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USB3.0

什么是USB3.0?

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USB 3.0是最新的USB规范。随着硬件设备的不断发展进步,更高的传输速度和更大的带宽越来越被人们所重视。每秒2、300M的传输速度将会越来越难以让人们安于现状了。2007年,INTEL在IDF上把SuperSpeed USB作为了一项重要的话题拿出来展示。到了2008年11月17日,USB 3.0标准才算是正式完成并公开发布。

 

USB 3.0规范简介

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USB 3.0简要规范如下:
  ·提供了更高的每秒4.8Gb传输速度
  ·对需要更大电力支持的设备提供了更好的支撑,最大化了总线的电力供应
  ·增加了新的电源管理职能
  ·全双工数据通信,提供了更快的传输速度

  ·向下兼容USB 2.0设备

 

USB3.0技术规格

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USB3.0将支持高达5.0Gb/s的数据传输速度。它几乎是传统USB2.0接口的10倍。虽然目前的USB2.0接口已经被打上了“高速USB”的烙印,但是USB促进委员会还是拿出了全新的顶级USB3.0规范,经过一番激烈的讨论之后,他们最终将这个接口定义为“SuperSpeed USB”超高速USB接口。(这里让笔者担心的是,今后的USB4.0呢?又该怎么称呼呢?莫非要加上超超高速的字眼么?)

超高速USB接口在未来的高科技产品中无处不在,今天的消费者可以使用丰富的媒体资源和大量的数字文件,他们需要更轻松更快速的在电脑与外接设备之间移动它们。而超高速USB接口显然可以满足普通家庭用户对大容量数据的传输任务。

虽然USB3.0所使用的线缆与传统的USB2.0有很大的差异,但是他们的接口都是相同规格的。因此USB3.0接口可以保证良好的向下兼容性。根据初步统计,截止到2006年,全球就有超过20亿台USB设备,因此必须保证向下兼容性无论是对于普通用户还是地球环境来说,都有着巨大的实质性意义。

USB3.0的互联层与功耗管理

USB3.0促进委员会预计,SuperSpeed USB接口和控制器会在2009年下半年出炉,同时在2012年的CES消费电子大展上与大家见面。另外他们还预计,如闪存驱动器,外置硬盘数码相机摄像机,数字媒体播放器将会是最早应用USB3.0接口设备。

那么USB3.0究竟为什么有着如此神奇的魅力,它究竟是如何工作的?今天在这篇文章中,小编我就为你详细解说……

试想一下,用1分多钟的时间,从移动硬盘中拷贝一部高清电影到你的笔记本电脑中。试想一下,下载整套金庸小说有声朗读版到你的MP3上,仅仅花了几秒钟的时间。试想一下,仅仅用几秒钟的时间,从你的高清摄像机中,导出今天郊游的视频,发到Youtbue上,与你在千里之外的朋友分享你今天的收获。这些是不是让人感觉非常酷。

这就是下一代通用串行总线技术给我们带来的超高速体验。它就是传说中的USB3.0接口,又称作SuperSpeed USB。在今年第四季度之前,它看上去还是一个美丽的梦,而就在今年秋季的IDF大会上,Intel发布了许多USB3.0的规格特性,同时在近日也发布了专门支持USB3.0的xHCI可扩展主机控制器接口。就目前整个计算机行业来看,90%使用硅片的设备都需要更快速的数据传输接口。一些技术巨头,包括惠普英特尔微软、德州仪器等公司已经联合起来组成了促进委员会,为USB3.0指定各个方面的规范标准。努力让今后的数码相机、手机、音乐播放器都统一使用这种接口。

