认识 USB PHY

认识 USB PHY

在 USB 传输链路中，USB PHY 作为物理层协议的核心组件，扮演了至关重要的角色。本文将带领大家认识 USB PHY 模块，了解它的基本工作原理和应用场景。

什么是 USB PHY ？

USB PHY 是指 USB 物理层接口，它负责将 USB 协议的数据流从逻辑信号（通常是数字信号）转换为物理信号，以便通过 USB 线缆进行传输。反之，它也会接收来自 USB 线缆的物理信号，并将其转换为数字信号，供上层协议栈处理。
简而言之，USB PHY 是连接数字世界和物理世界的桥梁，负责信号的电气化处理。

USB PHY 的功能

USB PHY 的核心功能是进行信号的物理层转换，包括：

1. 物理信号与逻辑信号的转换：将 USB 控制器生成的数字逻辑信号转换为适合传输的物理电气信号，并通过 USB 线缆发送。同时，它也会将从 USB 线缆接收的物理信号解码为数字信号，交给上层的 USB 控制器进行处理。
2. 信号调制与解调：在发送数据时，USB PHY 将逻辑数据调制成差分信号（D+ 和 D- 差分对），以便提高抗干扰能力和传输质量。在接收数据时，它则负责解调接收到的差分信号，将其还原为逻辑信号。
3. 信号放大与恢复：为了保证数据完整性，USB PHY 在传输过程中会对信号进行放大，并在接收端对信号进行恢复。
4. 时钟恢复与同步：USB PHY 模块负责时钟恢复，以确保数据传输的同步。
5. USB 信号检测：包括插拔检测、速度检测（如高速、全速、低速等）以及信号的校验等。

USB PHY 内部模块

USB PHY 的具体组成可能因 USB 版本的不同而有所差异，这里以 INNO USB2.0 PHY 为例，介绍 USB PHY 的内部模块。

1. HS TRX：TX 和 RX 是差分信号用于的发送和接收，Sq_Det 是 Squelch detector，用于调整信号灵敏度的噪声值，Dec_Det 是 Disconnection envelope detector，用于调整断开检测阀值。
2. FS TRX：TX 和 RX 是差分信号用于的发送和接收，两个 SE_Rx 是 Single ended receivers，用于低速和全速信号的探测，包括断开和连接信号等。
3. Tx Path：Tx State Machine and Control 负责 PHY 和 USB 控制器之间将数据与同步信号（Sync）和传输结束信号（EOP）进行同步；Tx Register 模块负责根据命令从总线接口读取并行数据，并将其序列化后用于通过 USB 进行传输；Bit Stuffer 是为了确保信号有足够的跳变，在通过 USB 发送数据包时，如果出现连续六个“1”，必须在其后插入一个“0”，然后再对数据进行 NRZI 编码；NRZI Encoder 是编译器，NRZI 编码规则是：当发生状态跳变时，将数据“0”编码；当没有状态跳变时，将数据“1”编码。
4. Rx Path：Elasticity Buffer 是弹性缓冲器，为了补偿发送端和接收端时钟之间的差异，将提取的高速（HS）数据与 PLL 内部时钟进行同步。MUX 是多路复用模块，允许来自高速（HS）或全速/低速（FS/LS）接收器的数据被路由到共享的接收逻辑中。NRZI Decoder 是 RNZI 解码器，是编码器的逆过程，电平变化解码为“0”，而电平不变化解码为“1”。Bit Unstuffer 与 Tx Path 的 Bit stuffer 作用相反，能够识别数据流中的填充位，将其丢弃，还负责检测位填充错误，该错误会被解释为高速（HS）传输结束信号（EOP）。Rx Register 模块负责将接收到的数据进行反序列化，并将 8 位并行数据传输到应用总线接口。Receiver State Machine and Control 负责控制控制器与 PHY 在接收路径（RX path）中的通信，从数据中去除同步信号（SYNC）和传输结束信号（EOP）。
5. PLL Clock Multiplier：该模块可以选择由片外晶振或者片上时钟倍频器来做时钟模块。它生成适用于 UTM 和 CLK 输出信号的内部时钟，所有数据传输信号都与 CLK 信号同步。
6. Clock MUX：该模块为 TX Path 和 RX Path 提供合适的时钟，并确保时钟平稳切换。
7. Digital Control：该模块负责控制、启用和禁用系统中的各个不同模块。
8. Serial TRX：该模块接口允许复用现有的 FS/LS 主控制器 IP，实现串行数据包传输。
9. ID Detector：该模块提供一个 ID 引脚，做 otg 口时用来自动切换 device/host 模式。
10. VBUS Detector&Control：用于监测和感知 USB 总线电源线上的电压。

常见的 USB PHY

市场上有多种 USB-PHY，RK采用的 USB PHY 主要有如下四种：
USB2.0 PHY [Vendor: Innosilicon]
USB3.0 PHY [Vendor: Innosilicon]
USB2.0 PHY [Vendor: Synopsys]
Type-C PHY [Vendor: Cadence]
下面为各芯片采用的 USB PHY，其中 [1 × port] 表示一个 PHY 支持一个 USB port，[2 × ports]
表示一个 PHY 支持两个 USB port。

USB PHY 常用调试手段

1. 调整 USB 驱动能力：由于硬件设计或者 USB 线缆较长导致 USB 信号损耗较大的情况下，通过调整 USB 驱动能力可以改善信号，修复 USB 眼图不达标问题。
2. 调整 USB 断开检测阀值：USB 断开检测阀值是指检测 USB 设备与主机连接状态的电压门限值。通过调整该阀值，可以灵活设置何时判定设备断开，解决 USB 主机识别不到设备断开或者误识别到设备断开。
3. 调整 USB 噪声值：调整噪声值可以帮助 PHY 更好地处理信号中的噪声干扰，尤其是在恶劣环境下，能够提高通信的稳定性。设置合适的噪声容忍范围，可以防止噪声引发的错误数据传输或设备断开。
4. 实现充电检测：BC1.2 充电检测是在 USB PHY 实现的，USB 设备可以识别连接的充电器类型（例如SDP、CDP、DCP等），从而在不同的电流条件下进行安全充电。BC1.2 实现充电检测后，设备可以自动适应充电环境并调整充电速率。
   以上具体的调试方法将在后面的文章中说明。

结语

USB PHY 模块作为 USB 通信链路中的关键组件，承担了物理层信号处理的重任。嵌入式开发过程中，理解 USB PHY 的工作原理是开发者在项目中取得成功的基础。希望通过本文的介绍，大家能够更好地认识 USB PHY 模块，并在今后的开发过程中加以灵活应用。
以上是个人的理解总结，如有不对的地方欢迎指出。
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