FPGA和USB3.0通信-USB3.0 PHY简介

OpenFPGA 2021-11-09 8794

描述

可以和FPGA搭配使用的USB3.0 PHY芯片

通过之前的介绍，我们大致了解到USB3.0整个协议异常复杂，就连物理层都需要SerDes（FPGA实现的情况）才可以，所以目前使用USB3.0时，搭档FPGA的最优解就是外置USB3.0 PHY片。

USB3.0 PHY简介

首先我们需要了解PHY具体完成哪些工作以及我利用FPGA能实现哪些工作才能实现USB通信。

要实现USB通信大致需要两部分：Controller和PHY两部分，Controller大多为数字逻辑实现（逻辑控制主要分为：MAC、CSR以及FIFO，MAC部分主要按照USB协议进行数据的打包和分解，并按照PIPE（USB3.0）或者UTMI（2.0）的总线的数据格式发送给PHY（2.0或者3.0）；

CSR部分主要进行寄存器的控制（软件对寄存器进行操作主要是操作CSR寄存器；FIFO部分主要是实现高速和低俗转换。））；PHY通常为模拟逻辑实现（实现并转串的功能，把UTMI或者PIPE口的并行数据转换成串行数据，再通过差分数据线输出到芯片外部）。大致的通信方式如下图所示：

usb

PHY部分负责最底层的信号转换，作用类似于网口的PHY，这里如果大家需要了解具体的工作可以查看usb specification，因为和本文关系不大，所以不过多介绍了。

Controller部分主要实现USB的协议和控制。也是目前普通FPGA可以实现的，整个作用类似网络中的MAC层。

PS：目前高级一点的FPGA（带SerDes），可以在不借助外部PHY的情况实现USB（主要原因还是USB大量地借鉴了第二代PCIe协议，所以基本实现和PCIe差不多），但是相对外置PHY成本过高，需要使用IP等原因市场上还是很少这么做的。

在上图中还看到UTMI和PIPE，这是PHY和controller通信的接口，USB2.0PHY主要使用ULPI和UTMI，USB3.0主要使用PIPE，对于ULPI和UTMI的区别如下：

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UTMI LEVEL0 通信连接示意图

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升级的UTMI+接口

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ULPI(UTMI+ Low Pin Interface) 通信连接示意图

以上三种接口都是和USB2.0 PHY通信的接口（如果还不理解的话，这三种接口类似网口中媒体接口-MII、RGMII、GMII等）。区别大概为USB PHY的位置：如果芯片的usb phy封装在芯片内，采用UTMI+的接口。不封装到芯片内的采用ULPI接口，这样可以降低pin的数量。

举例如下：我用FPGA实现USB2.0通信，我使用逻辑实现cntroller+外挂USB PHY的方式，那么我的接口基本使用ULPI接口（降低pin的数量）；

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USB3316 芯片逻辑框图（来源：芯片数据手册）

我觉得逻辑部分有点复杂，我想把逻辑部分放到外部PHY里，我只需要控制FIFO或者一些低速接口即可实现整个USB通信，这种芯片内部带了cntroller+USB PHY，如下图所示：

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FTDI600/601Q 芯片逻辑框图（来源：芯片数据手册）

上图中可以看到FPGA和controller通信方式为FIFO或者SPI等接口，SPI主要时用在2.0/1.1时代，典型代表（MAX3421E）。而FIFO则是目前3.0时代比较常用的方式。

通过以上分析，其实目前常用的USB3.0 PHY也可以大致分为两种：带controller和不带controller，这两种PHY市场上倾向于带controller的芯片，主要原因是简单、方便、性价比高，这里在多说一句，目前市场上为了方便开发，USB3.0芯片内部会放置一个单片机，主要还是方便扩展接口，以方便芯片不单单只在USB3.0通信方面应用。下面一节我们就简单介绍一下市场上常见的USB3.0 PHY片。

市场上常见的PHY

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上图中可以将PHY分为两种，下面会标注是第一种还是第二种，两种的区别在上一节中已经进行区分了，这里就不再赘述了。

公司	型号	功能	APP接口	物理层接口	CPU核	第几种PHY
TI/ NI	TUSB1310A	纯PHY	/	PIPE 3	无	第二种
Cypress	CYUSB3014	OTG控制器（2.0）+PHY Slave控制器+PHY	GPIF II	内部PIPE	ARM926EJ-S	第一种
FTDI	FT600/FT601	FIFO interface bridge	/	FIFO	无	第一种
南京沁恒	CH569/565	USB3.0 主机Host/设备Device模式、OTG功能，支持USB3.0 HUB	HSPI	/	RISC-V	第一种

1、TUSB1310A

❝

https://www.ti.com.cn/document-viewer/cn/TUSB1310A/datasheet

❞

usb

TUSB1310A 框图

2、CYUSB3014

中文版数据手册：

❝

https://www.cypress.com/file/133711/download

❞

usb

CYUSB3014 框图

3、FT600/FT601

❝

https://ftdichip.com/products/ft600q-b/

❞

❝

https://ftdichip.com/wp-content/uploads/2020/07/DS_FT600Q-FT601Q-IC-Datasheet.pdf

❞

usb

FT600/FT601 框图

4、CH569/5

❝

http://www.wch.cn/products/CH569.html

❞

❝

http://www.wch.cn/downloads/CH569DS1_PDF.html

❞

usb

南京沁恒 CH569/565 框图

PS：RISC-V内核，120MHz系统主频，支持单周期乘法和硬件除法、可编程中断控制器、低功耗两级流水线。

总结

上面的表格也很清晰表现出各个芯片的区别，这里就不展开描述了，这里在介绍几个USB 3.0 的ReDrive（NXP ， PTN36221AHX 单通道桥，PTN36241BBS单通道桥，PTN36242LBS双通道桥(数据手册：https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PTN36221A.pdf)）。

今天的文章就到这里，综合考虑上面的芯片，我们后续的方案使用使用广泛的CYUSB3014继续接下来的系列文章。

编辑：jq

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