许多人看到的USB技术,仅仅是接口与线缆,但很少有人关心在USB接口中,数据是以何种形式被传输和处理的。在今天的台式机和笔记本电脑中,作为电脑主机,他们都包含了主机控制器。这个小小的芯片内具有一系列的逻辑管道,它负责管理主机和设备之间各种数据的传输。目前的Hi-Speed USB接口,即USB2.0接口采用的是一种半双工的结构,也就是说,数据传输只是单向的。首先外设装置发送信号到电脑,再由电脑发送信号到外设装置,两者不同同时互传信息。另外无线USB技术与有线的USB技术并不相同。他们采用的是超高频的无线信号,只有使用距离的约束。

在USB3.0规范中,它将会有自己专用的数据通路,专用的数据发送线路和独立的数据接收线路。因此,在主机与外设之间进行数据通信的时候,可以真正实现全双工。主机与外设都可以同时发送和接收数据。

另外数据传输的速率也将得到极大的改善,可以实现5Gb/s的数据传输能力,每个方向可以实现4.7Gb/s的数据吞吐量。而目前最快的USB2.0规范中,仅仅可以实现单向的480Mb/s。

无论是主机还是外设,所有的数据传输都可以在同一时间爆发,这些专用的数据收发通道可以将数据周转的时间减小到最低,同时他们可以同时发出操作请求。USB3.0接口向下兼容以前的USB2.0和USB1.1接口。如果消费者有一款非常漂亮的数码相机支持USB3.0接口,那么他仍然可以将里面的图片导出到具备USB2.0接口的老式台式机中。也就是说,新的USB3.0接口仍然能与老式的USB2.0设备联通。

USB3.0最大的优势就在于它超快的传输速度,当你传输整部高清视频这样的大文件时,它的优势将更加明显。现有外设接口不能满足我们的这些需要,我们不能眼睁睁的看着拷贝文件的进度条,一格一格的向前蠕动。

新的USB接口规范将会极大的减少接口的类型。在这之前USB2.0规范定义的非常糟糕,各种类型的USB2.0接口漫天飞,形式非常混乱。扑朔迷离的接口名称和各种不同的传输速率让消费者一头雾水。当USB3.0接口真正到来的时候,消费者脑中只有一个概念——这是一个真正通用的USB接口。

最令人感到困惑的就是无线USB,消费者非常容易将它与WiFi相混淆。但除此以外,大多数消费者都能理解通过使用USB接口和相应的线缆,将自己的MP3播放器链接到自己的电脑上去。最大的挑战就是USB3.0接口的易用性。这就属于营销学一个设计问题了,SuperSpeed USB将会有一个全新的LOGO,真正的USB3.0接口的颜色也会有别于其他。这样消费者可以一眼就将它们辨识出来。

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)是连接外部设备的一个串口总线标准,在计算机上使用广泛,但也可以用在机顶盒和游戏机上,补充标准On-The-Go(OTG)使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。

USB 最初是由英特尔与微软公司倡导发起,其最大的特点是支持热插拔(Hot plug)和即插即用(Plug&Play,PnP)。当设备插入时,主机枚举 (enumerate) 此设备并加载所需的驱动程序,因此使用远比 PCI 和 ISA 总线方便。

USB 速度比并行端口(Parallel Port,例如 EPP、LPT)与串行接口(Serial Port,例如 RS-232)等传统电脑用标准总线快上许多。原标准中 USB 1.1 的最大传输带宽为 12Mbps,USB 2.0 的最大传输带宽为 480Mbps。近期推出的USB 3.0更从480Mbps提升到4.8Gbps以上。

USB 的设计为非对称式的,它由一个主机(host)控制器和若干通过 hub设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有 5 级 hub,包括 Hub 在内,最多可以连接 127 个设备,而一台计算机可以同时有多个控制器。 和 SPI-SCSI 等标准不同,USB hub 不需要终结器。

目前USB接口的发展史,经历了大致四个时期:

预发布期:Pre-Releases

USB 0.7:1994年11月发布。
USB 0.8:1994年12月发布。
USB 0.9:1995年4月发布。
USB 0.99:1995年8月发布。
USB 1.0 RC:1995年11月发布。

