UTMI接口规范介绍

1. 什么是UTMI?

UTMI （USB2.0 Transceiver Macrocell Interface）：USB2.0 通用传输接口。最初设计是为了减少开发厂商的工作量，旨在提供一种通用标准，来完成USB 2.0 的 底层协议数据处理。UTMI 的出现是为了加速USB2.0 外设的开发。

UTMI 最主要的作用主要是负责USB 协议中最底层的物理电信号的转换。其本质是一个接口规范，与usb phy 相连。

下图总结了在这个规范中表达的一些概念：

USB 2.0 Transceiver Macrocell（UTM）：

Serial Interface Engine（SIE）：串行接口引擎

Device Specific Logic：设备特殊逻辑

1.1 UTM

UTM 处理低级别的USB协议和信号。这包括诸如；数据序列化和反序列化、位填充和时钟恢复和同步等特性。

UTM的主要焦点是将数据的时钟域从USB 2.0速率转移到与ASIC中的一般逻辑兼容的速率。

UTM 的关键特点：

消除了高速USB 2.0逻辑设计

标准收发器接口为USB 2.0 SIE VHDL提供多个IP源

支持480 Mbit/s“高速”（HS）/ 12 Mbit/s“全速”（FS）；仅支持FS和“低速”（LS）；仅支持 LS 1.5 Mbit/s串行数据传输速率。

利用8位并行接口传输和接收USB 2.0电缆数据。

SYNC/EOP生成和检查

高速和全速运行，以支持“双模式”设备的发展

bit-stuffing/bit-unstuffing, bit error detect

能够在FS和HS终端/信号之间切换

等等

UTMI被设计用于支持HS/FS、仅FS和仅LS的UTM实现。这三个选项允许一个单一的SIE实现被使用与任何速度的USB收发器。供应商可以选择最满足其需求的收发器性能。

1.2 Serial Interface Engine(SIE)

SIE  可以进一步细分为两种类型的子块：SIE 控制逻辑 和 端点逻辑。

SIE 控制逻辑包含 USB PID 和 地址识别逻辑，以及其他处理USB数据包和事务的排序和状态机逻辑。

端点逻辑：包含特定于端点的逻辑：端点编号识别、FIFO和FIFO控制等。

一般来说，任何USB实现都需要SIE控制逻辑，而端点的数量和类型将随着应用程序和性能要求的不同而变化。

1.3 Device Specific Logic

这是将USB接口与设备的特定应用程序连接起来的逻辑。

1.4 UTM function block

UTM block 如上图。

Device-> HOST：并行 TxData -> bit Stufffer -> NRZI Encoder -> xmit -> D+/D- -> HOSTHOST -> Device：Host -> D+/D- -> NRZI Decoder -> Bit Unstuffer -> 并行Rx Data -> Device

2. UTMI 版本

UTMI 第一个版本，是2001 年 发布的(UTMI spec V1.05)。后续随着UTM 发展，引出了UMTI+ 版本。具体的版本如下：

 

版本	功能	备注
UTMI+ level0	仅仅支持 USB2.0 设备	也是UTMI 第一个版本， V1.05 版本
UTMI+ leve1	支持USB2.0 设备、host 和 OTG 功能(HS/FS)。	不支持 LS， 2.0 用得最广的接口
UTMI+ level2	支持USB2.0 设备、host 和 OTG 功能 (HS/FS/LS with no hub support)	支持LS 模式
UTMI+ level3	支持 USB2.0 设备、host 和 OTG 功能（HS/FS/LS with hub support）

 

UTMI+ 不同版本接口协议规范是向下兼容的。对于学习USB2.0 我们可以研究UTMI+ level0 或者level1 就够了，高版本的协议无非是在旧有的协议基础上新增了一些信号处理。

