FPGA和USB3.0通信-USB3.0 PHY簡介

可以和FPGA搭配使用的USB3.0 PHY芯片

通過之前的介紹，我們大致了解到USB3.0整個協(xié)議異常復(fù)雜，就連物理層都需要SerDes（FPGA實(shí)現(xiàn)的情況）才可以，所以目前使用USB3.0時，搭檔FPGA的最優(yōu)解就是外置USB3.0 PHY片。

USB3.0 PHY簡介

首先我們需要了解PHY具體完成哪些工作以及我利用FPGA能 實(shí)現(xiàn)哪些工作才能實(shí)現(xiàn)USB通信。

要實(shí)現(xiàn)USB通信大致需要兩部分：Controller和PHY兩部分，Controller大多為數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)（邏輯控制主要分為：MAC、CSR以及FIFO，MAC部分主要按照USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包和分解，并按照PIPE（USB3.0）或者UTMI（2.0）的總線的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給PHY（2.0或者3.0）；

CSR部分主要進(jìn)行寄存器的控制（軟件對寄存器進(jìn)行操作主要是操作CSR寄存器；FIFO部分主要是實(shí)現(xiàn)高速和低俗轉(zhuǎn)換。））；PHY通常為模擬邏輯實(shí)現(xiàn)（實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)串的功能，把UTMI或者PIPE口的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，再通過差分?jǐn)?shù)據(jù)線輸出到芯片外部）。大致的通信方式如下圖所示：

PHY部分負(fù)責(zé)最底層的信號轉(zhuǎn)換，作用類似于網(wǎng)口的PHY，這里如果大家需要了解具體的工作可以查看usb specification，因?yàn)楹捅疚年P(guān)系不大，所以不過多介紹了。

Controller部分主要實(shí)現(xiàn)USB的協(xié)議和控制。也是目前普通FPGA可以實(shí)現(xiàn)的，整個作用類似網(wǎng)絡(luò)中的MAC層。

PS：目前高級一點(diǎn)的FPGA（帶SerDes），可以在不借助外部PHY的情況實(shí)現(xiàn)USB（主要原因還是USB大量地借鑒了第二代PCIe協(xié)議，所以基本實(shí)現(xiàn)和PCIe差不多），但是相對外置PHY成本過高，需要使用IP等原因市場上還是很少這么做的。

在上圖中還看到UTMI和PIPE，這是PHY和controller通信的接口，USB2.0PHY主要使用ULPI和UTMI，USB3.0主要使用PIPE，對于ULPI和UTMI的區(qū)別如下：

UTMI LEVEL0 通信連接示意圖

升級的UTMI+接口

ULPI(UTMI+ Low Pin Interface) 通信連接示意圖

以上三種接口都是和USB2.0 PHY通信的接口（如果還不理解的話，這三種接口類似網(wǎng)口中媒體接口-MII、RGMII、GMII等）。區(qū)別大概為USB PHY的位置：如果芯片的usb phy封裝在芯片內(nèi)，采用UTMI+的接口。不封裝到芯片內(nèi)的采用ULPI接口，這樣可以降低pin的數(shù)量。

舉例如下：我用FPGA實(shí)現(xiàn)USB2.0通信，我使用邏輯實(shí)現(xiàn)cntroller+外掛USB PHY的方式，那么我的接口基本使用ULPI接口（降低pin的數(shù)量）；

USB3316 芯片邏輯框圖 （來源：芯片數(shù)據(jù)手冊）

我覺得邏輯部分有點(diǎn)復(fù)雜，我想把邏輯部分放到外部PHY里，我只需要控制FIFO或者一些低速接口即可實(shí)現(xiàn)整個USB通信，這種芯片內(nèi)部帶了cntroller+USB PHY，如下圖所示：

FTDI600/601Q 芯片邏輯框圖 （來源：芯片數(shù)據(jù)手冊）

上圖中可以看到FPGA和controller通信方式為FIFO或者SPI等接口，SPI主要時用在2.0/1.1時代，典型代表（MAX3421E）。而FIFO則是目前3.0時代比較常用的方式。

通過以上分析，其實(shí)目前常用的USB3.0 PHY也可以大致分為兩種：帶controller和不帶controller，這兩種PHY市場上傾向于帶controller的芯片，主要原因是簡單、方便、性價比高，這里在多說一句，目前市場上為了方便開發(fā)，USB3.0芯片內(nèi)部會放置一個單片機(jī)，主要還是方便擴(kuò)展接口，以方便芯片不單單只在USB3.0通信方面應(yīng)用。下面一節(jié)我們就簡單介紹一下市場上常見的USB3.0 PHY片。

市場上常見的PHY

上圖中可以將PHY分為兩種，下面會標(biāo)注是第一種還是第二種，兩種的區(qū)別在上一節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行區(qū)分了，這里就不再贅述了。

1、TUSB1310A

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

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TUSB1310A 框圖

2、CYUSB3014

中文版數(shù)據(jù)手冊：

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

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CYUSB3014 框圖

3、FT600/FT601

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

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

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FT600/FT601 框圖

4、CH569/5

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

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

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南京沁恒 CH569/565 框圖

PS：RISC-V內(nèi)核，120MHz系統(tǒng)主頻，支持單周期乘法和硬件除法、可編程中斷控制器、低功耗兩級流水線。

總結(jié)

上面的表格也很清晰表現(xiàn)出各個芯片的區(qū)別，這里就不展開描述了，這里在介紹幾個USB 3.0 的ReDrive（NXP ， PTN36221AHX 單通道橋，PTN36241BBS單通道橋，PTN36242LBS雙通道橋(數(shù)據(jù)手冊：https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PTN36221A.pdf)）。

今天的文章就到這里，綜合考慮上面的芯片，我們后續(xù)的方案使用使用廣泛的CYUSB3014繼續(xù)接下來的系列文章。

編輯：jq