USB 2.0时代

USB 2.0:2000年4月发布。
增加更高的数据传输速率 480 Mbit/s (now called Hi-Speed)。根据工程变更通知(Engineering Change Notices|ECN)进一步改进的USB规范。USB 2.0中最重要规范的ECN可以在USB.org查到:

Mini-B Connector ECN:2000年10月发布。规范了Mini-B的插头及插座标准。注意不要与Micro-B插头及插座混淆。

Errata as of December 2000:2000年12月发布。

Pull-up/Pull-down Resistors ECN:2002年5月发布。

Errata as of May 2002:2002年5月发布。

Interface Associations ECN:2003年5月发布。添加新的描述符以便将多重接口关联在在单一设备功能中。

Rounded Chamfer ECN:2003年10月发布。一项针对Mini-B接口坚固性的建议性、兼容性改进。Unicode ECN:2005年2月发布。这项ECN指定了字串可以使用UTF-16LE编码。USB 2.0曾指定可以使用Unicode,但没有指定编码。

Inter-Chip USB Supplement:2006年3月发布。

On-The-Go Supplement 1.3:2006年12月发布。USB直连(USB On-The-Go)允许两个USb设备不经独立USB主机端直接相互通讯。实际使用中,是其中一个USB设备作为其它设备的主机端。Battery Charging Specification 1.0:2007年3月发布。添加了对充电器(有USB接口的电源适配器)的支持,当供电端(作为充电器的USB主端口)和电池连接时,它允许瞬间通过100 mA的电流。如果一个USB设备连接到专用充电器或主端口时,最大瞬间电流可达1.5 A。(该文档并未包含在USB 2.0规范中。)

Micro-USB Cables and Connectors Specification 1.01:2007年4月发布。Link Power Management Addendum ECN:2007年7月发布。在启用与待机间增加了新的电源模式。当设备处于这个模式时不向其发送指令以减少电源消耗。所以,在启用及睡眠模式间切换要比在启用及待机模式间切换来的快得多。

High-Speed Inter-Chip USB Electrical Specification Revision 1.0:2007年9月发布。

USB 3.0时代刚刚开始

2007年9月18日,Pat Gelsinger在英特尔信息技术峰会上演示了USB 3.0,又称为SuperSpeed USB。USB 3.0标准由Intel和HP、NEC、NXP、微软以及德州仪器共同开发,USB 3.0的目标是提供当前十倍的带宽,利用新增的两对高速线路开启的“Superspeed”模式,可以达到约4.8 Gbit/s (600MB/s),并且可能使用光纤连接。

USB 3.0的技术规范于2008年8月13日发行,其商业产品预计于2009年或2010发行。USB 3.0新增了5个触点,两条为数据输出,两条数据输入,采用发送列表区段来进行数据发包,新的触点将会并排在目前4个触点的后方。USB 3.0暂定的供电标准为900mA,将支持光纤传输。USB 3.0的设计兼容USB 2.0与USB 1.1版本,并且使用了更有效的协议来节约能源。

USB3.0的研发经历了许久的时间,其草案也被翻来覆去修改了许多回。最终,USB3.0为了向下兼容USB2.0规范,同时又要极大的提高自身的带宽,就在一根线缆里,专门设置了两套数据传输机制。一套是便于普通的USB2.0接口,一套是专用的发送接收高速传输信道。

如图,这是USB 3.0 Micro B接口,针脚1是供电(VBUS),针脚2是USB2.0的数据-,针脚3是USB2.0的数据+,针脚4是USB On-The-Go的ID线,针脚5是地线(GND),针脚6是USB3.0的发送数据线-,针脚7是USB3.0发送数据线+,针脚8是地线(GND),针脚9是USB3.0的接收数据线-,针脚10是USB3.0接收数据线+。

