號稱為超高速通用串行總線的USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以來，即成為各方注目的焦點。USB 3.0最吸引人之處便是速度為USB 2.0的十倍以上，傳輸速率從480Mbit/s提升為5Gbit/s，但除此之外，USB 3.0還有許多其它優(yōu)點。本文將探討超高速USB通訊協(xié)議及電源管理相較于USB 2.0所新增與強化的功能。
圖1 USB 3.0的A插孔(左)及插頭(右)
您可能已經(jīng)聽過超高速通用串行總線(Superspeed USB)，而且知道它是新一代的第三版通用串行總線(USB 3.0)。超高速USB最明顯的差異是速度提高十倍以上，從USB 2.0的480Mbit/s提升到5Gbit/s。
然而，USB 3.0除了速度提升外，當(dāng)初USB 3.0推廣小組(USB 3.0 Promoter Group)在制定標(biāo)準(zhǔn)時，同時也致力于改善總線的電源效率、盡可能維持向下兼容性，并改善提升數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，相較于USB 2.0，USB 3.0可說是全面性地提升了USB接口的性能。
數(shù)據(jù)傳輸耗電量更精簡
除速度提升外，USB 3.0最大的改進，在于電源效率的提升，可協(xié)助延長主機或周邊裝置等便攜式裝置的電池使用時間。此一新規(guī)格的開發(fā)有許多作法可減少全新USB裝置的整體耗電量，其中包括取消裝置輪詢(Device Polling)、廣播封包(Broadcasting Packets)等機制，并定義了新的中間閑置狀態(tài)(Intermediate Idle States)。此外，由于數(shù)據(jù)傳輸速度提升十倍，因此單位數(shù)據(jù)傳輸所須消耗的電力也大幅降低。
在USB 2.0中，主機端(Host)控制器會連續(xù)輪詢樹狀結(jié)構(gòu)中的各個裝置，以檢查這些裝置是否要傳送數(shù)據(jù)至主機系統(tǒng)。使用裝置輪詢意味著所有裝置必須完全運作，并且能夠持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。即便各個裝置沒有數(shù)據(jù)可傳輸時，仍須對主機系統(tǒng)的詢問傳輸NAK(無數(shù)據(jù))響應(yīng)，此一過程會持續(xù)耗用電力，且會使得裝置與主機端均無法進入休眠狀態(tài)，以降低功耗。在絕大多數(shù)狀況下，周邊裝置通常沒有任何數(shù)據(jù)可傳輸，輪詢機制只是平白浪費許多電力。因此在USB 3.0中，裝置輪詢這項機制已經(jīng)被取消了。
將封包傳輸方式從廣播變更為導(dǎo)向(Directed)，亦有助于降低USB 3.0的功耗。在USB 2.0中，每當(dāng)主機端有數(shù)據(jù)須傳送至裝置端時，會將數(shù)據(jù)以廣播的方式傳送到各個連接埠；在樹狀結(jié)構(gòu)中的各個集線器(Hub)也會在自身的各個下游連接埠重新廣播封包。因此，總線上的各個裝置必須處理數(shù)據(jù)，以判斷裝置是否為傳輸?shù)念A(yù)定目標(biāo)。換言之，若主機要傳輸給樹狀結(jié)構(gòu)中的某一周邊裝置，整個樹狀結(jié)構(gòu)中其它裝置都會收到同樣的信息。這時其它非預(yù)定目標(biāo)的裝置必須判斷是否要接收、處理這些信息，這些動作都會帶來額外的功耗。
因此，在USB 3.0中，規(guī)格制定小組將通訊協(xié)議的設(shè)計變更為僅將封包導(dǎo)向至預(yù)定目標(biāo)，這只須要在主機端芯片設(shè)計作出部分變更即可實現(xiàn)。在USB 3.0中，主機必須明確知道各個裝置在樹狀結(jié)構(gòu)中的位置，包括下游的集線器連接埠。如果目標(biāo)裝置與主機之間透過多個集線器連接，則整個數(shù)據(jù)路徑中會出現(xiàn)多個下游的集線器連接埠。這種設(shè)計可降低整體功耗，因為只有裝置連接的特定下游主機及集線器連接端口必須傳輸數(shù)據(jù)，而且只有目標(biāo)才須處理數(shù)據(jù)。
