USB晶元到底完成了哪些工作？

01-02

在板級設計中比較意外的是USB通信需要單獨一塊USB控制晶元。請問它具體實現了哪些功能呢。
或者說，不使用晶元，通過FPGA硬編程或者軟程序要自己完成那些工作？

意外發現知乎上還有這麼專業的話題，哈，班門弄斧一下。

研究生兩年FPGA學習，入職從事通信SOC晶元，碰巧同事離職，接手USB。半年從完全不懂USB，到完成第兩顆晶元USB2.0前仿後仿驗證，一顆USB3.0前仿後仿驗證，支持第一個顆晶元USB2.0樣片測試，牽頭前同事遺留USB3.0測試。對USB算有些理解了，希望對關注者有幫助。

問題1：上圖，高速模塊一般分為控制器Controller和PHY兩部分，Controller大多為數字邏輯實現，PHY通常為模擬邏輯實現。

USB晶元也分為Controller部分和PHY部分。Controller部分主要實現USB的協議和控制。內部邏輯主要有MAC層、CSR層和FIFO控制層，還有其他低功耗管理之類層次。MAC實現按USB協議進行數據包打包和解包，並把數據按照UTMI匯流排格式發送給PHY（USB3.0為PIPE）。CSR層進行寄存器控制，軟體對USB晶元的控制就是通過CSR寄存器，這部分和CPU進行交互訪問，主要作為Slave通過AXI或者AHB進行交互。FIFO控制層主要是和DDR進行數據交互，控制USB從DDR搬運數據的通道，主要作為Master通過AXI/AHB進行交互。PHY部分功能主要實現並轉串的功能，把UTMI或者PIPE口的並行數據轉換成串列數據，再通過差分數據線輸出到晶元外部。

USB晶元內部實現的功能就是接受軟體的控制，進而從內存搬運數據並按照USB協議進行數據打包，並串轉換後輸出到晶元外部。或者從晶元外部接收差分數據信號，串並轉換後進行數據解包並寫到內存里。

問題2：FPGA不使用USB晶元或者硬核的話，必須用FPGA邏輯資源實現圖1圖中Controller部分，外加PHY晶元，軟體再按照協議實現對USB的控制。如果有USB晶元，則只需實現軟體控制部分。軟體控制部分協議USB 1.1 UHCI/OHCI，USB 2.0 EHCI， USB 3.0 XHCI。

1 答：百度關鍵詞 usb specification。就知道USB晶元做了哪些工作了。

2.答：不用USB晶元的話，用FPGA編程可以實現USB1.1功能，USB2.0/3.0等無法實現。因為有一大塊的模擬電路（PHY)在FPGA中無法做。

具體怎麼做請看specification。根據你提的問題來看，估計你短時間無法用FPGA或者MCU實現USB功能。

還是老老實實的用USB晶元或者帶有USB介面功能的晶元吧。

換一個角度來回答，帶usb phy的fpga很多啊，搞一塊來用就好，就是可能比加一塊控制晶元還貴。

其實有些fpga提供的介面多到眼花撩亂……

USB協議看起來簡單，其實非常複雜。有很多細節在裡面。要了解詳細的，你第一可以去下載協議原文來看。不過估計你不會，太長了。第二就是去找這個晶元的DataSheet看看，雖然也很長。

如果你想自己在FPGA上實現USB控制器，可以去OpenCore上面找找。

當年（2002年），中國好幾個牛逼高校的科研團隊做個USB做了兩年（863專項）。這其實是中國IC設計的起點。

題主這個usb晶元範圍太廣，很難說清楚具體做什麼的，得看到底想做什麼功能。我估摸是像Arthur Wang說的那種usb介面晶元，將PHY(utmi/ulpi)和鏈路層封裝好，然後採用報中斷方式提供給mcu等處理器usb數據，由mcu軟體編程解決應用層，usb主機設備都可以完成。其他人也有說到，直接使用fpga編程PHY不好做，但如又見山人所述，fpga帶PHY多的是，只完成上述usb介面晶元功能綽綽有餘。

當然也有可能像u盤裡面的控制晶元，相當於做了個特定的usb設備，fpga也可以輕鬆搞定。設備千萬種，所以前面才說很難說清楚具體功能。但fpga幾乎無法做出完備的usb主機，如果你的系統具有usb主機功能，那麼大概率就是介面晶元。

下面簡單說一下用fpga實現usb介面晶元功能。在fpga自帶的標準utmi介面幫助下，首先要解決握手功能(不清楚的話請百度)，之後進入通信階段，將收到數據包中PID，Data，crc通過中斷方式上報給mcu，告知它收到了什麼類型的PID，Data放在了ram中的地址和長度，crc是否正確，以及是否超時。剩下的應用層，根據PID和Data的內容回復什麼樣的PID和Data都由mcu編程搞定，然後通過寄存器告知發送什麼PID，Data放在哪了等，fpga將這些內容組合成標準包格式送給utmi的ip即可。

