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USB 3.0:不只是速度提升
录入时间:2011-3-2 16:10:21

您可能已经听过超高速 USB,而且知道它是新一代的通用串行总线 (USB)。如果还不了解,建议您观看一部短片,其中介绍该规格的基本知识,以及与高速 USB (亦即 USB 2.0) 的比较。超高速 USB 最明显的差异是速度提高 10 倍以上,从 USB 2.0 的 480Mbps 提升到 5Gbps。USB 3.0 推广联盟致力于针对其他三个主要部份提供客户价值,在速度提升之后,便着手改善总线的电源效率,接着是维持向下兼容性,而第四个关键价值是提升数据传输效率。

使用较少的电源移动相同数量的数据

 开发的第一个关键部份是提升电源效率,这有助于延长主机或外围装置等便携设备的电池使用时间。此一新规格的开发有许多层面可减少全新 USB 装置的整体耗电量,其中包括:

  • 免除装置轮询
  • 免除广播封包
  • 中间低功耗状态
  • 数据传输速度提升 10 倍以上

 下一个变化是将封包传输从广播变更为导向。USB 2.0 主机有数据可传送至装置时,会在各个端口广播数据,树状结构中的各个集线器也会在自身的各个下游端口重新广播封包。最后,总线上的各个装置必须处理数据 (耗用电力),以判断装置是否为传输的预定目标。在超高速 USB 中,通讯协议已变更为仅将封包导向至预定目标,这只需要主机加入智能功能即可。主机必须明确知道各个装置在树状结构中的位置,包括下游的集线器端口 (如果装置与主机之间有多个集线器,则会有多个下游的集线器端口),该做法可降低整体功耗,因为只有装置连接的特定下游主机及集线器端口必须传输数据,而且只有目标才需要处理数据。

 第三个与减少耗电量有关的变化是定义两个中间闲置状态。在USB 2.0 中,有 ACTIVE 及 SUSPEND 两种状态,在超高速 USB 中, ACTIVE (U0) 及 SUSPEND (U3) 之外,另有 FAST EXIT IDLE (U1) 及 SLOW EXIT IDLE (U2),这使得装置在不传输或接收数据时降低耗电量。在 FAST EXIT IDLE 模式中,链接会闲置,但是装置的频率会持续运作。在 SLOW EXIT IDLE 中,链接及频率都会关闭,这需要较长的时间重新进行链接,才能传输数据。USB 2.0 及 USB 3.0 的 ACTIVE 与 SUSPEND 模式均完全相同。

 速度增加 10 倍也使得整体耗电量减少,不过,这不是指 5 Gbps 收发器传输数据所需的电量少于 480 Mbps 收发器。5 Gbps 收发器所需的峰值电流确实是 USB 2.0 收发器的 2 至 5 倍,不过,虽然收发器运作时短时间耗用的峰值电流较高,整体耗电量呈现减少的趋势。收发器的实际运作时间减少约 10 倍,传输固定数量数据 (例如,将档案从 个人电脑移至优盘) 所需的整体功耗是透过 USB 2.0 传输相同数量数据所需整体功耗的 20% (2 倍峰值及 1/10 时间) 至 50% (5 倍峰值及 1/10 时间)。

 超高速 USB 结合总线使用效率 (没有广播封包,并免除轮询)、强化的 IDLE 电源状态及较低的平均传输功耗等优点,耗电量大约是 USB 2.0 的 1/3 或更少。

 向下兼容的真正意义是什么?