第三個與減少耗電量有關(guān)的調(diào)整，則是新增兩個中間閑置狀態(tài)定義。在USB 2.0中，有ACTIVE及SUSPEND兩種狀態(tài)，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)狀態(tài)，可降低裝置在不傳輸或接收數(shù)據(jù)時的耗電量。在FAST EXIT IDLE模式中，聯(lián)機會處于閑置狀態(tài)，但是裝置本身的頻率仍會持續(xù)運作；在SLOW EXIT IDLE中，連結(jié)及頻率都會關(guān)閉，因而需要較長的時間重新進行連結(jié)，才能傳輸數(shù)據(jù)。至于ACTIVE與SUSPEND模式則完全相同。
傳輸速度增加十倍也使得整體耗電量減少，但這非指5Gbit/s收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)所需的電量少于480Mbit/s收發(fā)器。5Gbit/s收發(fā)器所需的峰值電流確實是USB 2.0收發(fā)器的二至五倍，不過雖然收發(fā)器運作時短時間耗用的峰值電流較高，整體耗電量卻可因而減少。USB 3.0收發(fā)器的實際運作時間減少約十倍，傳輸固定數(shù)量數(shù)據(jù)，例如將檔案從個人計算機(PC)移至隨身碟所需的整體功耗是USB 2.0的20～50%之間。
綜合上述設(shè)計變更與頻寬提升所帶來的效益，USB 3.0的耗電量大約是USB 2.0的三分之一或更少，因此導(dǎo)入USB 3.0，有助于延長筆記型計算機等行動運算裝置的使用時間。
連接器/訊號設(shè)計保障向下兼容性
做為USB 2.0的后繼者，USB 3.0除了提升性能、降低耗電量外，還必須盡力維持新舊接口間的兼容性。因為USB 2.0號稱是PC史上最普及、最成功的接口，市場上已有數(shù)十億個USB 2.0裝置。USB 3.0不能讓這些既有裝置成為改朝換代下的犧牲者。
然而，從工程的角度而言，要用USB 2.0的纜線與連接器穩(wěn)定維持5Gbit/s的數(shù)據(jù)率，實為一大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)過審慎討論后，規(guī)格制定小組決定USB 3.0必須使用不同于USB 2.0的導(dǎo)體，但為了顧及兼容性，與USB 2.0有關(guān)的訊號應(yīng)保持不變。因此，最終標(biāo)準(zhǔn)制定小組取得妥協(xié)，除了原有USB 2.0的四個差動對外，USB 3.0將額外使用兩組符合PCI Express電路規(guī)格的全雙工差動式訊號，選擇使用符合PCI Express電路規(guī)格的全雙工差動式訊號處理方法，加上接地屏蔽后，USB 3.0除了2.0原有的四條纜線導(dǎo)體與四個連接點外，額外采用五條纜線導(dǎo)體，連接器上的接點也增加五個。因此，USB 3.0的纜線內(nèi)含九條導(dǎo)體，連接器的接點也采用九點配置。
那向下兼容的真正意義為何？從使用者的角度而言，這表示所有與既有規(guī)格兼容的現(xiàn)有產(chǎn)品能夠與所有支持新規(guī)格的新產(chǎn)品聯(lián)機運作，現(xiàn)有纜線(亦即插頭)必須能夠插入新插孔，而另一方面，新纜線也必須能夠插入舊插孔。
USB規(guī)格有兩種基本的連接器類型，A插孔是現(xiàn)今PC上常見的類型，A插孔接受A插頭，鼠標(biāo)與鍵盤的纜線以及隨身碟連接器常采用A插頭。B插頭則用于周邊裝置，其中又分為標(biāo)準(zhǔn)、迷你(Mini-B)及微型(Micro-B)三種尺寸。
向下兼容的關(guān)鍵是新型超高速USB A插孔必須能夠接受新型(USB 3.0)與舊的(USB 2.0)A插頭，且舊型USB 2.0 A插孔必須能夠接受新型USB 3.0 A插頭。顯然，如果插頭或插孔都只是USB 2.0規(guī)格，數(shù)據(jù)傳輸最高只能夠達到USB 2.0的速度。解決方案是在現(xiàn)有插頭和插孔的插入端加入五個新導(dǎo)體。如此即可達到與USB 2.0相同的機械接口，并提供完整的向下兼容性(圖1)。
