发展经纬
USB(Universal Serial Bus)是一般消费者最常用的汇流(bus)组件,最近几年普遍应用在MP4、PC、移动电话等携带型数字电子机器,目前全球市场大约有100亿个USB机器被使用,随着处理数据扩大,传统USB2.0的转送速度出现长时间等待的情况越来越严重,例如标准(SD)画质2小时的影像数据,数据大小大约6GB左右,使用最高转送速度480Mbps的USB2.0,必需花费3分钟。表1是各种USB的数据传递速度比较一览。
各种USB的数据传递速度比较
应用范例 |
影音
(A/V) |
USB闪存 |
USB闪存 |
SD
动画 |
USB闪存 |
HD
动画 |
数据大小 |
4MB |
256B |
1GB |
6GB |
16GB |
25GB |
USB1.0 |
5.3秒 |
5.7分 |
22分 |
22小时 |
5.9小时 |
9.3小时 |
USB2.0 |
0.1秒 |
8.5秒 |
33秒 |
3.3分 |
8.9分 |
13.9分 |
USB3.0 |
0.01秒 |
0.8秒 |
3.3秒 |
20秒 |
53.3秒 |
70秒 |
若是高画质(HD)影像,数据大小高达25GB,转送时间超过10分钟,因此USB2.0的后续规格,USB3.0在2008年11月正式规格化,USB3.0具备以下特征分别是:
‧ 与传统USB2.0完全上位互换。
‧ 转送速度是传统USB2.0的5倍,高达5Gbps。
‧ 降低协议上的过溢(over head)现象,提高实效转送速度。
‧ 考虑移动电子机器应用,特别强化电源管理功能。
上记2小时的高画质(HD)影像数据,USB2.0的转送时间超过10分钟,相较之下USB3.0只需要2~3分钟。表2是USB3.0与USB2.0的特性差异比较一览。
依照转送速度,USB分成:
‧USB1.0/1.1 → 1.5Mbps/12Mbps(LS: Low Speed/ FS: Full Speed)
‧USB2.0 → 480Mbps(HS: High Speed)
‧USB3.0 → 5.0Gbps(SS: Super Speed)
三种版本。
表2 USB3.0与USB2.0的差异比较一览
特征 |
USB3.0 |
USB2.0 |
数据率 |
低速: 1.5Mbps
中速: 12Mbps
高速: 480Mbps
超高速: 5.0Gbps |
低速: 1.5Mbps
中速: 12Mbps
高速: 480Mbps |
数据信号 |
追加1对超高速送、收信差动信号(全双重通讯) |
差动信号1对,时间分割送、收信(半双重通讯) |
端子信号数 |
2个: USB2.0用D+/D-
3个: Vbus/GND×2
4个: 超高速用 |
2个: USB2.0用D+/D-
3个: Vbus/GND |
编码方式 |
8b/10b |
NRZI |
EMI对策 |
SSC
Data scramble |
及 |
Packet送讯方式 |
Unicast |
Broadcast |
可转送数据的通知 |
组件对Host通知备妥状态 |
Host随时polling组件 |
低消息电力控制 |
各连接水平独立控制 |
Port单位的Suspend/Resume |
汇流的电源供应 |
最大900mA |
最大900mA |
USB3.0的特征
三个差动对
如图1(a)所示,USB2.0使用2条差动信号对(pair)D+与D-,可以双向送、收讯数据,此外缆线内部有提供USB电源,称作Vbus的5.0V电源与GND,该结构从USB1.0/1.1问世以来,基本上没有太大改变。
USB3.0传送速度高达5Gbps,传统缆线与连接器无法支持,因此不能直接沿用上记传统架构,为确保与传统USB的互换性,如图1(b)所示传统缆线与连接器之外,还追加新型5Gbps通讯用差动信号对SSRx+/SSRx-,以及SSTx+/SSTx-, 等总共4条信号线。
如图2所示,USB3.0的缆线与连接器与传统USB具有完全互换性,支持USB3.0的Host能够与USB2.0的组件连接,反过来说USB3.0的组件能够与连接USB2.0的Host连接,此时USB2.0的速度受到限制。换句话说能够以USB3.0的5Gbps动作只有:
‧支持USB3.0的Host
‧USB3.0的缆线
‧USB3.0的组件
三者的组合。
《图二 USB3.0的端子与cbale plug互换性》 |
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《图三 USB3.0与USB2.0缆线的连接组合》 |
