USB3.0:點燃2011消費電子新熱情

USB演進

通用串行總線(USB，UniversalSerial BUS)技術問世以來，在USB設計論壇(USB-IF)及相關廠商的大力推動下，已經成為名副其實應用最廣泛的外部數據傳輸總線標準，并且逐漸擴展到PC以外的諸多應用。全球有超過100{L臺的計算機外設和消費電子產品支持USB連接端口作為其主要或唯一的傳輸接口，USB可說是有史以來最成功的連接技術。更令人驚嘆的是，據估計，USB生態系統仍以每年30億臺的速度持續擴展，幾乎已將“即插即用”的簡易性帶到每一臺電子設備中，為消費者提供開箱即用的絕佳使用體驗。大眾所熟悉的USB接頭和線纜已被視為兼容性的象征，能為各種層面的用戶體驗創造一個無縫的、無所不在的連接世界。

隨著用戶對數據傳輸速率需求不斷提升，USB2，0S經無法滿足多媒體應用對傳輸的需要，USB-IF～2008年11月推出全新超高速USB(superSpeedUSB)標準，即USB3.0，旨在滿足富媒體和大型數字文件傳輸帶寬的要求。USB 3.0規定的5Gb／s數據率和200Mb／s的數據吞吐率是USB 2.0的10倍。USB系統的演進如圖1所示，USB3.0可以兼容原有各種USB傳輸標準，以及支持未來的光纖傳輸，如圖2所示。

USB 3.0的推出解決了USB 2.0一些性能瓶頸問題。高速USB 2.0提供480Mb／s的數據率，但實際數據吞吐率往往受I／O性能限制而超不過35MB／s。當下載較大文件時，較高的吞吐率能節省可觀的傳輸時間。USB3.0可提供高達5Gb／s的數據傳輸率和200MB／s以上的數據吞吐率，實際中的表現區別詳見表1。

全新特性

USB 2.0接口共有4條線路，其中兩條對應數據輸入輸出，另外兩條分別是供電和地線。USB 3.0在此基礎上增加了5個觸點，其中有四條線，兩條為數據輸出，兩條數據輸入，并且這四條線路可以實現雙向同時傳輸，即采用了對偶單純形四線制差分信號線。這樣整個配線系統總共就有8條線，4條遵從USB 2.0規范和用于確保向后兼容性，新增的4條線配置為專門用于USB 3.0通信的兩對線(如圖3)。它們采用全單IT作模式，一對線發送，另一對線接收。解決了USB 2.0的輸入輸出線路無法實現同時工作(即輸入信號時無法輸出的問題)之后，USB3.0的雙向傳輸模式大大提高了傳輸速度。

SMSc計算與連接事業部門營銷總監Mark Fu特別介紹道，USB 3.0在物理層、鏈接層以及協議層提供其它的優點，這使它成為顯示應用的理想選擇。

在物理層，SuperSpeed USB的每比特位功率較USB 2.0為低，因此，其速度雖然增加了10倍，功耗增加卻很少。Super Speed信號為基于專用Tx和RX差分信號對的雙單工(dual simplex)信號。因此總線不需要處理雙向流量。由于顯示器僅單純地接收信號，因此從USB 3.0主機端流向SuperSpeedUSB顯示器的大量顯示數據不會影響反方向數據傳輸的性能。

在鏈接層，USB 3.0使用先進編碼技術以達到10的誤碼率，因此可做為穩健且可靠的視頻傳輸總線。擴展到四個鏈接功耗狀態的電源管理提供了實現高效單位數據功耗的良好基礎。事實上，每個設備都能驅動自己的鏈接狀態，以達到所需的功率特性。當某特定設備沒有待傳輸的數據時，此設備可將其鏈接設定在低功耗狀態，不會對其他設備造成影響。除了鏈接層，USB 3.0還進一步采用了一個全局性的電源管理方案。它在物理層、鏈接層、協議層、主機端、集線器和設備端等所有層級中，都采取了省電技術，以提高整個系統的電源效率。在功耗盡可能降低的同時，每一個端口上USB 3.0線纜能獲得高達4.5瓦(900 mA@5V)的功率，接近UsB 2.0的2.5瓦的兩倍。這有可能催生出總線供電的嶄新應用，也許利用單根USB線纜即可為臺式顯示器供電。更令人興奮的是，液晶面板技術的最新進展亦同時集中在如何大幅降低功率上面。高功效的LED背光、亮度增強膜以及場序制彩色(field sequential color)LCD技術等，都試圖把顯示器的功耗降低到可控水平，最終有望實現以單根USB纜線為顯示器供電的目標。這些技術的發展，將使USB顯示器成為與USB鼠標或閃存一樣普遍的應用。

