单片机USB2.0高速接口实现方案

单片机USB2.0高速接口实现方案

USB接口小巧便携，支持热插拔，传输可靠，速度快，其广泛应用于计算机周边，工业设备等等。目前集成USB1.1全速接口MCU大多数将收发器一并设计了进去，但到了USB2.0接口，因为传输速度提升到了480Mbps，可能是因为设计难度，或者IP授权成本的增加，大部分MCU厂家选择了分立方案，MCU只集成USB2.0控制器，通过外加USB2.0 PHY（比如USB3320，USB3300，CH132）收发器芯片来实现USB2.0通讯接口，比如典型产品，比如ST的32F407，32F405等等，也有一些USB接口专注度比较高的厂家将USB2.0 PHY内置，比如Cypress的68013，沁恒的CH32V307等。USB PHY内置外置区别到底有多大，刚好拿手上的几个芯片测试下，集成USB2.0控制器(不含收发器)MCU 32F407，32H743，集成USB2.0接口（含收发器和控制器）CH32V307，USB2.0收发器USB3320，CH132。

主控说明

主控（32F407，32H743，CH32V307）基本参数对比如下表：

MCU型号	主频	Flash（KB）	RAM（KB）	USB 全速 12Mbps	USB高速 480Mbps	供电电压
32F407	168MHz	1024	192	OTG	USB控制	1.8-3.6V
32H743	480MHz	1024	1024	OTG	USB控制	1.7-3.6V
CH32V307	144MHz	256	64	OTG	USB控制+内置收发器	2.4-3.6V

硬件说明

使用外置USB PHY连接示意图如下：

如上图，MCU通过ULPI接口与高速USB PHY连接。ULPI为标准USB PHY接口， DATA0-7为双向数据线；CLK为时钟信号输出引脚；NXT为Next信号输出引脚，STP停止信号输入。实现外置PHY实现一个USB2.0接口连线还是蛮多的，足足12根。

假如芯片把USB2.0高速PHY集成了，电路简单了很多，2根信号线直连即可。

速度测试

首先使用32F407 + USB3320测试，使用官方USB2.0库函数，在MSC例程上进行修改，测试USB2.0批量传输速度，写速度（从PC到MCU）16.6M Byte/s，读速度（MCU到PC）16.2M Byte/s。
将USB3320板子上USB3320直接替换为CH132 ，根据手册两者硬件兼容，可以直接替换，软件不用修改，直接测试，写速度16.6M Byte/s，读速度16.2M Byte/s。和USB3320速度差不多。
将主控32F407改用性能更高的32H743测试+3320测试，写速度21.8M Byte/s，读速度24.1M Byte/s，速度差别不大。虽然32H743性能比407 强不少，主频提升3倍，但是USB传输提升并不大，速度仅快了25%左右，这样看使用外置PHY且使用USB2.0库函数操作的速度瓶颈大致就在这里了，而且这瓶颈看起来和MCU的性能关系不大，当然看网上大神测试，假如改用寄存器操作的话，读速度可以提升至39.1M Byte/s。
继续使用CH32V307 采用相同的方式测试，测试例程为官方EVT USB批量传输设备例程，读速度45M Byte/s、写速度53M Byte/s，都有了较大幅度的提升。看来不是简单将ULPI PHY内置、省掉12根信号线这么简单，估计沁恒也对MCU内部总线架构做了改进，难怪沁恒USB3.0芯片文档中提到多层DMA架构和RISC-V内核的中断响应速度问题，听说这个自研的PHY最远还支持10米距离通讯。

整理测试接口速度如下，供参考。
USB2.0高速批量传输速度测试，上传数据由MCU到计算机，下传数据计算机到MCU

USB2.0高速方案	下传速度	上传速度
STM32F407+USB3320（USB2.0 PHY）	16.6M Byte/s	16.2M Byte/s
STM32F407+CH132（USB2.0 PHY）	16.6M Byte/s	16.2M Byte/s
CH32V307（内高速PHY）	53M Byte/s	44M Byte/s