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增强了通讯协议及电源管理,USB 3.0总线更上一层楼

号称为超高速通用串行总线的USB 3.0标准规定以来,即成为各方注目的焦点。USB 3.0最吸引人之处便是速度为USB 2.0的十倍以上,传输速率从480Mbit/s提升为5Gbit/s,但除此之外,USB 3.0还有许多其它优点。本文将探讨超高速USB通讯协议及电源管理相较于USB 2.0所新增与强化的功能。


图1 USB 3.0的A插孔(左)及插头(右)

您可能已经听过超高速通用串行总线(Superspeed USB),而且知道它是新一代的第三版通用串行总线(USB 3.0)。超高速USB最明显的差异是速度提高十倍以上,从USB 2.0的480Mbit/s提升到5Gbit/s。 

然而,USB 3.0除了速度提升外,当初USB 3.0推广小组(USB 3.0 Promoter Group)在制定标准时,同时也致力于改善总线的电源效率、尽可能维持向下兼容性,并改善提升数据传输效率。因此,相较于USB 2.0,USB 3.0可说是全面性地提升了USB接口的性能。 

数据传输耗电量更精简 

除速度提升外,USB 3.0最大的改进,在于电源效率的提升,可协助延长主机或周边装置等便携式装置的电池使用时间。此一新规格的开发有许多作法可减少全新USB装置的整体耗电量,其中包括取消装置轮询(Device Polling)、广播封包(Broadcasting Packets)等机制,并定义了新的中间闲置状态(Intermediate Idle States)。此外,由于数据传输速度提升十倍,因此单位数据传输所须消耗的电力也大幅降低。 

在USB 2.0中,主机端(Host)控制器会连续轮询树状结构中的各个装置,以检查这些装置是否要传送数据至主机系统。使用装置轮询意味着所有装置必须完全运作,并且能够持续传输数据。即便各个装置没有数据可传输时,仍须对主机系统的询问传输NAK(无数据)响应,此一过程会持续耗用电力,且会使得装置与主机端均无法进入休眠状态,以降低功耗。在绝大多数状况下,周边装置通常没有任何数据可传输,轮询机制只是平白浪费许多电力。因此在USB 3.0中,装置轮询这项机制已经被取消了。 

将封包传输方式从广播变更为导向(Directed),亦有助于降低USB 3.0的功耗。在USB 2.0中,每当主机端有数据须传送至装置端时,会将数据以广播的方式传送到各个连接埠;在树状结构中的各个集线器(Hub)也会在自身的各个下游连接埠重新广播封包。因此,总线上的各个装置必须处理数据,以判断装置是否为传输的预定目标。换言之,若主机要传输给树状结构中的某一周边装置,整个树状结构中其它装置都会收到同样的信息。这时其它非预定目标的装置必须判断是否要接收、处理这些信息,这些动作都会带来额外的功耗。 

因此,在USB 3.0中,规格制定小组将通讯协议的设计变更为仅将封包导向至预定目标,这只须要在主机端芯片设计作出部分变更即可实现。在USB 3.0中,主机必须明确知道各个装置在树状结构中的位置,包括下游的集线器连接埠。如果目标装置与主机之间透过多个集线器连接,则整个数据路径中会出现多个下游的集线器连接埠。这种设计可降低整体功耗,因为只有装置连接的特定下游主机及集线器连接端口必须传输数据,而且只有目标才须处理数据。 

第三个与减少耗电量有关的调整,则是新增两个中间闲置状态定义。在USB 2.0中,有ACTIVE及SUSPEND两种状态,在USB 3.0中,除了ACTIVE(U0)及SUSPEND(U3)之外,另有FAST EXIT IDLE(U1)及SLOW EXIT IDLE(U2)状态,可降低装置在不传输或接收数据时的耗电量。在FAST EXIT IDLE模式中,联机会处于闲置状态,但是装置本身的频率仍会持续运作;在SLOW EXIT IDLE中,连结及频率都会关闭,因而需要较长的时间重新进行连结,才能传输数据。至于ACTIVE与SUSPEND模式则完全相同。 

