USB控制器與phy有何關系

1. 概述

一個完整的usb 系統通信流程如下圖所示：整個系統大致分為三層。

host

客戶軟件：管理接口設備

usb 系統軟件：管理設備

USB 總線接口（HDC）：管理usb 幀數據

device

function ：管理接口

usb 邏輯設備：管理端點

USB 總線接口(UDC)：管理usb 幀數據

整個數據流向如下：

設備端：function -> usb logical device -> SIE。

那么usb framed 數據到底是怎么產生的？

第一種方式：純軟件行為，軟件添加

第二種方式：硬件加工，生成符合usb 協議規范的幀數據。

目前市面上大部分主流usb 控制器采用第二種方式：即 CPU 從DDR 搬運數據到usb 控制器，然后通過usb phy 模型差分信號發送出去。

2. 什么是usb 控制器與phy

了解了前面的usb 數據通信基礎流程。那么接下來我們來介紹一下，什么是控制器及phy。

2.1 usb 控制器

usb 控制器，可以簡單理解為用來控制usb 邏輯及數據流傳輸的裝置。我們可以類比其他控制器。包含幾大塊：

中斷

dma(內部dma/外部dma)

FIFO（sram）

輸入/輸出：比如與phy 接口

現代復雜的usb 控制器有的還內置usb phy。

2.2 usb phy

所謂 phy，從字面意思就是物理接口。一般完成物理信號的轉換。對于usb phy 而言，其主要完成以下工作：

usb FS/HS 或者LS 模式選擇

usb 數據 NRZI 編碼 和 Bit Stuffer

將otg 并行數據 轉為 差分串行D-/D+ 數據

速度枚舉，J/K 信號產生。

......

一句話總結：usb phy 將usb 控制器的數據，按字usb 標準協議編碼，然后轉成串行差分數據，并通過D+/D- 發送出去。反之，對于從host 產生的數據，經過usb phy 解碼，然后到usb 控制器，最后到我們ddr 可以訪問的應用數據。

3. 常見的控制器與phy 的形式

目前市面上主流的控制器與phy 大致有兩種形式：

第一種，控制器集成usb phy

第二種，控制器需要外部接usb phy

不管是內部集成，還是外部連接。我們只需要關心控制器與phy 之間的標準接口即可。對于USB2.0 一般采用 UTMI 或者UTMI+ 接口。對于usb3.0 一般采用PIPE 接口。

不管是UTMI 接口還是PIPE 接口，其都是并行的標準接口。因此我們在學習時，不用關心特定的phy, 只需要關心其對應的接口協議即可。

4. UTMblock

有關utmi 接口介紹，本文不做詳細介紹。如下圖是UTM function block。從圖中我們可以看出，其主要的功能：

HS/FS 模式選擇

NRZI 編碼/解碼

Bit Stufer/unstuffer

輸出clk

5. 控制器、PHY 與Soc 連接

控制器與phy 連接是通過標準的接口UTMI（2.0） 或者PIPE(3.0)

整個數據流程大致如下：

發送數據：CPU 通過cpu 模式/DMA 模式 搬運數據到 USB 控制器 的端點FIFO, 然后通過UTMI 接口經過usb phy 通過usb 發到host 端

接口數據：host 到來的數據，經過usb phy 經utmi 接口轉換，到usb 控制器的端點FIFO，然后通過cpu 或者dma 模式搬運到DDR

6. 總結

本文介紹了usb 控制器與phy 的關系。旨在幫助我們更好的理解usb 的整個數據流向。當我們在調usb 的通信時，到底在調什么？結合前面的枚舉流程，來思考什么時候usb 的通信到了軟件層面。

事實上，對于不調usb 控制器的廠家來說，大部分人都接觸不到usb phy 的知識，因為很多原廠已經幫我們搞定。不過筆者認為，對于usb 的學習，不能只停留在軟件層面，應該結合硬件對整個協議才會有一個更深入的認知。

當我們接觸一款新的usb 控制器驅動時，我們應該關心什么？

usb 控制器流程：不同的控制器參考usb ip 廠商給的控制流程。

usb phy 初始化：事實上，phy 在芯片量產時基本已定型?？膳涞目臻g很小。phy 上大部分信號都是控制器輸入的。故一般控制器配置ok. phy 上可能只需要微調一下即可。比如產生復位或者強制suspend 信號。

審核編輯：劉清