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两差动对同时收送讯
如图4(a)所示,USB2.0为双向同步使用2条信号线,这种方式反面缺点只能作半双重通讯,此外送、收讯切换时,必需进行位与文字(word)同步作业,USB3.0变成5Gbps的转送速度,同步作业要求的时间增大,如果改成依照各封包(packet)通讯同步方式,几乎所有时间都花费在同步图形的传递,因此欠缺实用性未被采用。
如图4(b)所示此处送、收讯使用各别同步,总共4条信号线,如此一来就不需要切换数据传输方向,可以同时进行Host至组件,或是组件至Host的全双向数据通讯。
不等待ACK转送数据
图5是USB2.0与USB3.0的数据传输波形,USB2.0的封包之间插入非0与1的共通模式(common mode)电压期间,传送数据后必需等待对方的承认(ACK: Acknowledgement)之后,才能再传送下一个数据。
USB2.0是半双重通讯使用上没有特别问题,全双重通讯的USB3.0,只能交互上行、下行连接,此时效率变成一半,必需改用不等待承认(ACK)反应,就能够开始进行下一个数据传送的瞬间(burst)转送方式。
由图5(b)可知,Host对组件传送二个数据封包,组件则回传二个承认,对第二个数据封包与第一个数据,传递承认的同时没有额外的等待时间。
《图五 USB2.0与USB3.0的数据传输波形》 |
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物理层的处理
接着介绍USB3.0进行5Gbps的通讯技术。图5是USB2.0与USB3.0的物理层送、收讯电路方块图,USB3.0的变更部位分别如下:
a. 追加数据打散(scramble)
b. 变更编码方式
c. 追加接收机均衡器(receiver equalizer)
d. 追加展频式频率(SSC: Spectrum Spread Clock)
类似USB等序列(serial)通讯,必需将频率埋入序列数据的位列,构成所谓的自我同步(embedded clock)通讯,如图7所示收讯端从数据抽出频率,再以该频率将数据当作样品,收讯端将0、1的变化转换成包含复数字元的图案送讯,使埋入的频率可以再生,该转换称作「编码化」。
USB3.0则变更USB2.0的编码方式,如图8所示相较于USB2.0的数据,USB3.0是以不归零就反向的方式(NRZI:Non Return to Zero Invert,)进行编码。
如图9所示USB3.0使用8b/10b的编码方式,8b/10b经常使用在Serial ATA与PCI Express的编码,因此可以轻易将既有的物物理层(PHY: Physical Layer)沿用于USB3.0。
上记编码方法送讯数据位0时,NRZI会改变目前的信号强度(level)(例如0强度时变成1,反过来说强度时变成0),数据位1时维持目前信号的强度。
NRZI连续六个1的情况,送讯端会插入0,收讯端进行删除0的处理,透过所谓位填塞(bit stuff),就能够保证六个位内,一定会发生0/1的反相,收讯端就可以进行频率再生。
USB3.0使用8b/10b,8位的数据转换成10位进行送、收讯,它具备以下特征:
‧ 即使连续0或是1的数据,包含许多0与1的变化,被编码成位的图
案,在收讯端就能够轻易进行频率再生。
‧ 0与1的全部被编成相同码,因此可以作已经取得DC平衡的AC整合。
‧ 编码空间扩大8位256类数据以外,追加所谓K码的控制用码。
‧ 码具有冗长性(1024通之中,实际只佣256+K码),某种程度可以检
测错误。
‧ 数据传输率高达80%(使用10位,8转送位数据)。
所谓打散(scramble)是指持续输出相同数据,也不会反复相同位图形(bit pattern),虽然将数据与随机数当作XOR同样可以实现上记目的,不过将实际随机数当作XOR,在收讯端无法回复成原来的数据,因此目前大多都使用疑似随机数列。打散具备以下效果:
‧ 输出的信号频率频谱(spectrum)不会偏向特定频率,能够均匀分散。
‧ 1与0均匀分散,频率数据还原(clock data recovery)电路的位追踪性变好。
‧ 抖动(jitter)现象降低。
图10是00h(8b/10b转换后的D10.2码)有无打散时,输出的频率频谱特性,由图可知无打散时特定频率发生峰值,不过施加打散后该峰值就被分散。