 下一个开发重点是透过 In-Stat 的 Brian O'Rourke 所谓「长久以来最成功的 PC 接口」维持向下兼容性2,在开发期间,发现现有缆线集连接器解决方案都不足以稳定传输 5 Gbps 的数据,因此,开发人员决定超高速 USB 必须透过不同于 USB 2.0 的导体进行信号处理,因此选择使用符合 PCI Express 电路规格的全双工差动式讯号处理方法,同时决定不对现有 USB 2.0 信号处理进行任何变更。除了现有 USB 2.0 差动对以及VBUS GND 之外,至少需要两组新的差动对。加入两组新超高速差动对的接地屏蔽之后,缆线的导体有 9 个,连接器的接点有 9 个。

 那么,向下兼容的真正意义是什么?从使用者的角度而言,这表示所有与既有规格兼容的现有产品能够与所有支持新规格的新产品联机运作,现有缆线 (亦即插头) 必须能够插入新插孔,而另一方面,新缆线也必须能够插入旧插孔。

 显然,支持新型超高速 USB 规格及数据传输的任何缆线及插头会在缆线部份有新导体,并且在插头部份有新接点。另外,任何新插孔也必须有新接点,才能接受必要的新联机。

USB 规格有两种基本的连接器类型,A 插孔是现今 个人电脑上常见的类型,A 插孔接受 A 插头,鼠标与键盘的撷取缆线以及优盘连接器常用这类插头。B 插头用于外围装置,其中分为标准、迷你及微型三种尺寸。  

 后向的关键是新型超高速 USB A 插孔必须能够接受新型 (USB 3.0) 与旧型(USB 2.0) A 插头,而且旧型 USB 2.0 A 插孔必须能够接受新型 USB 3.0 A 插头。显然,如果插头或插孔都只能兼容 USB 2.0 ,数据传输最高只能够达到 USB 2.0 的速度。解决方案是在现有插头和插孔的插入端加入 5 个新导体。如此即可达到与 USB 2.0 相同的机械接口,并提供完整的后向兼容性 (见图 1)。

 图 1:超高速 USB A 端插孔及插孔。

 就外围装置而言,个别单方面考虑的难度较高,因为必须考虑更多种连接器尺寸,如果同时考虑较为简单。

 为何较为简单?因为新型 USB 3.0 B 插头不需要插入旧型 USB 2.0 B 插孔。如果装置是 USB 3.0 规格,则只需要新型 B 插头 (以及缆线)。如果装置只有 USB 2.0 规格的功能,则现有 USB 2.0 缆线两端的旧型插头便足够使用,因为缆线的另一端能够插入于新机器中,如前段所述。新型 B 插孔 (不论尺寸) 必须能够接受旧型及新型 B 插头,才能达到后向兼容的效果,因此,不论尺寸如何变化,都不能妨碍现有 USB 2.0 缆线。

 

图 2:超高速 USB B 端插头及插孔。

 推广联盟决定不升级 Mini-B 连接器类型,其中的原因有很多,但最重要的原因是由于全球各地正在进行的立法规范问题。全球许多机构都规定 USB 插头必须是手机电池充电的标准接口,原先的考虑是每换一部新手机,就需要不同连接器的新充电器,这会造成浪费丢弃的问题,而采用标准接口有助于减轻这类问题的严重性。Micro-B 插孔获选成为此标准接口,所有日后出厂的手机将采用此接口,其他许多小型便携式消费性产品则早已采用 USB 接口进行电池充电。加入 USB设计学会以及加入关注电池充电问题的装置工作团队,可了解进一步的信息。3现有 Micro-B 型插孔 (图 3) 没有足够的空间可加入 5 个新导体,因此需要进行大幅变更,工作团队提出可接受 USB 2.0 Micro B 插头或新型超高速 Micro B 插头的并行解决方案。

 

图 3:超高速 USB micro B 端插孔及插头。

 与机械后向兼容性一样,这样做可保留大量的装置驱动基础架构,这可保留相同的数据传输类型、中断、批量和等时储存装置。最后,这个标准保留了现有 USB 的使用便利性。如此一来,所有现有 USB 2.0 装置将能够在新型超高速 USB 机器上如预期持续运作。

 减少耗费的位

 第四个关键价值是提升整体总线使用效率。前文已解说此方面的第一个层面,也就是免除轮询。除此之外,超高速 USB 的全双工架构能够允许同时双向数据流,这是半双工 USB 2.0 架构所不及之处。

