您可能已經(jīng)聽過超高速 USB，而且知道它是新一代的通用串行總線 (USB)。如果還不了解，建議您觀看一部短片，其中介紹該規(guī)格的基本知識(shí)，以及與高速 USB (亦即 USB 2.0) 的比較。超高速 USB 最明顯的差異是速度提高 10 倍以上，從 USB 2.0 的 480Mbps 提升到 5Gbps。USB 3.0 推廣聯(lián)盟致力于針對(duì)其他三個(gè)主要部份提供客戶價(jià)值，在速度提升之后，便著手改善總線的電源效率，接著是維持向下兼容性，而第四個(gè)關(guān)鍵價(jià)值是提升數(shù)據(jù)傳輸效率。
使用較少的電源移動(dòng)相同數(shù)量的數(shù)據(jù)
開發(fā)的第一個(gè)關(guān)鍵部份是提升電源效率，這有助于延長主機(jī)或外圍裝置等便攜設(shè)備的電池使用時(shí)間。此一新規(guī)格的開發(fā)有許多層面可減少全新 USB 裝置的整體耗電量，其中包括：
- 免除裝置輪詢
- 免除廣播封包
- 中間低功耗狀態(tài)
- 數(shù)據(jù)傳輸速度提升 10 倍以上
下一個(gè)變化是將封包傳輸從廣播變更為導(dǎo)向。USB 2.0 主機(jī)有數(shù)據(jù)可傳送至裝置時(shí)，會(huì)在各個(gè)端口廣播數(shù)據(jù)，樹狀結(jié)構(gòu)中的各個(gè)集線器也會(huì)在自身的各個(gè)下游端口重新廣播封包。最后，總線上的各個(gè)裝置必須處理數(shù)據(jù) (耗用電力)，以判斷裝置是否為傳輸?shù)念A(yù)定目標(biāo)。在超高速 USB 中，通訊協(xié)議已變更為僅將封包導(dǎo)向至預(yù)定目標(biāo)，這只需要主機(jī)加入智能功能即可。主機(jī)必須明確知道各個(gè)裝置在樹狀結(jié)構(gòu)中的位置，包括下游的集線器端口 (如果裝置與主機(jī)之間有多個(gè)集線器，則會(huì)有多個(gè)下游的集線器端口)，該做法可降低整體功耗，因?yàn)橹挥醒b置連接的特定下游主機(jī)及集線器端口必須傳輸數(shù)據(jù)，而且只有目標(biāo)才需要處理數(shù)據(jù)。
第三個(gè)與減少耗電量有關(guān)的變化是定義兩個(gè)中間閑置狀態(tài)。在USB 2.0 中，有 ACTIVE 及 SUSPEND 兩種狀態(tài)，在超高速 USB 中， ACTIVE (U0) 及 SUSPEND (U3) 之外，另有 FAST EXIT IDLE (U1) 及 SLOW EXIT IDLE (U2)，這使得裝置在不傳輸或接收數(shù)據(jù)時(shí)降低耗電量。在 FAST EXIT IDLE 模式中，鏈接會(huì)閑置，但是裝置的頻率會(huì)持續(xù)運(yùn)作。在 SLOW EXIT IDLE 中，鏈接及頻率都會(huì)關(guān)閉，這需要較長的時(shí)間重新進(jìn)行鏈接，才能傳輸數(shù)據(jù)。USB 2.0 及 USB 3.0 的 ACTIVE 與 SUSPEND 模式均完全相同。
速度增加 10 倍也使得整體耗電量減少，不過，這不是指 5 Gbps 收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)所需的電量少于 480 Mbps 收發(fā)器。5 Gbps 收發(fā)器所需的峰值電流確實(shí)是 USB 2.0 收發(fā)器的 2 至 5 倍，不過，雖然收發(fā)器運(yùn)作時(shí)短時(shí)間耗用的峰值電流較高，整體耗電量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。收發(fā)器的實(shí)際運(yùn)作時(shí)間減少約 10 倍，傳輸固定數(shù)量數(shù)據(jù) (例如，將檔案從 個(gè)人電腦移至優(yōu)盤) 所需的整體功耗是透過 USB 2.0 傳輸相同數(shù)量數(shù)據(jù)所需整體功耗的 20% (2 倍峰值及 1/10 時(shí)間) 至 50% (5 倍峰值及 1/10 時(shí)間)。
超高速 USB 結(jié)合總線使用效率 (沒有廣播封包，并免除輪詢)、強(qiáng)化的 IDLE 電源狀態(tài)及較低的平均傳輸功耗等優(yōu)點(diǎn)，耗電量大約是 USB 2.0 的 1/3 或更少。
