USB3.0:點燃2011消費電子新熱情

USB演進(jìn)

通用串行總線(USB，UniversalSerial BUS)技術(shù)問世以來，在USB設(shè)計論壇(USB-IF)及相關(guān)廠商的大力推動下，已經(jīng)成為名副其實應(yīng)用最廣泛的外部數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，并且逐漸擴(kuò)展到PC以外的諸多應(yīng)用。全球有超過100{L臺的計算機(jī)外設(shè)和消費電子產(chǎn)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(shù)。更令人驚嘆的是，據(jù)估計，USB生態(tài)系統(tǒng)仍以每年30億臺的速度持續(xù)擴(kuò)展，幾乎已將“即插即用”的簡易性帶到每一臺電子設(shè)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(chuàng)造一個無縫的、無所不在的連接世界。

隨著用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率需求不斷提升，USB2，0S經(jīng)無法滿足多媒體應(yīng)用對傳輸?shù)男枰?，USB-IF～2008年11月推出全新超高速USB(superSpeedUSB)標(biāo)準(zhǔn)，即USB3.0，旨在滿足富媒體和大型數(shù)字文件傳輸帶寬的要求。USB 3.0規(guī)定的5Gb／s數(shù)據(jù)率和200Mb／s的數(shù)據(jù)吞吐率是USB 2.0的10倍。USB系統(tǒng)的演進(jìn)如圖1所示，USB3.0可以兼容原有各種USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)率，但實際數(shù)據(jù)吞吐率往往受I／O性能限制而超不過35MB／s。當(dāng)下載較大文件時，較高的吞吐率能節(jié)省可觀的傳輸時間。USB3.0可提供高達(dá)5Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸率和200MB／s以上的數(shù)據(jù)吞吐率，實際中的表現(xiàn)區(qū)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(yīng)數(shù)據(jù)輸入輸出，另外兩條分別是供電和地線。USB 3.0在此基礎(chǔ)上增加了5個觸點，其中有四條線，兩條為數(shù)據(jù)輸出，兩條數(shù)據(jù)輸入，并且這四條線路可以實現(xiàn)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(tǒng)總共就有8條線，4條遵從USB 2.0規(guī)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(fā)送，另一對線接收。解決了USB 2.0的輸入輸出線路無法實現(xiàn)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(yè)部門營銷總監(jiān)Mark Fu特別介紹道，USB 3.0在物理層、鏈接層以及協(xié)議層提供其它的優(yōu)點，這使它成為顯示應(yīng)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(jī)端流向SuperSpeedUSB顯示器的大量顯示數(shù)據(jù)不會影響反方向數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

在鏈接層，USB 3.0使用先進(jìn)編碼技術(shù)以達(dá)到10的誤碼率，因此可做為穩(wěn)健且可靠的視頻傳輸總線。擴(kuò)展到四個鏈接功耗狀態(tài)的電源管理提供了實現(xiàn)高效單位數(shù)據(jù)功耗的良好基礎(chǔ)。事實上，每個設(shè)備都能驅(qū)動自己的鏈接狀態(tài)，以達(dá)到所需的功率特性。當(dāng)某特定設(shè)備沒有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，此設(shè)備可將其鏈接設(shè)定在低功耗狀態(tài)，不會對其他設(shè)備造成影響。除了鏈接層，USB 3.0還進(jìn)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(xié)議層、主機(jī)端、集線器和設(shè)備端等所有層級中，都采取了省電技術(shù)，以提高整個系統(tǒng)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(dá)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(yīng)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(shù)的最新進(jìn)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(qiáng)膜以及場序制彩色(field sequential color)LCD技術(shù)等，都試圖把顯示器的功耗降低到可控水平，最終有望實現(xiàn)以單根USB纜線為顯示器供電的目標(biāo)。這些技術(shù)的發(fā)展，將使USB顯示器成為與USB鼠標(biāo)或閃存一樣普遍的應(yīng)用。

與此同時，德州儀器亞洲區(qū)市場開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品市場經(jīng)理林士元強(qiáng)調(diào)，為了適應(yīng)節(jié)能及待機(jī)功耗的新要求，USB3.0還引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)。通過引入了能效更高的供電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，放棄了設(shè)備輪詢模式，轉(zhuǎn)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(jī)狀態(tài)下，USB總線控制器仍然需要定期檢查該設(shè)備是否需要傳輸數(shù)據(jù)。而在USB 3.0模式下，設(shè)備待機(jī)時可完全切斷USB連接，需要恢復(fù)時會自行向控制器發(fā)送一個中斷信號，告知控制器開始數(shù)據(jù)傳輸，這就使得待機(jī)設(shè)備無需耗電。

市場前景

當(dāng)年，USB2.0從推出到徹底占領(lǐng)市場僅用了4年的時間，可謂迅猛之極：現(xiàn)在USB3.0如果按照2009年開始進(jìn)入市場算起，今年已經(jīng)是第三個年頭了，雖然諸多問題限制其擴(kuò)張的速度，但在2011年的前景依然光明。

