通用序列匯流排（USB）設計目的是為了標準化電腦周邊的裝置連結，提供通訊管道與電力輸送，包括鍵盤、滑鼠、印表機、隨身碟、硬碟機、以及可攜式媒體播放器等裝置。USB是現今個人電腦與消費性裝置最常用的連結解決方案。其隨插即用、使用簡單、易於建置等特色，使USB的使用不斷擴展到各種新用途與市場。

1996年所發表第一版USB 1.0的規格，定義了兩種傳輸速度，以支援當時各類型裝置。其中，1.5Mbps（低速）是用來支援如鍵盤與搖桿等低速裝置；12Mbps（全速）則是用來支援如硬碟等裝置。2000年發表了USB 2.0規格，最大傳輸速率達480Mbps（高速），是USB 1.0的40倍。

雖說480Mbps已經能滿足現今市場上大多數裝置的速度需求，但2008年再度推出新版USB 3.0規格，此新版規格的最大傳輸速率為5Gbps（超高速），是USB 2.0的10倍。

究竟哪些應用需要使用到超高速等級的訊號率？若以影像資料與儲存的演進來看，就會發現高速資料傳輸仍無法滿足現今市場的需求。傳送未壓縮的高畫質影片（每秒30格的1080p），需要大約118MBps的速度。另外，根據SD記憶卡（SDXC）的最新3.0版規格，SD卡的容量最高可達2TB，時脈頻率達208MHz，資料最大傳輸率可達104MBps，USB 3.0的速度無疑能滿足這樣的市場需求。

此外，USB 3.0規格的特色還包括電源管理，以降低電力消耗並提高輸出電力，還能維持與USB 2.0的回溯相容性，USB至今一直維持與舊規格之間的回溯相容性原則。

本文後續將探討USB 3.0之規格架構，並詳述USB 3.0架構的各個分層。後面章節將列出每個分層（實體、鏈結、通訊協定等）與USB 2.0規格之間顯著的差異，以及USB 3.0所提供的新電源管理功能。

圖一 : 　USB3.0分層化架構如下圖所示：

USB3.0架構

USB 3.0架構包含實體層（Physical Layer）、鏈結層（Link Layer）、及通訊協定層（Protocol Layer）三個層級。

實體層

實體層是連結埠中的物理部分以及連結上行端（Upstream）與下行端（Downstream）的纜線。USB 3.0纜線內有兩對遮蔽雙絞線，用來傳送與接收資料，這些線路能和USB 2.0訊號並存運作。因此，USB 3.0纜線含有9個針腳，其中4個針腳是USB 2.0纜線的一部分。由於USB 3.0纜線支援較高的訊號率，其長度上限為3公尺。

USB 3.0的接頭分A、B型接頭，A型接頭是用來連接主控（Host）的上行端，而B型接頭則是用來連接裝置的下行端。USB 3.0標準A型接頭和USB 2.0接頭外型一樣，只是多了數個針腳用來支援超高速功能。標準B型接頭是針對硬碟與印表機這類較大型固定裝置所規範，而微型A與B接頭則是針對掌上型裝置規範。所有USB 3.0插座都與USB 2.0插頭維持回溯相容性。

USB 3.0主控端的電力輸送，單位負載為150 mA。USB 3.0主控端提供未配置裝置1個單位的電流，已配置的裝置則提供6個單位的電流。

USB 3.0主控端會根據接收器的終端電阻來偵測裝置，而傳送器就是負責執行的元件。USB 3.0採用展頻時脈傳送訊號，能將訊號源擴大到更大的頻譜範圍，而非集中在較小的頻譜範圍內，這種作法有助於降低電磁干擾。USB 3.0實體層支援低頻週期訊號（Low Frequency Periodic Signaling；LFPS），能用來管理訊號啟動，並能在匯流排上進行低功耗管理，在閒置的鏈路上減少電力消耗。

鏈結層

鏈結層負責維持主控端與裝置之間通訊頻道的可靠性與堅固性。鏈路訓練與狀態機器（Link Training and Status State Machine；LTSSM）位於USB 3.0鏈結層的核心，用以定義鏈路的連結和鏈路電源管理的狀態與轉換。LTSSM包含12種狀態：

鏈結層提供以下4種不同鏈路電力以強化電源管理：　

U1、U2、U3的喚醒時間比U0長，因此允許傳送器進入更深層的休眠模式。

4 種鏈路初始化與訓練狀態（偵測、輪詢、回復、熱重置）

2 種鏈路測試狀態（迴路與相容性模式）

SS.閒置狀態（當USB 3.0無法運作，鏈路處於故障狀態)

