USB控制器与phy有何关系

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。

审核编辑：刘清