經(jīng)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(jù)統(tǒng)計，2010年USB3.0的芯片出貨量接近2009年的3倍。市場調(diào)查機(jī)構(gòu)In-Stat去年底發(fā)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(dá)到預(yù)期水平，但是前景依然是光明的，預(yù)計四年后就會達(dá)到現(xiàn)在的12倍。In-Stat提供的數(shù)據(jù)顯示。201 0年全球USB 3.0接口設(shè)備出貨量接近1400萬，低于業(yè)界預(yù)計，但是到2014年的時候?qū)⒚驮龀^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(shè)備開始小規(guī)模出貨，2010年在筆記本、臺式機(jī)、轉(zhuǎn)接卡、內(nèi)置和外置硬盤、u盤等領(lǐng)域的出貨量明顯增長。總體來說，USB 3.0正在逐漸鋪開。大規(guī)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(shè)備中的普及?！痹谛酒鲐浟糠矫?，IDc則估計2011年USB3，0的芯片出貨量有機(jī)會一舉躍升至1億顆。此外，DigitimesResearch也預(yù)估，2009年到2015年usB 3.0出貨量的年復(fù)合成長率將達(dá)89％，201s年的出貨量則將挑戰(zhàn)23億顆，商機(jī)上千億元。

作為由英特爾，以及惠普

(HP)、NEC(現(xiàn)在的瑞薩)、NXP半導(dǎo)體以及德州儀器(Texas Instruments)等公司共同牽頭開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，林士元坦言，相較于其他現(xiàn)有的高速串行接口技術(shù)，USB 3.0的傳輸速率高達(dá)5Gbps，可滿足現(xiàn)今最為流行的大量數(shù)據(jù)傳輸或高清圖像處理等應(yīng)用。USB3.0是基于目前全世界接口普及(占有)率最高的USB而發(fā)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(xù)原來USB的基礎(chǔ)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(tǒng)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(jìn)程而言，測試其可靠性是所有USB3.0開發(fā)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(fā)人員很難讓PUT發(fā)出特定的兼容性測試碼型。

在USB3.0規(guī)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(jī)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(fā)的工程師，如果沒有Ic廠商提供的發(fā)包程序，很難讓PUT發(fā)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(fā)送出CP0碼型，示波器通過USB電纜控制PERT，然后PeRT會發(fā)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(fā)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(fā)出不同的CP，即可完成所有TX測試項目。

難點2：在接收機(jī)測試時，PUT很難進(jìn)入環(huán)回模式(L00pb ack模式)。

在接收機(jī)測試中，需要通過Polling.LFPSRx.EQ→TS1→TS2→Loopback這一過程才能進(jìn)入環(huán)回模式來測量接收機(jī)性能。在這個過程中接收機(jī)測試儀器(比如BERT)需要不斷的和PUT進(jìn)行“握手”(handshake)，在鏈路層與PUT通信，使其一步一步地進(jìn)入Loopback模式，這對一些接收機(jī)測試儀器是非常困難的，比如x公司的接收機(jī)測試儀器是傳統(tǒng)BERT，不能與PUT進(jìn)行“握手”，很難從Polling，LFPS逐步進(jìn)入Loopback模式，而Y公司的接收機(jī)測試儀器為任意波形發(fā)生器，可以發(fā)送LFPS信令到PUT，但是無法從協(xié)議上識別PUTg向應(yīng)的信令，于是，很難逐步從Polling，LFPS進(jìn)入到Loopback模式。如果未進(jìn)入Loopback模式，通常使用人員會在信號源上編輯腳本，不斷調(diào)整LFPS、Rx.EQ TSl、TS2之間的時間間隔，以期望調(diào)整后的信令能逐步使PUT進(jìn)入環(huán)回模式，當(dāng)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(fā)不收的方法為Blind handshake，即接收機(jī)測試儀盲目地發(fā)出信令與PUT“握手”，但是無法識別PuT響應(yīng)的信令。

難點3：在接收機(jī)測試時，PUT發(fā)送出的碼流會加入一些SKP，這樣，BERT～Error Dector接收到的數(shù)據(jù)包括測試碼型和一些SKP，對比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測試碼型。傳統(tǒng)的BERT會誤認(rèn)為測量到了誤碼。

在usB 3.0中，鏈路兩端的產(chǎn)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(bǔ)償頻率偏差，在usB3中的數(shù)據(jù)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(xiàn)的。于是，在接收機(jī)測試時，PUT發(fā)送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數(shù)據(jù)包括了測試碼型和一些SKP，然后對比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測試碼型，傳統(tǒng)的BERT會誤認(rèn)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(fā)展。首要的一個問題是英特爾的態(tài)度，作為USB技術(shù)最早的主要發(fā)起者以及PC市場的領(lǐng)導(dǎo)者，英特爾的態(tài)度對USB3，0的推廣至關(guān)重要。英特爾對USB3，0的支持態(tài)度讓人琢磨不透，雖然市場已經(jīng)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(yè)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(fēng)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(dāng)不利。大多數(shù)人猜測英特爾的這個決定的幕后動機(jī)，USB 3，O規(guī)范早在2008年11月就發(fā)布了，而在IDF期間英特爾則展示了自己的Light Peak光接口技術(shù)，當(dāng)USB的利潤被產(chǎn)業(yè)鏈各個廠商瓜分并且壓低到一個相當(dāng)?shù)偷乃街螅治鋈耸坎聹y英特爾試圖利用自己的全新技術(shù)取代USB 3.0的地位。

另一個現(xiàn)實的問題是價格。目前一套完整的USB3.0設(shè)備的成本大概相當(dāng)于USB2.0設(shè)備的5倍。另外，USB3.0設(shè)備根據(jù)不同應(yīng)用對芯片有不同的需求，德州儀器林士元介紹，主要芯片產(chǎn)品需求包括：USB3，0收發(fā)器、USB3.0 SATA Bridge、USB3.04Port HUB、USB3.0 2／4Port HOST Controiler、USB 3.0再驅(qū)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(dá)8美元，現(xiàn)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(shè)備而言，是個相當(dāng)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(dāng)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(guān)鍵。當(dāng)然，據(jù)預(yù)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(xiàn)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。