題主是想從0開始實現一套USB控制器？還是如何操作USB控制器？

怎麼實現控制器可以參考USB規範：USB.org - USB 2.0 Documents，規範就幾百頁，還只是基礎規範，不建議直接搞，上手太慢，意義也不大（除非你真是想學這方面的），做產品的話更不值得，市面上有現成的東西。

如果是想知道控制器怎麼操作，先看一下控制器的類型，PC的一般是：

USB 1.1 UHCI/OHCI

USB 2.0 EHCI

USB 3.0 XHCI

常見的是EHCI+UHCI/OHCI這種組合，規範網上都有（不在USB-IF網站，在各個廠商那），下一份研究一下就可以了。

嵌入式還有Synopsis和Mentor Graphics的控制器，到這倆廠商網站上找。

或者如果沒有開源的限制，去看Linux實現也可以。

即使這樣，也不建議直接從頭開始寫USB協議棧，因為USB協議棧很大，一個基本的USB實現需要包含：控制器驅動+Device框架（USBD）+至少一個Class驅動，最精簡的寫法估計也得上萬行，並且還要把這套東西整合到原有系統的設備管理框架里，不值得從頭弄。

供應商給方案就直接拿來用，沒有方案找方案，盡量不考慮從頭寫。一般廠商給方案的時候，都附帶有USB控制器的驅動，二次開發的時候一般寫的都是Class驅動（簡單的情況下幾百行就搞定），有控制器驅動的前提下，可以考慮二次開發。

拿FPGA實現USB這個我沒搞過，直觀感覺是比前面的更複雜，規範就幾百頁，能把人搞死。

沒搞過usb，只知道做晶元的時候協議裡面可能就只有幾句話，實現起來可能要好幾個月，當然實現出來的ip賣的也貴，一般的協議都是上百頁吧

USB 目前分為USB1.1/2.0/3.0/3.1，最明顯的區別就是傳輸速率在不停的提升。

如果想了解的比較詳細，可以去下載USB的specification閱讀，在論壇http://bbs.eetop.cn上有很多資料。

USB介面晶元分為兩類，一類是host，一類是slave。

你可以把電腦主機上的usb介面理解為host，U盤介面理解為slave。

為什麼需要一顆單獨的USB控制晶元？

這取決於系統的設計及應用的層面：

如果HOST最終處理數據的是CPU，而一般CPU是沒有USB介面的， CPU的擴展介面都是PCI-E 3.0 ，所以會由晶元組提供USB3.0轉PCI-E的功能。

Slave端拿 U盤舉例， U盤裡的存儲是FLASH，Flash的介面是8bit的，並行的數據介面。那就要把這些數據的傳輸格式轉成USB的傳輸格式。

實現上面兩個功能都要用到USB控制晶元。

USB控制晶元是做什麼的？

USB數據信號是差分信號，是經過編碼的差分信號。控制晶元主要是用來實現接收(RX)，發送(TX)，編碼，解串等功能。

整個主控晶元分為模擬電路和數字電路兩部分：

模擬電路實現的功能是將接收的信號轉為數字電平(RX)，數字電平轉為差分信號發射（TX）。這個過程很複雜，特別是USB信號是沒有時鐘的，只有數據，要從數據中恢復出時鐘，再用時鐘恢複數據。另外信號傳輸的過程是有畸變的，要對信號進行處理，保證能還原信號。

具體的模擬電路模塊有SSCG-PLL , CDR , Clock，RX,TX,EQ , Deserilizer ，Serializer ，elastic buffer 等等。

數字電路就是實現數據的編碼，解串，以及控制模擬電路正確的恢複數據。比如8b/10b decoder,encoder, rx/tx logic , state machine，等等

因為這個要實現這個功能的晶元面積較大，所以不是所有晶元都會集成這個功能，就會有針對特定應用的主控晶元存在。比如在130nm工藝下，一個可以實現USB2.0和USB3.0的PHY，面積就接近1平方毫米。

所以考慮到封裝，晶元引腳數，及晶元面積。不同的應用會有不同的取捨來決定是採用一顆單獨的USB主控晶元還是在某個晶元里集成USB PHY。

想要了解 USB 控制晶元的細節，熟悉協議是必要的。http://113.215.21.34/1Q2W3E4R5T6Y7U8I9O0P1Z2X3C4V5B/http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/usb_20_033017.zip

http://113.215.21.39/1Q2W3E4R5T6Y7U8I9O0P1Z2X3C4V5B/http://www.usb.org/developers/docs/usb_31_033017.zip

想要掌握協議細節，從頭實現一遍是必要的。

雖然 USB 已經成熟，但在某些成本敏感的場合，多一種替代方案可以提升產品競爭力。

用 IO 實現裸寫 USB 協議，其實不用 FPGA，速度稍快一點的 MCU 就能做到。

像上圖，使用 Atmel 的 AVR 系列 MCU ATtiny 2313，加上必要的外設，總成本不超過 10 RMB 就能實現一個 USB 2.0 低速設備，功能為 USB 轉 RS232 串口。

