作者：Fisher Yang，文章来源：FPGA FAE技术分享选集
前言
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是当今最广泛使用的外设接口标准之一，从键盘鼠标到高速固态硬盘，几乎覆盖了所有外设连接场景。随着USB规范不断演进，接口速率从最初的1.5 Mbps发展到如今的40 Gbps（USB4 Gen3x2），性能提升超过两万倍。
开普勒KPL3858评估板基于AMD Versal AI Edge Series Gen 2器件2VE3858，板载1个USB3.2 Gen2x1接口（Type-C）和2个USB2.0接口（Type-A），与官方VEK385评估板保持一致。USB3.2由Versal Gen2的MMI（Multi-Media Interface）硬核提供，通过GTR收发器实现10 Gbps高速传输；USB2.0则通过ULPI PHY（USB3320）经USB HUB（USB5744）扩展出两个Type-A接口，同时HUB的第一个端口连接USB2244控制器，用于板载microSD卡接口。
本文将详细介绍USB各代规格演进、Versal Gen2 USB硬件架构、KPL3858板卡USB电路设计、Vivado配置方法，以及USB实际性能测试结果。
一、USB各代规格介绍与对比
USB规范由USB-IF（USB Implementers Forum）制定，自1996年发布1.0版本以来，历经多次重大版本迭代，速率和功能不断提升。值得注意的是，USB3.x的命名经历了多次调整，容易造成混淆，下表以最新官方命名为准。
注：USB3.x命名历史上经历多次变更。USB 3.0在USB 3.1发布后被重命名为USB 3.1 Gen1，在USB 3.2发布后又被重命名为USB 3.2 Gen1x1。本文统一使用USB-IF最新官方命名。
图1-1 USB 各代规格对比
二、Versal Gen2 2VE3858 USB接口介绍
AMD Versal AI Edge Series Gen 2器件2VE3858集成了相互独立的USB控制器：
1. MMI子系统中的USB3.2Gen2x1硬核控制器，该控制器内部同时集成了USB3.2 PHY（PIPE4接口）和USB2.0 PHY（UTMI+/ULPI接口），可同时支持USB 3.2和USB2.0速率；
2. PS域有2个的USB2.0控制器，通过PMC MIO[13:25]或PMC MIO[27:39] ULPI接口连接外部USB PHY芯片。
2.1 USB3.2 Gen2x1（MMI硬核）
2.1.1 概述
Versal Gen2的USB3.2 Gen2x1是直接集成在处理系统（PS）中的标准接口硬核，完全硬化IP，无需消耗PL资源，减少设计复杂度。
• 多协议支持：单个控制器支持USB 2.0（480 Mbps）、USB 3.2 5 Gbps（Gen1x1）、USB 3.2 10 Gbps（Gen2x1）
• Host模式并发：Host模式下USB 3.2和USB 2.0可同时工作
• 硬化PHY：USB 3.2使用PIPE4接口，USB 2.0使用UTMI+/ULPI接口，均为硬化实现
• RAM集成：所需RAM已集成在MMI内部，无需外部BRAM或PL资源
• 硬化互联：通过硬化连接直连片上互联，不直连PL
• 时钟门控：支持时钟门控以降低功耗
• 支持USB Power Delivery（PD）：KPL3858评估板通过TI TPS66993芯片实现
图2-1 2VE3858 USB 3.2 Gen2x1
2.1.2 GTR MUX共享机制
2VE3858的GTR收发器，专门供USB3.2和DisplayPort 1.4共享，通过MMI内部的PHY MUX进行切换分配。
图2-2 2VE3858 USB3.2共享PHY MUX框图
说明：USB3.2 / DP1.4 PHY：共享的高速PHY，支持USB3.2（最高10 Gbps）和DP1.4（最高32.4 Gbps）两种协议，通过PHY MUX切换。 USB2.0 PHY不经过PHY MUX始终可用，与USB3.2同时工作。
4条GTRLane的分配方式在Vivado MMI Peripherals中配置，可选组合如下：
KPL3858板卡选择USB, DP x2配置：USB3.2使用Lane[0:1]连接Type-C连接器（J56）。USB2.0 PHY独立工作，不受PHY MUX影响。
注意：根据AMD官方介绍（2025.1版本）USB3.2暂不支持Type-C Flip（翻转插入）的SuperSpeed+模式，正面插入支持USB 3.2（10 Gbps），翻转插入降速至USB 2.0（480 Mbps）。后续的版本修复了此限制。