向下兼容的真正意義是什么？
下一個(gè)開發(fā)重點(diǎn)是透過 In-Stat 的 Brian O'Rourke 所謂「長久以來最成功的 PC 接口」維持向下兼容性2，在開發(fā)期間，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有纜線集連接器解決方案都不足以穩(wěn)定傳輸 5 Gbps 的數(shù)據(jù)，因此，開發(fā)人員決定超高速 USB 必須透過不同于 USB 2.0 的導(dǎo)體進(jìn)行信號(hào)處理，因此選擇使用符合 PCI Express 電路規(guī)格的全雙工差動(dòng)式訊號(hào)處理方法，同時(shí)決定不對(duì)現(xiàn)有 USB 2.0 信號(hào)處理進(jìn)行任何變更。除了現(xiàn)有 USB 2.0 差動(dòng)對(duì)以及VBUS與 GND 之外，至少需要兩組新的差動(dòng)對(duì)。加入兩組新超高速差動(dòng)對(duì)的接地屏蔽之后，纜線的導(dǎo)體有 9 個(gè)，連接器的接點(diǎn)有 9 個(gè)。
那么，向下兼容的真正意義是什么？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(jī)運(yùn)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。
顯然，支持新型超高速 USB 規(guī)格及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏卫|線及插頭會(huì)在纜線部份有新導(dǎo)體，并且在插頭部份有新接點(diǎn)。另外，任何新插孔也必須有新接點(diǎn)，才能接受必要的新聯(lián)機(jī)。
USB 規(guī)格有兩種基本的連接器類型，A 插孔是現(xiàn)今 個(gè)人電腦上常見的類型，A 插孔接受 A 插頭，鼠標(biāo)與鍵盤的擷取纜線以及優(yōu)盤連接器常用這類插頭。B 插頭用于外圍裝置，其中分為標(biāo)準(zhǔn)、迷你及微型三種尺寸。
后向的關(guān)鍵是新型超高速 USB A 插孔必須能夠接受新型 (USB 3.0) 與舊型(USB 2.0) A 插頭，而且舊型 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能兼容 USB 2.0 ，數(shù)據(jù)傳輸最高只能夠達(dá)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 5 個(gè)新導(dǎo)體。如此即可達(dá)到與 USB 2.0 相同的機(jī)械接口，并提供完整的后向兼容性 (見圖 1)。
圖 1：超高速 USB A 端插孔及插孔。
就外圍裝置而言，個(gè)別單方面考慮的難度較高，因?yàn)楸仨毧紤]更多種連接器尺寸，如果同時(shí)考慮較為簡單。
為何較為簡單？因?yàn)樾滦?span> USB 3.0 B 插頭不需要插入舊型 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 (以及纜線)。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便足夠使用，因?yàn)槔|線的另一端能夠插入于新機(jī)器中，如前段所述。新型 B 插孔 (不論尺寸) 必須能夠接受舊型及新型 B 插頭，才能達(dá)到后向兼容的效果，因此，不論尺寸如何變化，都不能妨礙現(xiàn)有 USB 2.0 纜線。
圖 2：超高速 USB B 端插頭及插孔。