我們每天都用的 USB 滑鼠/鍵盤/U盤/攝像頭/等介面，線序如下圖所示：

（圖侵刪）

其中有四條線，其中 GND 和 VCC 用於向設備供電（通常 5V，100mA，最大可到 500mA），DATA+ 和 DATA- 用於主機和設備間通信，雙向半雙工方式，即兩根線配合表示一個有效 bit，這個 bit 可能來自主機，也可能來自設備，具體要看時機。

DATA+ 和 DATA- 連接到單片機 IO 口，單片機運行的軟體負責通信協議處理（收到命令，做出應答）。由於晶振頻率為 12 MHz，USB 低速設備通信速率為 1.5Mbps，所以單片機在 8 個 clk cycle 內接收或發送一個 bit，必須使用彙編實現精確的計時。單片機上實現了完整的物理層、協議層。

接收流程圖：

下面是 USB 協議中用到的設備描述符、配置描述符、字元串描述符

;------------------------------------------------------------------------------------------ .equ USBversion =0x0101 ;for what version USB is that (1.01) .equ VendorUSBID =0x03EB ; vendor identifier (Atmel=0x03EB) .equ DeviceUSBID =0x21FE ;product identifier (USB to RS232 converter ATmega8=0x21FF) .equ DeviceVersion =0x0002 ;version number of product (version=0.02) .equ MaxUSBCurrent =46 ;current consumption from USB (46mA) ;------------------------------------------------------------------------------------------ DeviceDescriptor: .db 0x12,0x01 ;0 byte - size of descriptor in byte ;1 byte - descriptor type: Device descriptor .dw USBversion ;2,3 byte - version USB LSB (1.00) .db 0x00,0x00 ;4 byte - device class ;5 byte - subclass .db 0x00,0x08 ;6 byte - protocol code ;7 byte - FIFO size in bytes .dw VendorUSBID ;8,9 byte - vendor identifier (Cypress=0x04B4) .dw DeviceUSBID ;10,11 byte - product identifier (teplomer=0x0002) .dw DeviceVersion ;12,13 byte - product version number (verzia=0.01) .db 0x01,0x02 ;14 byte - index of string "vendor" ;15 byte - index of string "product" .db 0x00,0x01 ;16 byte - index of string "serial number" ;17 byte - number of possible configurations DeviceDescriptorEnd: ;------------------------------------------------------------------------------------------ ConfigDescriptor: .db 0x9,0x02 ;length, descriptor type ConfigDescriptorLength: .dw 9+9+7 ;entire length of all descriptors ConfigAnswerMinus1: ;for sending the number - congiguration number (attention - addition of 1 required) .db 1,1 ;numInterfaces, congiguration number .db 0,0x80 ;string index, attributes; bus powered .db MaxUSBCurrent/2,0x09 ;current consumption, interface descriptor length .db 0x04,0 ;interface descriptor; number of interface InterfaceAnswer: ;for sending number of alternatively interface .db 0,1 ;alternatively interface; number of endpoints except EP0 StatusAnswer: ;2 zero answers (saving ROM place) .db 0,0 ;interface class; interface subclass .db 0,0 ;protocol code; string index .db 0x07,0x5 ;length, descriptor type - endpoint .db 0x81,0 ;endpoint address; transfer type .dw 0x08 ;max packet size .db 10,0 ;polling interval [ms]; dummy byte (for filling) ConfigDescriptorEnd: ;------------------------------------------------------------------------------------------ LangIDStringDescriptor: .db (LangIDStringDescriptorEnd-LangIDStringDescriptor)*2,3 ;length, type: string descriptor .dw 0x0409 ;English LangIDStringDescriptorEnd: ;------------------------------------------------------------------------------------------ VendorStringDescriptor: .db (VendorStringDescriptorEnd-VendorStringDescriptor)*4-2,3 ;length, type: string descriptor VendorStringDescriptorEnd: ;------------------------------------------------------------------------------------------ DevNameStringDescriptor: .db (DevNameStringDescriptorEnd-DevNameStringDescriptor)*4-2,3;dlzka, typ: string deskriptor .db "AVR309:USB to UART protocol converter (simple)" DevNameStringDescriptorEnd:

對於全速（12Mbps）、高速（480Mbps）、SuperSpeed（5Gbps）、SuperSpeedPlus（10Gbps）模式，需要更高速率的器件，或 ASIC，系統成本也會隨之上升。

USB spec 內容還很多，諸如 USB hub，USB Host 等等，實現細節更為複雜。

參考資料：http://www.tuxgraphics.org/common/src2/article08101/avr309.pdf

其實主要包括了兩部分，一部分是usb控制部分，另一部分是usb phy部分，控制部分可以在fpga上做，但是phy就沒發在fpga上做了

為啥要從頭搞這麼成熟的東西？如果是為了學習你一個人也是搞不來的，，如果題主有機會去原廠的話倒是有可能能看到IP核里的東西