2.2 USB2.0（ULPI接口，PS域）
Versal Gen2的PS域提供2个USB2.0控制器，通过ULPI（UTMI+ Low Pin Interface）标准接口连接外部USB2.0 PHY芯片。ULPI标准定义了USB控制器IP与PHY器件之间的接口，相比UTMI+大幅减少了接口引脚数量。
三、开普勒KPL3858板卡USB硬件设计
3.1 USB3.2 Type-C接口
KPL3858板卡的USB3.2接口通过Type-C连接器（J56）引出，对应Versal Gen2器件BANK 504的USB3.2 PHY引脚。BANK 504包含USB3.2的差分发送/接收对（PAD_USB3_PHY_TX/RX）以及USB2.0的差分信号（PAD_USB2_DP/DM）。
图3-1 BANK 504 USB3.2 PHY信号原理图
Type-C连接器的电源管理和方向检测由Texas Instruments TPS66993 USB Type-C及USB PD 双角色端口（DRP）控制器（U272）负责，实现以下功能：
• 线缆插拔检测及方向检测（CC1/CC2引脚）
• USB Power Delivery（PD）协商
• DisplayPort热插拔检测（DP HPD）
图3-2 USB3.2 Type-C连接器及TPS66993 PD控制器原理图
3.2 USB2.0接口链路
KPL3858板卡的USB2.0链路由以下芯片级联构成：
2VE3858 USB2.0（ULPI）→ Microchip USB3320 PHY（U29）→ Microchip USB5744 4-Port Hub → Port 2/3：双叠USB2.0 Type-A连接器（J77）
（1）USB3320 ULPI PHY（U29）
Microchip USB3320是一款高速USB2.0 PHY，支持UTMI+ Low Pin Interface（ULPI）标准，主要特性如下：
• 支持USB 2.0 High Speed（480 Mbps）、Full Speed（12 Mbps）、Low Speed（1.5 Mbps）
• ULPI接口，8位数据总线，大幅减少与主控的连接引脚数
• 由板载24 MHz晶振提供参考时钟，PHY内部PLL生成60 MHz ULPI时钟输出给主控
图3-3 USB3320 ULPI PHY原理图
图3-4 BANK 501 ULPI MIO信号连接原理图（MIO27~MIO39）
（2）USB5744 4-Port USB Hub
Microchip USB5744是一款4端口USB SS/Hi-Speed Hub控制器，在本设计中以USB2.0 Hi-Speed模式工作，将USB3320的单个USB2.0上行端口扩展为3个下行端口：
• Port 1：连接USB2244 SD/MMC控制器，用于板载microSD卡接口
• Port 2：连接双叠USB2.0 Type-A连接器（J77）上层
• Port 3：连接双叠USB2.0 Type-A连接器（J77）下层
• Port 4：接10K上拉电阻，不可用
各端口的VBUS使能由USB5744独立控制。
USB_HUB_RST_B复位信号由PSXC_MIO14控制（LPD MIO Bank 502）。
图3-5 USB5744 Hub及USB Type-A连接器原理图
四、Vivado配置
在Vivado中通过Processing System Wizard配置USB接口，分为PS Peripherals（USB2.0）和MMI Peripherals（USB3.2）两个部分。
4.1 PS Peripherals--USB2.0配置
在PS Wizard的PS Peripherals页面，启用USB1控制器：
• 勾选USB1（Domain：PS）
• IO Type：MIO
• Location：PMC_MIO_27:39（对应ULPI接口的MIO引脚）
注意：KPL3858评估板上USB0未使用。USB1对应板卡上的USB2.0 ULPI PHY链路。
图4-1 Vivado PS Peripherals - USB1配置（PMC_MIO_27:39）
4.2 MMI Peripherals - USB3.2配置
在PS Wizard的MMI Peripherals页面，配置USB3.2及其与DisplayPort共享：
• 选择USB, DP x2，PHY Lane Mapping：Lane[0:1], Lane[2:3]
• USB3.2使用Lane[0:1]，连接Type-C连接器J56
• DisplayPort使用Lane[2:3]
右侧USB Configuration区域：