3. UTMI 接口介绍

UMTI+ 不同版本之间信号还是很多的。我们以usb2.0 device 为主先介绍level0/level1。

3.1 UTMI+ level0

UTMI+ level0 规范，来源于UTMI 1.05 接口规范。下图给出了具有16位接口的UTMT+ level0 收发器所需要的所有接口信号：

对于具有8位接口的UTMI+0级收发器，TXValidH、RXValidH、DataBus16_8、DataIn（15：8）和DataOut（15：8）信号，则是不需要的。

对于 USB 2.0 phy 调试我们需要关注的几个信号（注意phy 的调试可能只在芯片fpga 阶段，或者外挂usb phy 才存在。一旦芯片集成完了，无法修改，后续的调试就大概率涉及不到phy 的调试）：

CLK：UTMI_CLK 输出时钟

Reset：UTMI_RST

Xcvr Select：传输模式选择

Term Select：终端选择

LineState：D+/D- 状态。高速枚举的时候确认电平状态是否ok

DataBus_16_8：8bit/16bit 选择。

一旦速度枚举成功，说明整个输入输出信号无误，剩下的就到软件层面了。

3.2 UTMI+ level1

UTMI+ level1 规范相对于 level0 多了对OTG 设备的支持。新增了一些OTG /HOST 相关的接口。

信号接口如下：

对于USB2.0， 我们大多数情况下，用得最多的就是level1。同时支持：

device mode

host mode

OTG mode

对于单纯的只需要device 的设备我们在芯片设计阶段可以考虑，选择level0 的接口phy。

当然无论level 几，都可以向前兼容的。关键是usb 控制器的输入信号给的是什么标准。

usb 2.0 设备 默认信号：

3.3 UTMI+ level2

与UTMI+1相比，增加1bit的XcvrSelect信号来控制LS选择。另外需要注意linestate等信号在LS时也要表示不一样状态。

新增接口：

LineStare 状态：

在全速和低速模式下，lineState(0)总是反应DP，而lineState(1)总是反应DM。

下行端口lineState：设备端

上行端口lineState：host 端

修复一个前文错误：

下行端口(downstream)：设备到主机行为。

上行端口(upstream)：主机到设备行为

3.4 UTMI+ level3

与UTMI+2相比，没有增加新的信号。只增加XcvrSelect=2'b11时的功能，该功能定义在UTMI+2中该位是保留的。

这是对level2的进一步增强。在这个级别中，处理必须通过FS集线器从主机发送到LS设备的LS流量是可行的。

在level2中，如果使用并行接口，USB On-the-Go DRD的主机控制器部分只能与直接连接到主机的LS设备进行通信。

如果XcrvSelect是11b，则收发器将在发送LS分组之前在FS处发送 preamble packet。在接收模式下，它将等待在LS收发器启用的情况下接收LS数据包。收发器必须使用FS令牌（快速上升和下降时间以及相反的极性）发送所有数据（FS preamble packet和LS数据）。注意，此时的令牌为特殊令牌PRE(有关PRE，本文不做介绍)。

一句话总结：level2 只能直接和LS 设备通信， level3 可以通过hub 外接LS 设备。

4. 其他

4.1 Chrip Sequence

对于高速设备连接到整个usb host 整个时序如图所示：

FS detect：全速设备检测

Host Driver：主机产生SE0，持续10ms

Device Responds：设备回应chirp K

Host Responds：主机回应 chirpk/j  对，设备切换到高速模式

HS Idle：高速Idle

通常我们关注最多的就是 USB 设备端的这段信号（DP/DM）。对于XcverSelect optmode linestate 等信号，一般对软件层面是隐藏的。一旦这些信号有问题。说明IC 设计有问题，比如信号连接不对，比如控制器输出的信号有问题 。

4.2 不同的信号模式

5. 总结

本文主要介绍了UTMI 及 UTMI+ 接口规范。详细对比了level0/level1/levle2/level3 。对于初学者而言，可以先以level0 为基准学习，后续再逐步深入到其他规范。

本文档适用于哪些人员：IC 设计人员、FPGA 验证人员、USB 底层深入学习人员。

审核编辑：汤梓红