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1. 什么是UTMI?

UTMI （USB2.0 Transceiver Macrocell Interface）：USB2.0 通用傳輸接口。最初設(shè)計(jì)是為了減少開發(fā)廠商的工作量，旨在提供一種通用標(biāo)準(zhǔn)，來完成USB 2.0 的 底層協(xié)議數(shù)據(jù)處理。UTMI 的出現(xiàn)是為了加速USB2.0 外設(shè)的開發(fā)。

UTMI 最主要的作用主要是負(fù)責(zé)USB 協(xié)議中最底層的物理電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其本質(zhì)是一個(gè)接口規(guī)范，與usb phy 相連。

(相關(guān)資料圖)

下圖總結(jié)了在這個(gè)規(guī)范中表達(dá)的一些概念：

USB 2.0 Transceiver Macrocell（UTM）：

Serial Interface Engine（SIE）：串行接口引擎

Device Specific Logic：設(shè)備特殊邏輯

1.1 UTM

UTM 處理低級(jí)別的USB協(xié)議和信號(hào)。這包括諸如；數(shù)據(jù)序列化和反序列化、位填充和時(shí)鐘恢復(fù)和同步等特性。

UTM的主要焦點(diǎn)是將數(shù)據(jù)的時(shí)鐘域從USB 2.0速率轉(zhuǎn)移到與ASIC中的一般邏輯兼容的速率。

UTM 的關(guān)鍵特點(diǎn)：

消除了高速USB 2.0邏輯設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器接口為USB 2.0 SIE VHDL提供多個(gè)IP源

支持480 Mbit/s“高速”（HS）/ 12 Mbit/s“全速”（FS）；僅支持FS和“低速”（LS）；僅支持 LS 1.5 Mbit/s串行數(shù)據(jù)傳輸速率。

利用8位并行接口傳輸和接收USB 2.0電纜數(shù)據(jù)。

SYNC/EOP生成和檢查

高速和全速運(yùn)行，以支持“雙模式”設(shè)備的發(fā)展

bit-stuffing/bit-unstuffing, bit error detect

能夠在FS和HS終端/信號(hào)之間切換

等等

UTMI被設(shè)計(jì)用于支持HS/FS、僅FS和僅LS的UTM實(shí)現(xiàn)。這三個(gè)選項(xiàng)允許一個(gè)單一的SIE實(shí)現(xiàn)被使用與任何速度的USB收發(fā)器。供應(yīng)商可以選擇最滿足其需求的收發(fā)器性能。

1.2 Serial Interface Engine(SIE)

SIE 可以進(jìn)一步細(xì)分為兩種類型的子塊：SIE 控制邏輯 和 端點(diǎn)邏輯。

SIE 控制邏輯包含 USB PID 和 地址識(shí)別邏輯，以及其他處理USB數(shù)據(jù)包和事務(wù)的排序和狀態(tài)機(jī)邏輯。

端點(diǎn)邏輯：包含特定于端點(diǎn)的邏輯：端點(diǎn)編號(hào)識(shí)別、FIFO和FIFO控制等。

一般來說，任何USB實(shí)現(xiàn)都需要SIE控制邏輯，而端點(diǎn)的數(shù)量和類型將隨著應(yīng)用程序和性能要求的不同而變化。

1.3 Device Specific Logic

這是將USB接口與設(shè)備的特定應(yīng)用程序連接起來的邏輯。

1.4 UTM function block

UTM block 如上圖。

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 第一個(gè)版本，是2001 年 發(fā)布的(UTMI spec V1.05)。后續(xù)隨著UTM 發(fā)展，引出了UMTI+ 版本。具體的版本如下：

UTMI+ 不同版本接口協(xié)議規(guī)范是向下兼容的。對(duì)于學(xué)習(xí)USB2.0 我們可以研究UTMI+ level0 或者level1 就夠了，高版本的協(xié)議無非是在舊有的協(xié)議基礎(chǔ)上新增了一些信號(hào)處理。

3. UTMI 接口介紹

UMTI+ 不同版本之間信號(hào)還是很多的。我們以u(píng)sb2.0 device 為主先介紹level0/level1。

3.1 UTMI+ level0

UTMI+ level0 規(guī)范，來源于UTMI 1.05 接口規(guī)范。下圖給出了具有16位接口的UTMT+ level0 收發(fā)器所需要的所有接口信號(hào)：

對(duì)于具有8位接口的UTMI+0級(jí)收發(fā)器，TXValidH、RXValidH、DataBus16_8、DataIn（15：8）和DataOut（15：8）信號(hào)，則是不需要的。

對(duì)于 USB 2.0 phy 調(diào)試我們需要關(guān)注的幾個(gè)信號(hào)（注意phy 的調(diào)試可能只在芯片fpga階段，或者外掛usb phy 才存在。一旦芯片集成完了，無法修改，后續(xù)的調(diào)試就大概率涉及不到phy 的調(diào)試）：