无打散时连续输出00h,因此位图形变成一定,频率出现峰值,反过来说09h、E5h、72h、3Dh等随机数列打散(XOR)时,输出数据变成09h、E5h、72h、3Dh,位变化的图形则变成「随机(random)」状态,因此频率分布扩大。
《图十 有(右)无(左)scramble的频率特性比较》 |
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USB2.0的串行解串器(SerDes:Serialization/Deserialization)使用±500ppm的频率,USB3.0为对策电磁干扰(EMI: ElectroMagnetic Interference) ,改用展频频率(SSC: Spread Spectrum Clocking)方式。
使用展频频率(SSC)的主要目,例如上记利用打散技术,某种程度包含在信号列的频率成份会被分散,换句话说刻意改变送讯使用的频率,可以使频率成份更分散,对策电磁干扰(EMI对策变得更容易,因此USB3.0的频率频率在+0ppm~-5000ppm范围,以33k~33kHz周期作周期性变化,频率的中心频率偏差允许±300ppm,配合展频频率的变化,频率可以在最大+300ppm~-5300ppm的范围内变化。
图11是USB3.0的Host输出信号1位时,周期(UI: Unit Interval)的时间变化特性图(time trand),由图可知时间变化在200ps与201ps之间周期性变化。
如图12所示,虽然USB3.0规范成容易沿用PCI Express的物理层(PHY),不过异步的展频频率与后述的接收机均衡器(receiver equalizer),与PCI Express截然不同,因此设计USB3.0必需特别注意。
传输线路内部具有等价性与信号传递方向串联的L,以及并联的C,信号频率一旦变高,原传输路径不易流通,而且对接地容易外漏,频率越高损失越大,补偿传输线路的高频成份衰减,因此一般送讯端都会施加解除加重(de-emphasis)进行高速通讯。
如图13所示所谓解除加重,是强化信号值变化时的输出,比该值未变化更强,藉此补偿衰减的高频成份。USB3.0除了施加上记解除加重之外,还要求收讯端进行平均化(equalize)补偿传输线路的衰减成份,因此实际上只要组合C与R,即使是单纯的线线平均化,也能够轻易决定规格。
图14是USB3.0的平均化频率特性,它利用2.5GHz附近信号的增幅,补偿传输线路的衰减成份。
图15是USB3.0主控制器(host controll)IC「μPD720200」的输出信号,通过3m缆线与30cm基板上的追迹(trace)后的波形,由图15(a)可知,虽然从主控制器IC输出时已经进行解除加重,不过超过该范围时传输线路的损失很大,因此到底是1还是0并不明确无法正常通讯。
图15(b使用参考(reference)解除加重后的波形,由于1与0完全分开,因此可作稳定的通讯。
《图十五 平均化后的的结果(a上) 平均化前的波形 (b下)平均化后的波形》 |
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转送速度实验
图16是USB3.0 Host控制IC「μPD720200」的电路方块图。实验使用上记IC与仿真USB组件设备测试USB3.0的转送速度,因此数据纯属开发期间的实验数据,此外本实验是在下记限制下进行测试:
①. 使用评鉴用仿真USB组件设备进行通讯,非实际USB3.0
②. 件设驱动器与韧体(Firmware)都不是最终版,此外切换(tuning)也不充裕
亦即上记转送速度与IC并非保证值,也不是USB3.0可以获得的性能极限。
实验首先将64k位的数据从组件读入Host,图17是利用协议分析仪撷取该转送的试验结果,它是以183.9μs转送64k位的数据,换句话说此时转送速度变成:
64k位÷183.9μs=356M位/秒
虽然图17显示341M位/秒,主要原因是协议分析仪造成的结果,它比1M位=1024×1024位计算低。
《图十六 USB3.0 Host控制IC的电路方块图》 |
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结论
以上介绍USB3.0的特征,以及实现5Gbps通讯速度的技术。USB是目前最常见的汇流组件,广泛应用在TV、PC、数字相机、移动电话等携带型数字电子机器。
随着USB的普及化,各半导体厂商陆续开发支持IC,逐渐成为各公司竞相追求的巨大消费市场。