 装置的主机轮询显然耗用总线的资源,但是,问题在于免除轮询的真正意义。想起过去我母亲在学校当老师教书许多年的情景,我用教室来比喻其中的意义。如果教室是 USB 2.0 系统,老师在教室内走动,询问每个学生是否有问题。学生有问题时,老师会进行解答。老师接着继续在教室内走动,直到询问每位学生是否有问题为止,然后又从头开始询问学生。如果教室是超高速 USB 系统,学生只要在有问题时举手,老师在确认之后就会进行解答。这是 IN 数据传输的异步通知方法。外围装置有数据需要传送给主机时,会将 ERDY (端点就绪) 传送给主机,然后,主机在准备处理传输时,会将 ACK (确认) 传送给外围装置。

 在 USB 2.0 中,只有一组差动对可进行数据传输的半双工总线会造成两个总线效率方面的问题。第一个问题是,每次数据流向改变时,总线必须随之转向。这表示,当收发器联机其中一端的接收器关闭时,收发器必须将联机的另一端关闭。一旦完毕之后,便会进行反向,此时接收器会在第一个装置中开启,而收发器会在第二个装置中开启。如此的程序使得总线的停机时间增加,而造成效率降低。第二个问题是,任何指定的传输都必须先完成,下一个传输才能开始进行。这表示,接收器必须确认接收到数据,收发器在收到 ACK 之后,才会透过总线进行下一个数据传输。图 4 显示 USB 2.0 的高层级 OUT (从主机到外围装置) 传输。

图 4:USB 2.0 OUT 传输

 在超高速环境中,每个装置都有两组差动对,一组用于传输,一组用于接收,因此不会出现总线转向失效时间,而收发器收到接收器发出的确认前,也能够进行另一次负载的传输。这种变化变化使收发器及接收器必须具备智能功能,以防范错误发生。如果收发器收到的确认表示接收的数据有误,则必须重新传输先前的数据。通讯协议会使用点数来判断收发器处理成功的 ACK 之前能够一次处理的数据量,直到无法再传输/接收新数据为止。事实上,每次主机将数据传送给外围装置 (或外围装置将数据传送给主机) 时,便会从外围装置的帐户中扣除一个点数。原始收发器成功处理 ACK 时,会将一个点数重新发送至该外围装置的帐户。图 5 显示超高速 USB OUT 传输运作的方式。

 

图 5:超高速 USB OUT 传输。

 一切都是为了提升速度

 在任何数据传输环境中,总是会遭遇瓶颈,信号链中的某个位置会限制整个传输的性能。虽然USB 2.0高速 (甚至 USB 全速 12Mbps 和 USB 低速 1.5Mbps) 已经可以满足某些应用所需,但是 USB 2.0 在过去几年成为许多个人电脑 为主应用的瓶颈。事实上,整个重点在于开发数据传输的新规格:消除目前的瓶颈!

 不论是外接式旋转媒体 (也就是硬盘驱动器、CD 光驱、DVD 光驱)、固态磁盘驱动器或随处可见的优盘,储存媒体已经能够以高于 USB 2.0 规格的速度传输数据。

 是否有许多媒体能够以接近 5 Gbps 的速度读写数据?目前还没有很多,不过,重点在于其他方面出现相同的瓶颈。超高速 USB 是否会成为瓶颈?有一天可能会,不过,除了某些极佳的硬盘驱动器之外,超高速 USB 应该在未来五年仍有能力进行高速读写。

 概括来说,USB 3.0 在开发规格时,总是以这四个关键价值为前提:降低传输数据所需的功耗、维持后向兼容性、提升带宽利用效率,以及将原生比特率提高 10 倍以上。对于消费者需要的实时同步功能,以及处理大量内容的消费性产品所需的电池寿命,这些价值均有所帮助,而且能够在未来五年维持与闪存产品相同的表现水平。


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