USB 3.0 Micro B

USB3.0复合型接口

USB3.0的A型接口

Intel公司的xHCI规格之争发生在今年夏天,在USB执行论坛大会上,其大会主席Ravencraft先生呼吁所有厂商都要齐心协力,统一USB3.0的行业标准。而在这期间,Intel却剑走偏锋,自主研发这xHCI芯片。因为只是在闭门造车,Intel的xHCI芯片仅仅完成了90%。Intel宣称,当USB3.0规范正式敲定之后,它还将发布最终版本的xHCI规格。而它的老竞争对手AMDNVIDIA则抱怨说,Intel推迟发布自己的xHCI规格是违规,这是在给自己增加竞争优势。而Intel的发言人却答复:这是为了稀释研发规范的成本,因此可以帮助AMD和NVIDIA节约研发费用。Intel不会收取权利使用费,这仅仅会加快整个行业推行USB3.0接口的速度。

的确,最终受益的,应该还是普通的消费者。USB3.0应该成为一个开放性的行业标准,对于未来的接口标准。很多人都在积极的关注中。厂商之间的良性竞争,确保了每个消费者的利益。

USB 3.0 Micro B

至于USB3.0接口普及的时间表,这要取决于产品制造商的研发速度。目前规范已经制定完成,预计在2009年我们能看到USB3.0的样品。若要真正等到USB3.0产品大规模普及,最关键的还要看电脑主板厂商。

但是在2010年年中以前,采用USB3.0接口的计算机设备和外围设备大规模普及的热潮我们是不会看到的。微软会在2010年的时候,推出全新的Windows 7操作系统。届时才能支持这种新的数据传输协议。目前微软也积极的参与了规范的制定。由此硬件与软件厂商的通力合作,USB3.0的普及速度会大幅加快。

USB3.0 的 Transmitter 测试

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对于 USB3.0的 Transmitter 测试,为了测量到 5 次谐波,需要带宽 12.5GHz以上的示波
器,力科的 SDA813Zi 带宽 13GHz,采样率 40GSamples/s(最高可达 80GS/s) ,配合 USB3.0
一致性测试软件 QualiPHY、眼图医生软件和测试夹具,可以快速完成 USB3.0 的发送端
Compliance测试和调试分析。QualiPHY 软件可以使 USB3.0 发送端的各项测试自动化,并
生成多种格式的测试报告。在 QualiPHY 的 USB3.0 测试软件中,包括差分电压摆幅测试、
去加重比值测试(De-emphasis ratio test)、眼图和抖动测试、扩频时钟测试(Spread Spectrum Test) ,图1所示为报告中的整体测试项目概览,列出了测试项目对应的 Spec 的条目,测试项目的名称,当前测试结果,测试判定条件等。
     在发送端测试中,通常需要消除 USB3.0 的测试夹具引入的损耗和反射。如下图 1 所示
为 USB3.0 发送端测试示意图:夹具插到待测试芯片的 USB 口,夹具上通过 PCB 的传输线
USB 口引出到 4 个 SMA 连接头(USB3 的 TX 和 RX 各两个),然后用 SMA 接口的同轴电
缆连接到示波器。由于夹具上的连接器、过孔、传输线等会使信号发生衰减、色散或者反射,
导致示波器测量到的信号有所恶化。力科的眼图医生软件包括了夹具去嵌功能,只需输入夹
具的 S 参数模型文件(可由 VNA或者 TDR 测量得到),即可计算出没有夹具时测量到的信
号的波形与眼图。如图 2 左下部分所示为示波器测量的 USB3.0 信号去嵌后测量到的眼图,
图 1 右下部分是示波器直接测量到的眼图(即未作夹具去嵌的眼图),相比后者,前者的上
升下降沿更陡峭,眼轮廓清晰,眼张得更开。从这个比较图中可以看到力科的去嵌技术可以
消除测试夹具的负面作用。使用夹具去嵌功能后,可以更加准确的测量电压摆幅和去加重的
比值。