CLK：UTMI_CLK 輸出時(shí)鐘

Reset：UTMI_RST

XcvrSelect：傳輸模式選擇

Term Select：終端選擇

LineState：D+/D- 狀態(tài)。高速枚舉的時(shí)候確認(rèn)電平狀態(tài)是否ok

DataBus_16_8：8bit/16bit 選擇。

一旦速度枚舉成功，說明整個(gè)輸入輸出信號(hào)無誤，剩下的就到軟件層面了。

3.2 UTMI+ level1

UTMI+ level1 規(guī)范相對(duì)于 level0 多了對(duì)OTG 設(shè)備的支持。新增了一些OTG /HOST 相關(guān)的接口。

信號(hào)接口如下：

對(duì)于USB2.0， 我們大多數(shù)情況下，用得最多的就是level1。同時(shí)支持：

device mode

host mode

OTG mode

對(duì)于單純的只需要device 的設(shè)備我們?cè)谛酒O(shè)計(jì)階段可以考慮，選擇level0 的接口phy。

當(dāng)然無論level 幾，都可以向前兼容的。關(guān)鍵是usb 控制器的輸入信號(hào)給的是什么標(biāo)準(zhǔn)。

usb 2.0 設(shè)備 默認(rèn)信號(hào)：

3.3 UTMI+ level2

與UTMI+1相比，增加1bit的XcvrSelect信號(hào)來控制LS選擇。另外需要注意linestate等信號(hào)在LS時(shí)也要表示不一樣狀態(tài)。

新增接口：

LineStare 狀態(tài)：

在全速和低速模式下，lineState(0)總是反應(yīng)DP，而lineState(1)總是反應(yīng)DM。

下行端口lineState：設(shè)備端

上行端口lineState：host 端

修復(fù)一個(gè)前文錯(cuò)誤：

下行端口(downstream)：設(shè)備到主機(jī)行為。

上行端口(upstream)：主機(jī)到設(shè)備行為

3.4 UTMI+ level3

與UTMI+2相比，沒有增加新的信號(hào)。只增加XcvrSelect=2"b11時(shí)的功能，該功能定義在UTMI+2中該位是保留的。

這是對(duì)level2的進(jìn)一步增強(qiáng)。在這個(gè)級(jí)別中，處理必須通過FS集線器從主機(jī)發(fā)送到LS設(shè)備的LS流量是可行的。

在level2中，如果使用并行接口，USB On-the-Go DRD的主機(jī)控制器部分只能與直接連接到主機(jī)的LS設(shè)備進(jìn)行通信。

如果XcrvSelect是11b，則收發(fā)器將在發(fā)送LS分組之前在FS處發(fā)送 preamble packet。在接收模式下，它將等待在LS收發(fā)器啟用的情況下接收LS數(shù)據(jù)包。收發(fā)器必須使用FS令牌（快速上升和下降時(shí)間以及相反的極性）發(fā)送所有數(shù)據(jù)（FS preamble packet和LS數(shù)據(jù)）。注意，此時(shí)的令牌為特殊令牌PRE(有關(guān)PRE，本文不做介紹)。

一句話總結(jié)：level2 只能直接和LS 設(shè)備通信， level3 可以通過hub 外接LS 設(shè)備。

4. 其他

4.1 Chrip Sequence

對(duì)于高速設(shè)備連接到整個(gè)usb host 整個(gè)時(shí)序如圖所示：

FS detect：全速設(shè)備檢測(cè)

Host Driver：主機(jī)產(chǎn)生SE0，持續(xù)10ms

Device Responds：設(shè)備回應(yīng)chirp K

Host Responds：主機(jī)回應(yīng) chirpk/j 對(duì)，設(shè)備切換到高速模式

HS Idle：高速Idle

通常我們關(guān)注最多的就是 USB 設(shè)備端的這段信號(hào)（DP/DM）。對(duì)于XcverSelect optmode linestate 等信號(hào)，一般對(duì)軟件層面是隱藏的。一旦這些信號(hào)有問題。說明IC 設(shè)計(jì)有問題，比如信號(hào)連接不對(duì)，比如控制器輸出的信號(hào)有問題 。

4.2 不同的信號(hào)模式

5. 總結(jié)

本文主要介紹了UTMI 及 UTMI+ 接口規(guī)范。詳細(xì)對(duì)比了level0/level1/levle2/level3 。對(duì)于初學(xué)者而言，可以先以level0 為基準(zhǔn)學(xué)習(xí)，后續(xù)再逐步深入到其他規(guī)范。

本文檔適用于哪些人員：IC 設(shè)計(jì)人員、FPGA 驗(yàn)證人員、USB 底層深入學(xué)習(xí)人員。

審核編輯：湯梓紅