與此同時，德州儀器亞洲區市場開發高性能模擬產品市場經理林士元強調，為了適應節能及待機功耗的新要求，USB3.0還引入了新的電源管理機制，支持待機、休眠和暫停等狀態。通過引入了能效更高的供電協議標準，放棄了設備輪詢模式，轉而采用中斷模式。通俗地說，在USB 2.0模式下，即使連接的USB處于非活動或待機狀態下，USB總線控制器仍然需要定期檢查該設備是否需要傳輸數據。而在USB 3.0模式下，設備待機時可完全切斷USB連接，需要恢復時會自行向控制器發送一個中斷信號，告知控制器開始數據傳輸，這就使得待機設備無需耗電。

市場前景

當年，USB2.0從推出到徹底占領市場僅用了4年的時間，可謂迅猛之極：現在USB3.0如果按照2009年開始進入市場算起，今年已經是第三個年頭了，雖然諸多問題限制其擴張的速度，但在2011年的前景依然光明。

經歷了2009年初入市場的試水之后，USB3.0在2010年開始快速增長，據統計，2010年USB3.0的芯片出貨量接近2009年的3倍。市場調查機構In-Stat去年底發布報告稱，USB3.0接口的普及因為缺乏芯片組的原生支持而沒能在2010年達到預期水平，但是前景依然是光明的，預計四年后就會達到現在的12倍。In-Stat提供的數據顯示。201 0年全球USB 3.0接口設備出貨量接近1400萬，低于業界預計，但是到2014年的時候將猛增超過17億，基本完成普及。In-Stat首席分析師Brian O'Rourke評論說：“2009年底USB 3.0設備開始小規模出貨，2010年在筆記本、臺式機、轉接卡、內置和外置硬盤、u盤等領域的出貨量明顯增長。總體來說，USB 3.0正在逐漸鋪開。大規模推廣仍然受制于PC芯片組的集成支持，否則PCOEM廠商就可以免費提供USB 3.0，從而刺激其在pc周邊、消費電子、移動設備中的普及。”在芯片出貨量方面，IDc則估計2011年USB3，0的芯片出貨量有機會一舉躍升至1億顆。此外，DigitimesResearch也預估，2009年到2015年usB 3.0出貨量的年復合成長率將達89％，201s年的出貨量則將挑戰23億顆，商機上千億元。

作為由英特爾，以及惠普

(HP)、NEC(現在的瑞薩)、NXP半導體以及德州儀器(Texas Instruments)等公司共同牽頭開發的標準，林士元坦言，相較于其他現有的高速串行接口技術，USB 3.0的傳輸速率高達5Gbps，可滿足現今最為流行的大量數據傳輸或高清圖像處理等應用。USB3.0是基于目前全世界接口普及(占有)率最高的USB而發展出來的，所以USB3.0在使用者的接受度上以及未來市場的普及率上，將會延續原來USB的基礎上，而會更加地成長。

測試難題

由于傳輸速度提升10倍，傳輸鏈路增加1倍，因此，USB3.0的測試難度可想而知，傳統的USB2.0的測試方案完全不能滿足需要。而對于USB3.0的商用進程而言，測試其可靠性是所有USB3.0開發廠商共同面臨的難題。

美國力科公司萬力勱介紹，在USB3.0的物理層測試中有以下難點需要全新的考量。

難點1：完成全部TX測試項目需要多種測試碼型，一些非USB3.0芯片開發人員很難讓PUT發出特定的兼容性測試碼型。

在USB3.0規范中定義了多種兼容性測試碼型(Compliance Pattern，簡稱CP)，表2所示包括了CP0，CP8九種測試碼型。在Tx測量中，需要用到CPO／CPl／CP7／CP8四種碼型：CPO用于眼圖與抖動、共模電壓測量：CPl用于SSC展頻測量、隨機抖動測量：CP7用于去加重測量：CP8用于差分電壓幅度測量。

對于板級研發的工程師，如果沒有Ic廠商提供的發包程序，很難讓PUT發出不同的測試碼型，而力科的USB3測試方案可以解決這個問題，如圖4所示，PUT連接了USB3夾具，TX輸出到示波器，RX與PeRT的信號輸出端相連。通常PUT在上電后會發送出CP0碼型，示波器通過USB電纜控制PERT，然后PeRT會發出1個Ping，LFPS命令給PUT，PUT接收到1個Ping，LFPS后，輸出的碼型切換為CPl，示波器捕獲到CPl碼型后，控制PERT又發送出1個Ping，LFPS，則PUT的輸出碼型切換為CP2，即PUT每收到1個Ping，LFPS就輸出下一個CP(CP8的下一個碼型為CP0)，通過用示波器控制PERT，PERT控制PUT發出不同的CP，即可完成所有TX測試項目。