以周邊裝置而言，只單方面考慮插孔或插頭的的難度較高，因為必須考慮更多種連接器尺寸，如果同時考慮插孔與插頭則較為簡單。因為新型USB 3.0 B插頭不必要求能夠插入舊型USB 2.0 B插孔。如果裝置是USB 3.0規(guī)格，則只需要新型B插頭與纜線。如前所述，如果裝置只有USB 2.0規(guī)格的功能，則現(xiàn)有USB 2.0纜線兩端的舊型插頭已堪用，因為纜線的另一端能夠插入于新機器中。新型B插孔(不論尺寸為何)必須能夠接受舊型及新型B插頭，才能達到向下兼容的效果，因此，不論尺寸如何變化，都必須在現(xiàn)有USB 2.0纜線可插入的范圍內(nèi)。
以下將介紹三種與USB 2.0相容的B端連接器選項。最直接的是標(biāo)準(zhǔn)B型。這是打印機、掃描儀及其它大型周邊裝置常用的較大尺寸插孔。原先的設(shè)計是在B連接器的頂端加上凸塊，以便于置入超高速訊號的新接點(以及導(dǎo)體)。圖2顯示標(biāo)準(zhǔn)B型插頭及插孔的型制。此類型的插孔接受舊型USB 2.0插頭或新型USB 3.0插頭。
圖2超高速USB B端插頭(左)及插孔(右)
針對Mini-B連接器，USB 3.0推廣小組決定不升級Mini-B連接器類型，其中有很多原因，但最重要的原因是由于全球各地正在進行的立法規(guī)范問題。至于Micro-B型連接器，由于已被全球許多機構(gòu)規(guī)定為手機電池充電的標(biāo)準(zhǔn)接口，以降低充電器浪費丟棄的問題，且現(xiàn)有Micro-B型插孔沒有足夠的空間可加入五個新導(dǎo)體，因此USB 3.0規(guī)格定義人員必須絞盡腦汁，在完全不變更USB 2.0 Micro-B插孔、插頭的前提下，設(shè)計出支持USB 3.0的Micro-B插孔與插頭。
最后規(guī)格制定小組決定采用如圖3的設(shè)計。與機械向下兼容性一樣，采用這種左右并列的設(shè)計可保留大量的裝置驅(qū)動基礎(chǔ)架構(gòu)，這可保留相同的數(shù)據(jù)傳輸類型、中斷、批量和等時儲存裝置。最后，這個標(biāo)準(zhǔn)保留了現(xiàn)有USB的使用便利性。如此一來，所有現(xiàn)有USB 2.0裝置將能夠在新型超高速USB機器上如預(yù)期持續(xù)運作。
圖3 USB 3.0 Micro-B端插孔(左)及插頭(右)
導(dǎo)入雙工架構(gòu)總線使用效率大躍進
如何更有效率地使用總線資源，也是USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)時的一大重點。前文所提及的取消輪詢機制，也可提升總線的使用效率。然而，USB 3.0所實行的全雙工架構(gòu)能夠允許同時雙向數(shù)據(jù)流，實為允許標(biāo)準(zhǔn)制定人員取消輪詢機制的關(guān)鍵所系。如前所述，裝置端的主機輪詢顯然既耗用總線的資源，又浪費電力，但取消輪詢機制后，主機端與裝置端仍必須仰賴一套新的互動機制，才能完成數(shù)據(jù)傳遞。
筆者在此舉一個例子來說明，如果把教室當(dāng)作整個USB系統(tǒng)，主機控制器是老師，而學(xué)生則是裝置。在USB 2.0的架構(gòu)下，老師會在教室內(nèi)走動，詢問每個學(xué)生是否有問題。學(xué)生有問題時，老師會進行解答。老師接著繼續(xù)在教室內(nèi)走動，直到詢問完每位學(xué)生是否有問題為止，然后又從頭開始詢問學(xué)生。
但在USB 3.0的架構(gòu)下，情況就大幅改觀。因為學(xué)生只在有問題時舉手，老師在確認(rèn)之后就會進行解答。這是IN數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒酵ㄖ椒āＶ苓呇b置有數(shù)據(jù)需要傳送給主機時，會將ERDY(端點就緒)傳送給主機，然后，主機在準(zhǔn)備處理傳輸時，會將ACK(確認(rèn))傳送給周邊裝置。