SS.關閉（當超高速匯流排被關閉，僅在USB 2.0模式下運作）

鏈路指令

用來維持鏈路流的控制，以及改變鏈路電力狀態。

通訊協定層

協定層定義了主控端與裝置之間的通訊規則。USB 2.0的交易包含3種封包：記號（token）、資料（data）、以及交握（handshake），並透過主控端送出的憑證封包來啟動。資料封包提供承載資料，透過主控端或裝置傳送出資料封包。交握封包由接收資料的一方送出，以通知資料收悉無誤。

在超高速模式中，為了節省頻寬，憑證封包會嵌入到資料封包內，一併進行OUT交易。在IN交易中，憑證封包被交握封包取代，舉例來說，一個ACK封包向傳送端告知前一個資料封包已送出，並要求傳送下一個資料封包。

透過封包表頭內的路由字串，系統將USB 3.0封包傳送到特定裝置。USB 3.0不會透過輪詢（polling）方式來查詢裝置的備便狀態。若裝置向主控端傳出的IN 交易封包（TP）答覆「NRDY （未準備好）」，主控端就會停止與該裝置通訊，直到裝置送出「ERDY （準備好）」封包，告知已準備好傳送資料。

USB 3.0支援以爆發模式（多個資料封包）傳送資料，無須等候收到收悉訊息，這種協定可有效率地運用匯流排資源，透過匯流排同時傳送與接收封包。傳送器（主控端或裝置）可透過爆發模式接連傳送多個封包，而接收器可在不干擾到資料封包傳輸下，傳送收悉訊息。此外，主控端還能在IN爆發傳送作業的同時，排定多個OUT爆發傳送程序。

為加強USB 2.0的大容量傳輸（bulk transfer）功能，USB 3.0加入「串流」的概念，因此能從一條管線（pipe）中同時接受主控端多項指令，並利用串流ID以亂序模式執行這些指令。

電源管理

所有分層皆建置電源管理功能

系統層級的電力效率：

圖二 : 　EZ-USB FX3高速USB 3.0周邊控制器

EZ-USB FX3是新一代超高速USB 3.0周邊控制器，能讓開發者輕易地將USB 3.0裝置功能加到任何系統中。EZ-USB FX3內含標準USB 3.0與USB 2.0實體層（PHY）元件，及一個32位元ARM926EJ-S微處理器，以提供資料處理功能，用來建構各種客製化應用。

EZ-USB FX3擁有一個可設定的通用可編程介面（GPIF II），能連結任何處理器、ASIC、或FPGA等元件。GPIF II支援8、16、以及32位元的平行資料匯流排，最高支援達100MHz的介面時脈頻率。

EZ-USB FX3內含512 KB的晶片內建SRAM記憶體，可用來儲存程式碼與資料。此外，還提供多種介面，可連結包括UART、SPI、I2C、以及I2S等序列週邊。上圖為EZ-USB FX3的內部模塊圖。

運用FX3打造UVC HD網路攝影機

圖三 : 　模塊圖

在這部UVC HD攝影機的設計中，影像感測器連結到FX3的GPIF II。GPIF II讀取從影像感測器傳來的未壓縮HD串流資料，再透過USB把資料傳遞到PC。FX3晶片中的I2C硬體模塊用來初始化/設定這個UVC攝影機內的影像感測器。FX3裝置會被設置成PC的一部UVC裝置。我們不需要驅動程式就能使用這款裝置，因為UVC屬於標準類別。

與影像感測器介面有關的訊號包括：

下圖為FX3與GPIF II設計者工具內部影像感測器之間的介面。透過極具彈性的GPIF II設計者工具，使用者可設定FX3暫存器和任何類型的影像感測器建立連結介面。

圖四 : 　FX3與GPIF II設計者工具內部影像感測器介面

在這部UVC HD攝影機的設計中，若需串流傳送一部未壓縮的半HD（每秒30格，720p，8位元色彩深度）影片，USB匯流排需要約56MBps的資料傳輸率。若要串流傳送一部未壓縮HD格式（每秒30格，1080p解析度，8位元色彩深度）的影片，USB匯流排必須達到約118 MBps的資料傳輸率。由於USB 2.0裝置控制器無法支援如此高的資料傳輸率，因此需要藉由USB 3.0控制器（FX3）才能滿足這些資料傳輸率的需求。

（本文作者任職於Cypress賽普拉斯半導體）