

提高工廠量產效率的生產燒錄測試工具

所有網路產品皆需要設置一個唯一的MAC地址。因此,在工廠生產AX88179A產品時,都必須在AX88179A 內建的eFuse或外部的Flash記憶體,燒錄一個唯一的MAC地址,並進行網路基本功能測試。為了加速客戶工廠生產效率,亞信電子提供Windows生產燒錄與測試工具,方便客戶直接在產線上進行AX88179A eFuse/Flash記憶體的燒錄,並可做基本網路功能的測試,以縮短AX88179A生產燒錄測試所需的時間。

(圖十一) iPerf3網路效能測試工具
(圖十一) iPerf3網路效能測試工具
(圖十二) AX88179A iPerf3網路效能測試數據
(圖十二) AX88179A iPerf3網路效能測試數據

超高速USB乙太網路效能測試數據

使用者可以使用免費的iPerf3 網路效能測試工具(https://iperf.fr/),在Apple macOS、Windows 11/10/8.x、Linux/Android/Chrome等不同的作業平台上,進行網路效能的測試。AX88179A除了在各種作業平台下,提供便利的免驅動(Driverless)與隨插即用(Plug and Play)軟體支援功能;也提供優秀的高傳輸網路速度與低CPU使用率的網路效能。根據iPerf3測試數據結果,AX88179A 在USB 3.2與1000M全雙工(Full-duplex)運作模式下,Tx與Rx網路效能可達940Mbps,CPU使用率為4%。以下是iPerf3在Server與Client端網路效能測試指令的範例。

iPerf3 Server PC (IP: 192.168.0.100): iperf3 -s
iPerf3 Client PC (IP: 192.168.0.200): iperf3 -c 192.168.0.100 -i 5 -t 100

先進的電源管理與精準時間同步進階功能

因應全球低功耗節能省電產品的大趨勢,AX88179A支援先進的電源管理功能,如NDIS通訊協定卸載(ARP & NS)、ECMA-393 ProxZzzy主機休眠標準、微軟新式待命(Modern Standby)等進階省電功能,可以大幅降低系統進入休眠模式後的耗電量。在AX88179A USB 3.2與1G全雙工高效能運作模式下,耗電量約0.65瓦;進入低功耗WOL休眠模式後,耗電量大幅降低至約0.09瓦;關閉WOL進入休眠模式後,耗電量可以接近0瓦。傳統的乙太網路晶片,在系統正常運作狀態下,網路線拔除後網路晶片仍然處於正常運作的狀態,造成一些不必要的耗電量。AX88179A支援獨特的AutoDetach省電模式,當偵測到網路線被拔除時,AX88179A會主動脫離USB主機進入省電模式,耗電量大幅降低至約0.06瓦;當偵測到網路線被插入後,AX88179A會自動恢復成正常運作模式。這個AX88179A獨特的省電功能,可以大幅降低在系統正常運作下不需要使用連網功能時的耗電量。

智慧家庭、智慧辦公室、智慧工廠、智慧城市、智慧交通、…,身處於一個萬事萬物皆需連網的智慧世代,如何能夠讓所有連網設備都能做到精準的時間同步?現有的IEEE 1588精確時間協議(Precision Time Protocol, PTP)標準就是一個很好的解決方案。為了因應智慧世代精準時間同步的產品需求,AX88179A支援IEEE 1588v2與802.1AS精確時間協議(PTP)功能,提供客戶一個方便使用又可以支援精準時間同步功能的USB轉超高速乙太網路解決方案。根據AX88179A在Linux平台的實測數據,兩台AX88179A設備間精準時間同步的速度可以達到35ns。

結論

在萬物皆講求輕薄短小的智慧世代中,亞信電子AX88179A USB 3.2 Gen1轉Gigabit超高速乙太網路控制晶片,提供客戶一個高速穩定、簡單設計、容易使用、高性價比的USB轉超高速乙太網路解決方案。在Apple macOS、Windows 11/10/8.x、Linux/Android/Chrome OS、Nintendo Switch等作業系統皆已支援內建的驅動程式,可以輕鬆地做到免驅動(Driverless)與隨插即用(Plug and Play)的便利功能。利用AX88179A的先進電源管理與精確時間協議進階功能,可以進一步滿足客戶產品低功耗與精準時間同步的市場需求。透過已被廣泛使用並可支援熱插拔(Hot-Swap)、隨插即用(Plug & Play)與大電流快速充電等便利功能的USB通訊介面,超高速USB乙太網路解決方案必然可以快速成長,成為提供高速穩定有線連網功能的最佳解決方案。