传输速度增加十倍也使得整体耗电量减少,但这非指5Gbit/s收发器传输数据所需的电量少于480Mbit/s收发器。5Gbit/s收发器所需的峰值电流确实是USB 2.0收发器的二至五倍,不过虽然收发器运作时短时间耗用的峰值电流较高,整体耗电量却可因而减少。USB 3.0收发器的实际运作时间减少约十倍,传输固定数量数据,例如将档案从个人计算机(PC)移至随身碟所需的整体功耗是USB 2.0的20~50%之间。 

综合上述设计变更与频宽提升所带来的效益,USB 3.0的耗电量大约是USB 2.0的三分之一或更少,因此导入USB 3.0,有助于延长笔记型计算机等行动运算装置的使用时间。 

连接器/讯号设计保障向下兼容性 

做为USB 2.0的后继者,USB 3.0除了提升性能、降低耗电量外,还必须尽力维持新旧接口间的兼容性。因为USB 2.0号称是PC史上最普及、最成功的接口,市场上已有数十亿个USB 2.0装置。USB 3.0不能让这些既有装置成为改朝换代下的牺牲者。 

然而,从工程的角度而言,要用USB 2.0的缆线与连接器稳定维持5Gbit/s的数据率,实为一大技术挑战。因此,经过审慎讨论后,规格制定小组决定USB 3.0必须使用不同于USB 2.0的导体,但为了顾及兼容性,与USB 2.0有关的讯号应保持不变。因此,最终标准制定小组取得妥协,除了原有USB 2.0的四个差动对外,USB 3.0将额外使用两组符合PCI Express电路规格的全双工差动式讯号,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,加上接地屏蔽后,USB 3.0除了2.0原有的四条缆线导体与四个连接点外,额外采用五条缆线导体,连接器上的接点也增加五个。因此,USB 3.0的缆线内含九条导体,连接器的接点也采用九点配置。 

那向下兼容的真正意义为何?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。 

USB规格有两种基本的连接器类型,A插孔是现今PC上常见的类型,A插孔接受A插头,鼠标与键盘的缆线以及随身碟连接器常采用A插头。B插头则用于周边装置,其中又分为标准、迷你(Mini-B)及微型(Micro-B)三种尺寸。 

向下兼容的关键是新型超高速USB A插孔必须能够接受新型(USB 3.0)与旧的(USB 2.0)A插头,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是USB 2.0规格,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五个新导体。如此即可达到与USB 2.0相同的机械接口,并提供完整的向下兼容性(图1)。 

以周边装置而言,只单方面考虑插孔或插头的的难度较高,因为必须考虑更多种连接器尺寸,如果同时考虑插孔与插头则较为简单。因为新型USB 3.0 B插头不必要求能够插入旧型USB 2.0 B插孔。如果装置是USB 3.0规格,则只需要新型B插头与缆线。如前所述,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已堪用,因为缆线的另一端能够插入于新机器中。新型B插孔(不论尺寸为何)必须能够接受旧型及新型B插头,才能达到向下兼容的效果,因此,不论尺寸如何变化,都必须在现有USB 2.0缆线可插入的范围内。 

以下将介绍三种与USB 2.0相容的B端连接器选项。最直接的是标准B型。这是打印机、扫描仪及其它大型周边装置常用的较大尺寸插孔。原先的设计是在B连接器的顶端加上凸块,以便于置入超高速讯号的新接点(以及导体)。图2显示标准B型插头及插孔的型制。此类型的插孔接受旧型USB 2.0插头或新型USB 3.0插头。 

图2超高速USB B端插头(左)及插孔(右)