表面上看來，USB 3.0的設(shè)計顯然合理又有效率多了，但在只有一組差動對可進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 2.0中，采用USB 3.0的設(shè)計基本上是不可行的。因為USB 2.0只有一組差動對，因此只能算是半雙工總線架構(gòu)，在此一情況下，每次數(shù)據(jù)流向改變時，總線必須隨之轉(zhuǎn)向。這表示當(dāng)聯(lián)機中一端的接收器關(guān)閉時，發(fā)射器必須隨之關(guān)閉。當(dāng)運作完成后，再進行反向，此時第一個裝置中的接收器開啟，而后第二個裝置中發(fā)射器開始發(fā)送數(shù)據(jù)。此一程序使得總線的停機時間增加，而造成效率降低。若此時有另一個傳輸需求出現(xiàn)，更有可能出現(xiàn)錯誤。
第二個問題是，在半雙工架構(gòu)下，任何指定的傳輸都必須先完成，下一個傳輸才能開始進行。這表示接收器必須確認(rèn)接收到數(shù)據(jù)，發(fā)射器在收到ACK之后，才會透過總線進行下一個數(shù)據(jù)傳輸。圖4顯示USB 2.0的高層級OUT(從主機到周邊裝置)傳輸。
圖4 USB 2.0 OUT傳輸
在超高速環(huán)境中，每個裝置都有兩組差動對，一組用于傳輸，一組用于接收，因此不會出現(xiàn)總線轉(zhuǎn)向失效時間，而發(fā)射器收到接收器發(fā)出的確認(rèn)前，也能夠進行另一次傳輸。如此的變化使得收發(fā)器及接收器必須具備智能功能，以防范錯誤發(fā)生。如果收發(fā)器收到的確認(rèn)訊息中表示接收的數(shù)據(jù)有誤，則必須重新傳輸先前的數(shù)據(jù)。通訊協(xié)議會使用點數(shù)來判斷收發(fā)器送出處理成功的ACK訊號之前，能夠一次處理的資料量，直到無法再傳輸/接收新數(shù)據(jù)為止。
事實上，每次主機將數(shù)據(jù)傳送給周邊裝置(或周邊裝置將數(shù)據(jù)傳送給主機)時，便會從周邊裝置的賬戶中扣除一個點數(shù)。原始收發(fā)器收到ACK訊號時，會將一個點數(shù)重新發(fā)送至該周邊裝置的賬戶。圖5顯示USB 3.0 OUT傳輸運作的方式。
圖5 USB 3.0 OUT傳輸
前瞻未來5年需求 USB 3.0消除傳輸瓶頸
在任何數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中，總是會遭遇瓶頸，訊號鏈中的某個位置會限制整個傳輸?shù)男堋ｋm然USB 2.0高速已經(jīng)可以滿足某些應(yīng)用所需，但是USB 2.0在過去幾年也成為許多PC為主應(yīng)用的瓶頸。事實上，這也成為了開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸新規(guī)格的重點：消除目前的瓶頸！
不論是外接式旋轉(zhuǎn)媒體，如硬盤機、光驅(qū)、固態(tài)硬盤或隨處可見的隨身碟，儲存媒體已經(jīng)能夠以高于USB 2.0規(guī)格的速度傳輸數(shù)據(jù)。
是否有許多儲存媒體能以接近5Gbit/s的速度讀寫數(shù)據(jù)？目前還不多，不過，重點在于其它方面出現(xiàn)相同的瓶頸。未來超高速USB是否會成為瓶頸？有一天可能會，不過，除了某些極佳的硬盤機之外，超高速USB應(yīng)該在未來5年仍有能力進行高速讀寫。
概括來說，USB 3.0推廣小組在開發(fā)規(guī)格時，總是以這四個關(guān)鍵價值為前提：降低傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗、維持向下兼容性、提升頻寬利用效率，以及將原生位速率提高十倍以上。對于消費者需要的實時同步功能，以及處理大量內(nèi)容的消費性產(chǎn)品所需的電池續(xù)航力，USB 3.0在上述四個層面上均作出改進，且能夠在未來5年維持與閃存相關(guān)產(chǎn)品相同的表現(xiàn)水平。