• USB 2.0：自动勾选（灰色，不可取消，USB3.2必须包含USB2.0）
• USB 3.2：勾选，启用SuperSpeed+（10 Gbps）
图4-2 Vivado MMI Peripherals配置（USB 3.2 Gen2x1）
五、USB测试
测试环境：将官方revA的boot.bin烧录至KPL3858上的OSPI Flash，将revA完整Linux镜像烧录至microSD卡，上电后进入Linux系统后进行测试。
5.1 USB2.0 U盘测试
将USB2.0 U盘插入KPL3858板卡的USB2.0 Type-A接口（J77），在Linux系统中执行lsusb和fdisk -l命令查看识别情况。
图5-1 KPL3858 TypeA USB插上U盘
lsusb结果分析：
• Bus 001（USB2.0总线）：
• 0424:2744 - USB5744 Hub（Microchip，原SMSC）
• 0424:2240 - USB2244 Ultra Fast Media控制器（SD卡接口）
• 0424:2740 - USB5744 Hub Controller
• 090c:1000 - Silicon Motion Flash Drive（插入的USB2.0 U盘）
• Bus 002/003：USB2.0/3.0 root hub（USB3.2控制器，未插设备）
图5-2 插入USB2.0 U盘后lsusb输出
fdisk -l输出：
图5-3 插入USB2.0 U盘后fdisk -l输出
5.2 USB3.2 Type-C固态硬盘测试
将USB3.2 Gen2x1（10 Gbps）Type-C固态硬盘（威刚 SE800支持高达1000 MB/s的读写）连接至KPL3858板卡的USB3.2 Type-C接口（J56），在Linux系统中执行lsusb和fdisk -l命令查看识别情况。
图5-4 KPL3858 TypeC 插上移动固态硬盘
lsusb结果分析：
• Bus 001（USB2.0总线）：USB5744 Hub、USB2244 SD卡控制器正常枚举
• Bus 002 Device 002：174c:a89a - ASMedia Technology SE800 USB3.2 Gen2SSD
• Bus 003：Linux Foundation 3.0 root hub（USB3.2控制器）
图5-5 连接USB3.2 Type-C SSD后lsusb输出
fdisk -l输出：
图5-6 连接USB3.2 Type-C SSD后fdisk -l输出
fdisk -l结果分析：/dev/sdb为连接的SE800固态硬盘（953.87 GB），系统正确识别并枚举为块设备。
5.3 USB3.2 Type-C固态硬盘性能测试
使用Linux内置的dd命令对USB3.2 Type-C SSD（威刚 SE800支持高达1000 MB/s的读写）（/dev/sdb）进行顺序读写性能测试。dd命令通过直接I/O（oflag=direct / iflag=direct）绕过页面缓存，测量实际的存储设备吞吐量。
顺序写入测试：
向/dev/sdb写入4 GB数据（4个1024 MB块），使用oflag=direct绕过写缓存：
顺序读取测试：
从/dev/sdb读取4 GB数据，使用iflag=direct绕过读缓存：
USB3.2 Gen2x1理论带宽为10Gbps。实际测试中，受USB协议开销、SSD控制器及主控处理能力影响，顺序读取速率达约797 MB/s，顺序写入速率达约863 MB/s，远超USB3.2 Gen1x1（5 Gbps，~400 MB/s）和USB2.0（480 Mbps，~40 MB/s）。
总结
本文详细介绍了开普勒KPL3858评估板的USB接口设计与测试：
• USB3.2 Gen2x1（10 Gbps）：由Versal Gen2 MMI硬核提供，通过GTR收发器连接Type-C接口，配合TPS66993 PD控制器实现完整的USB Type-C功能；
• USB2.0（480 Mbps）：通过ULPI PHY（USB3320）→ USB5744 4-Port Hub扩展，提供2个Type-A接口，同时通过USB2244控制器支持板载microSD卡；
• 测试验证：USB2.0 U盘（14.65 GB FAT32）和USB3.2 Type-C SSD（953.87 GB）均被Linux系统正确识别；dd性能测试验证Versal Gen2的USB3.2 Gen2x1实际带宽远超USB2.0；
下一篇预告：开普勒KPL3858（八）MIPI C-PHY接口的介绍和测试，敬请期待。
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