针对Mini-B连接器,USB 3.0推广小组决定不升级Mini-B连接器类型,其中有很多原因,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。至于Micro-B型连接器,由于已被全球许多机构规定为手机电池充电的标准接口,以降低充电器浪费丢弃的问题,且现有Micro-B型插孔没有足够的空间可加入五个新导体,因此USB 3.0规格定义人员必须绞尽脑汁,在完全不变更USB 2.0 Micro-B插孔、插头的前提下,设计出支持USB 3.0的Micro-B插孔与插头。 

最后规格制定小组决定采用如图3的设计。与机械向下兼容性一样,采用这种左右并列的设计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。 


 

图3 USB 3.0 Micro-B端插孔(左)及插头(右)

导入双工架构总线使用效率大跃进 

如何更有效率地使用总线资源,也是USB 3.0标准开发时的一大重点。前文所提及的取消轮询机制,也可提升总线的使用效率。然而,USB 3.0所实行的全双工架构能够允许同时双向数据流,实为允许标准制定人员取消轮询机制的关键所系。如前所述,装置端的主机轮询显然既耗用总线的资源,又浪费电力,但取消轮询机制后,主机端与装置端仍必须仰赖一套新的互动机制,才能完成数据传递。 

笔者在此举一个例子来说明,如果把教室当作整个USB系统,主机控制器是老师,而学生则是装置。在USB 2.0的架构下,老师会在教室内走动,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,直到询问完每位学生是否有问题为止,然后又从头开始询问学生。 

但在USB 3.0的架构下,情况就大幅改观。因为学生只在有问题时举手,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。周边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)传送给周边装置。 

表面上看来,USB 3.0的设计显然合理又有效率多了,但在只有一组差动对可进行数据传输的USB 2.0中,采用USB 3.0的设计基本上是不可行的。因为USB 2.0只有一组差动对,因此只能算是半双工总线架构,在此一情况下,每次数据流向改变时,总线必须随之转向。这表示当联机中一端的接收器关闭时,发射器必须随之关闭。当运作完成后,再进行反向,此时第一个装置中的接收器开启,而后第二个装置中发射器开始发送数据。此一程序使得总线的停机时间增加,而造成效率降低。若此时有另一个传输需求出现,更有可能出现错误。 

第二个问题是,在半双工架构下,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,发射器在收到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(从主机到周边装置)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,而发射器收到接收器发出的确认前,也能够进行另一次传输。如此的变化使得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讯息中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送出处理成功的ACK讯号之前,能够一次处理的资料量,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周边装置(或周边装置将数据传送给主机)时,便会从周边装置的账户中扣除一个点数。原始收发器收到ACK讯号时,会将一个点数重新发送至该周边装置的账户。图5显示USB 3.0 OUT传输运作的方式。 

图5 USB 3.0 OUT传输

前瞻未来5年需求 USB 3.0消除传输瓶颈 

在任何数据传输环境中,总是会遭遇瓶颈,讯号链中的某个位置会限制整个传输的效能。虽然USB 2.0高速已经可以满足某些应用所需,但是USB 2.0在过去几年也成为许多PC为主应用的瓶颈。事实上,这也成为了开发数据传输新规格的重点:消除目前的瓶颈! 

不论是外接式旋转媒体,如硬盘机、光驱、固态硬盘或随处可见的随身碟,储存媒体已经能够以高于USB 2.0规格的速度传输数据。 

是否有许多储存媒体能以接近5Gbit/s的速度读写数据?目前还不多,不过,重点在于其它方面出现相同的瓶颈。未来超高速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机之外,超高速USB应该在未来5年仍有能力进行高速读写。 

概括来说,USB 3.0推广小组在开发规格时,总是以这四个关键价值为前提:降低传输数据所需的功耗、维持向下兼容性、提升频宽利用效率,以及将原生位速率提高十倍以上。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续航力,USB 3.0在上述四个层面上均作出改进,且能够在未来5年维持与闪存相关产品相同的表现水平。 

 

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