 

  图1:  力科一致性测试软件QualiPHY产生的报告一部分

差分电压摆幅测试

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差分电压摆幅测试的目的是验证信号峰峰值是否在 0.8-1.2V 之间。测试中 Device Under TEST(简称 DUT)需要发送出测试码型 CP8(CP 是Compliance Pattern 的简写,在 USB3的物理层测试中,各项测试需要不同的测试码型,USB3.0 规范中定义了各种测试码流,USB3.0 的芯片厂商提供了软件接口来配置其发送数据的码型) ,CP8 由 50-250 个连续的 1 和50-250个连续的 0 重复交替组成,而且消除了去加重,其波形相当于 50-250分频的时钟。在这些测试中,把 USB3.0 测试夹具去嵌后测量结果更精确。 

 

图 2:USB3.0 测试夹具的去嵌


 

去加重比值测试

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为了把 5Gbps 速率的数据传送较远的距离,USB3.0 的发送端使用了去加重技术,这项
测试可以测量DUT的去加重程度是否满足规范要求(要求在-3dB到-4dB之间)。测试时DUT
发送出 CP7码流,CP7 码型由 50-250个连续的 1和 50-250 个连续的 0 重复交替组成,而且
是添加了去加重的信号波形。图3为某USB3.0芯片的去加重测量结果,该芯片采用了-3.47dB
的去加重。

 

图 3:某 USB3.0 芯片的去加重比值测量

眼图与抖动测试

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在 USB3.0 的 TX 的眼图和抖动测试中,测量的是待测试信号经过参考测试信道后 TP1点的眼图和抖动。如下图 4 中的Reference TEST channel即为参考测试信道,在规范中定义了lONg channel、short channel 和3 米电缆三种参考测试信道。如果使用 long channel 或者较长电缆,信号到达接收端时衰减比较大,眼图已经闭合,USB3.0 芯片接收端使用了 CTLE 均衡器对信号进行均衡后(CTLE 均衡器介绍见本文最后一部分),信号眼图的质量将大大改善,所以要求测试仪器分析出 CTLE 均衡器处理后信号的眼图和抖动。

 

图 4:USB3.0 的 TX 的眼图测试点(来自 USB3.0规范) 

 
如下 54 所示,左边的眼图是靠近 TX近端测量到的眼图;中间的眼图是通过兼容性信道 (参
考测试信道)后测量的眼图,可见眼图的张开程度较小,抖动较大;右边的眼图是仿真 CTLE
均衡后的眼图,可见眼高和抖动都得到改善。

 

 

图 5:USB3.0 的 Transmitter 测试在近端、远端和均衡后的眼图对比


眼图和抖动测试中信号源需要发出特别的测试码型,对于眼图测试,需要 CP0 码型(扰
码的 D0.0),对于抖动测试,需要 CP0 码流或者 CP1 码流(D10.2),前者用于确定性抖动
Dj 的测量,后者用于随机抖动 Rj 的测量。眼高必须从连续的 1 百万个比特叠加的眼图中测
量,力科 SDA813Zi 示波器完成 1 百万比特的眼图仅需 2 秒,速度是同类示波器的 10-50 倍
以上。抖动为 10e-12 误码率时抖动的峰峰值(即总体抖动 Tj)。 
 

 

扩频时钟测试(Spread Spectrum Clock Test)

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扩频时钟经常使用在计算机主板电路上,用于减小电磁辐射。在 USB3.0 中,需要测试扩频时钟的调制频率和频偏,测试时DUT 发送出 CP1 码型的数据流(CP1 码型为 D10.2,即 0101 连续跳变的码型,相当于频率 2.5GHz 的时钟),规范要求扩频时钟的调制频率为 30-33KHz 之间,频偏在 0ppm到-5000ppm之间。如下图 6 为力科示波器测量扩频时钟的结果。

 

 

图 6:扩频时钟测试结果

 

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