難點2：在接收機測試時，PUT很難進入環回模式(L00pb ack模式)。

在接收機測試中，需要通過Polling.LFPSRx.EQ→TS1→TS2→Loopback這一過程才能進入環回模式來測量接收機性能。在這個過程中接收機測試儀器(比如BERT)需要不斷的和PUT進行“握手”(handshake)，在鏈路層與PUT通信，使其一步一步地進入Loopback模式，這對一些接收機測試儀器是非常困難的，比如x公司的接收機測試儀器是傳統BERT，不能與PUT進行“握手”，很難從Polling，LFPS逐步進入Loopback模式，而Y公司的接收機測試儀器為任意波形發生器，可以發送LFPS信令到PUT，但是無法從協議上識別PUTg向應的信令，于是，很難逐步從Polling，LFPS進入到Loopback模式。如果未進入Loopback模式，通常使用人員會在信號源上編輯腳本，不斷調整LFPS、Rx.EQ TSl、TS2之間的時間間隔，以期望調整后的信令能逐步使PUT進入環回模式，當測量新的USB3.0的Ic時，可能又要修改信號源輸出腳本。我們稱這種只發不收的方法為Blind handshake，即接收機測試儀盲目地發出信令與PUT“握手”，但是無法識別PuT響應的信令。

難點3：在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，這樣，BERT～Error Dector接收到的數據包括測試碼型和一些SKP，對比碼型發生器發送出的測試碼型。傳統的BERT會誤認為測量到了誤碼。

在usB 3.0中，鏈路兩端的產品的參考時鐘頻率可能是不一樣的，參考時鐘允許的精度為±300ppm，SSC展頻引入的頻率偏差為O～S000ppm，所以總的頻率偏差在一5300ppm-300ppm。為了補償頻率偏差，在usB3中的數據流中每354~symbol要插入兩個SKP(即K28，1碼)，接收端需要能識別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elasticity Buffer來實現的。于是，在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數據包括了測試碼型和一些SKP，然后對比碼型發生器發送出的測試碼型，傳統的BERT會誤認為測量到了誤碼。圖5為USB3.0的Elasticity Buffer處理SKP的示意圖。

寫在最后的疑云

即使市場如此前景光明，USB3.0依然存在一些不和諧的因素影響其發展。首要的一個問題是英特爾的態度，作為USB技術最早的主要發起者以及PC市場的領導者，英特爾的態度對USB3，0的推廣至關重要。英特爾對USB3，0的支持態度讓人琢磨不透，雖然市場已經迫切期盼USB3，0的高性能傳輸來滿足消費者的好奇心，但英特爾似乎喜歡和整個業界玩捉迷藏。先是英特爾宣布計劃延遲推出支持USB3.0的主板芯片組，推出時間計劃在2012年，隨后又露口風可能會在2011提前支持。如果沒有英特爾的支持，就需要在主板中另行安裝有支持USB3.0的專門芯片，這無形中增加了主板制造的成本，對USB3.0的普及來說相當不利。大多數人猜測英特爾的這個決定的幕后動機，USB 3，O規范早在2008年11月就發布了，而在IDF期間英特爾則展示了自己的Light Peak光接口技術，當USB的利潤被產業鏈各個廠商瓜分并且壓低到一個相當低的水平之后，分析人士猜測英特爾試圖利用自己的全新技術取代USB 3.0的地位。

另一個現實的問題是價格。目前一套完整的USB3.0設備的成本大概相當于USB2.0設備的5倍。另外，USB3.0設備根據不同應用對芯片有不同的需求，德州儀器林士元介紹，主要芯片產品需求包括：USB3，0收發器、USB3.0 SATA Bridge、USB3.04Port HUB、USB3.0 2／4Port HOST Controiler、USB 3.0再驅動器／均衡器等。特別是在主控芯片方面，2009年只有NEC一家獨大時的售價高達8美元，現在即使參與的廠商增多依然停留在3美元左右的水平。盡管USB3.0對于很多存儲和移動設備而言，是個相當不錯的賣點，但消費者和制造商依然非常注重成本與性能之間的平衡點，特別是在PC中對成本增加會相當敏感，這些都制約了USB3.0的普及。201 1年最大的疑問就是，USB3.0的芯片能否將成本降到1，5美元以下，這才是USB3.0普及的關鍵。當然，據預估，USB3.0要像USB2.0一樣，步入純以價格競爭的階段，至少要再過2至3年，現階段而言，功耗、兼容性與性能三者兼具是最高境界，誰能離這境界接近一些，誰就能在推廣時期搶得市場大餅。