一文搞懂 USB 控制器与phy 关系

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转自 | 漫谈嵌入式

USB设备越来越常见，大到工控汽车电子，小到手机消费类电子，都有它的身影。今天就来讲讲USB 控制器与phy 的关系。

1. 概述

一个完整的usb 系统通信流程如下图所示：整个系统大致分为三层。

host

• 客户软件：管理接口设备

• usb 系统软件：管理设备

• USB 总线接口（HDC）：管理usb 帧数据

device

• function ：管理接口

• usb 逻辑设备：管理端点

• USB 总线接口(UDC)：管理usb 帧数据

整个数据流向如下：

设备端：function -> usb logical device -> SIE。

那么usb framed 数据到底是怎么产生的？ 

第一种方式：纯软件行为，软件添加 

第二种方式：硬件加工，生成符合usb 协议规范的帧数据。

目前市面上大部分主流usb 控制器采用第二种方式：即 CPU 从DDR 搬运数据到usb 控制器，然后通过usb phy 模型差分信号发送出去。

2. 什么是usb 控制器与phy

了解了前面的usb 数据通信基础流程。那么接下来我们来介绍一下，什么是控制器及phy。

2.1 usb 控制器

usb 控制器，可以简单理解为用来控制usb 逻辑及数据流传输的装置。我们可以类比其他控制器。包含几大块：

• 中断

• dma(内部dma/外部dma)

• FIFO（sram）

• 输入/输出：比如与phy 接口

现代复杂的usb 控制器有的还内置usb phy。

2.2 usb phy

所谓 phy，从字面意思就是物理接口。一般完成物理信号的转换。对于usb phy 而言，其主要完成以下工作：

• usb FS/HS 或者LS 模式选择

• usb 数据 NRZI 编码 和 Bit Stuffer

• 将otg 并行数据 转为 差分串行D-/D+ 数据

• 速度枚举，J/K 信号产生。

• ......

一句话总结：usb phy 将usb 控制器的数据，按字usb 标准协议编码，然后转成串行差分数据，并通过D+/D- 发送出去。反之，对于从host 产生的数据，经过usb phy 解码，然后到usb 控制器，最后到我们ddr 可以访问的应用数据。

3. 常见的控制器与phy 的形式

目前市面上主流的控制器与phy 大致有两种形式：

• 第一种，控制器集成usb phy

• 第二种，控制器需要外部接usb phy

不管是内部集成，还是外部连接。我们只需要关心控制器与phy 之间的标准接口即可。对于USB2.0 一般采用 UTMI 或者UTMI+ 接口。对于usb3.0 一般采用PIPE 接口。

不管是UTMI 接口还是PIPE 接口，其都是并行的标准接口。因此我们在学习时，不用关心特定的phy, 只需要关心其对应的接口协议即可。

4. UTM block

有关utmi 接口介绍，本文不做详细介绍。如下图是UTM function block。从图中我们可以看出，其主要的功能：

• HS/FS 模式选择

• NRZI 编码/解码

• Bit Stufer/unstuffer

• 输出clk

5. 控制器、PHY 与Soc 连接

控制器与phy 连接是通过标准的接口UTMI（2.0） 或者PIPE(3.0)

整个数据流程大致如下：

发送数据：CPU 通过cpu 模式/DMA 模式 搬运数据到 USB 控制器 的端点FIFO, 然后通过UTMI 接口经过usb phy 通过usb 发到host 端 

接口数据：host 到来的数据，经过usb phy 经utmi 接口转换，到usb 控制器的端点FIFO，然后通过cpu 或者dma 模式搬运到DDR

6. 总结

本文介绍了usb 控制器与phy 的关系。旨在帮助我们更好的理解usb 的整个数据流向。当我们在调usb 的通信时，到底在调什么？结合前面的枚举流程，来思考什么时候usb 的通信到了软件层面。

事实上，对于不调usb 控制器的厂家来说，大部分人都接触不到usb phy 的知识，因为很多原厂已经帮我们搞定。不过笔者认为，对于usb 的学习，不能只停留在软件层面，应该结合硬件对整个协议才会有一个更深入的认知。

当我们接触一款新的usb 控制器驱动时，我们应该关心什么？

• usb 控制器流程：不同的控制器参考usb ip 厂商给的控制流程。

• usb phy 初始化：事实上，phy 在芯片量产时基本已定型。可配的空间很小。phy 上大部分信号都是控制器输入的。故一般控制器配置ok. phy 上可能只需要微调一下即可。比如产生复位或者强制suspend 信号。

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