推廣聯(lián)盟決定不升級(jí) Mini-B 連接器類型，其中的原因有很多，但最重要的原因是由于全球各地正在進(jìn)行的立法規(guī)范問題。全球許多機(jī)構(gòu)都規(guī)定 USB 插頭必須是手機(jī)電池充電的標(biāo)準(zhǔn)接口，原先的考慮是每換一部新手機(jī)，就需要不同連接器的新充電器，這會(huì)造成浪費(fèi)丟棄的問題，而采用標(biāo)準(zhǔn)接口有助于減輕這類問題的嚴(yán)重性。Micro-B 插孔獲選成為此標(biāo)準(zhǔn)接口，所有日后出廠的手機(jī)將采用此接口，其他許多小型便攜式消費(fèi)性產(chǎn)品則早已采用 USB 接口進(jìn)行電池充電。加入 USB設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)以及加入關(guān)注電池充電問題的裝置工作團(tuán)隊(duì)，可了解進(jìn)一步的信息。3現(xiàn)有 Micro-B 型插孔 (圖 3) 沒有足夠的空間可加入 5 個(gè)新導(dǎo)體，因此需要進(jìn)行大幅變更，工作團(tuán)隊(duì)提出可接受 USB 2.0 Micro B 插頭或新型超高速 Micro B 插頭的并行解決方案。
圖 3：超高速 USB micro B 端插孔及插頭。
與機(jī)械后向兼容性一樣，這樣做可保留大量的裝置驅(qū)動(dòng)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(shí)儲(chǔ)存裝置。最后，這個(gè)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(jī)器上如預(yù)期持續(xù)運(yùn)作。
減少耗費(fèi)的位
第四個(gè)關(guān)鍵價(jià)值是提升整體總線使用效率。前文已解說此方面的第一個(gè)層面，也就是免除輪詢。除此之外，超高速 USB 的全雙工架構(gòu)能夠允許同時(shí)雙向數(shù)據(jù)流，這是半雙工 USB 2.0 架構(gòu)所不及之處。
裝置的主機(jī)輪詢顯然耗用總線的資源，但是，問題在于免除輪詢的真正意義。想起過去我母親在學(xué)校當(dāng)老師教書許多年的情景，我用教室來比喻其中的意義。如果教室是 USB 2.0 系統(tǒng)，老師在教室內(nèi)走動(dòng)，詢問每個(gè)學(xué)生是否有問題。學(xué)生有問題時(shí)，老師會(huì)進(jìn)行解答。老師接著繼續(xù)在教室內(nèi)走動(dòng)，直到詢問每位學(xué)生是否有問題為止，然后又從頭開始詢問學(xué)生。如果教室是超高速 USB 系統(tǒng)，學(xué)生只要在有問題時(shí)舉手，老師在確認(rèn)之后就會(huì)進(jìn)行解答。這是 IN 數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒酵ㄖ椒?。外圍裝置有數(shù)據(jù)需要傳送給主機(jī)時(shí)，會(huì)將 ERDY (端點(diǎn)就緒) 傳送給主機(jī)，然后，主機(jī)在準(zhǔn)備處理傳輸時(shí)，會(huì)將 ACK (確認(rèn)) 傳送給外圍裝置。
在 USB 2.0 中，只有一組差動(dòng)對(duì)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌腚p工總線會(huì)造成兩個(gè)總線效率方面的問題。第一個(gè)問題是，每次數(shù)據(jù)流向改變時(shí)，總線必須隨之轉(zhuǎn)向。這表示，當(dāng)收發(fā)器聯(lián)機(jī)其中一端的接收器關(guān)閉時(shí)，收發(fā)器必須將聯(lián)機(jī)的另一端關(guān)閉。一旦完畢之后，便會(huì)進(jìn)行反向，此時(shí)接收器會(huì)在第一個(gè)裝置中開啟，而收發(fā)器會(huì)在第二個(gè)裝置中開啟。如此的程序使得總線的停機(jī)時(shí)間增加，而造成效率降低。第二個(gè)問題是，任何指定的傳輸都必須先完成，下一個(gè)傳輸才能開始進(jìn)行。這表示，接收器必須確認(rèn)接收到數(shù)據(jù)，收發(fā)器在收到 ACK 之后，才會(huì)透過總線進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。圖 4 顯示 USB 2.0 的高層級(jí) OUT (從主機(jī)到外圍裝置) 傳輸。
圖 4：USB 2.0 OUT 傳輸
在超高速環(huán)境中，每個(gè)裝置都有兩組差動(dòng)對(duì)，一組用于傳輸，一組用于接收，因此不會(huì)出現(xiàn)總線轉(zhuǎn)向失效時(shí)間，而收發(fā)器收到接收器發(fā)出的確認(rèn)前，也能夠進(jìn)行另一次負(fù)載的傳輸。這種變化變化使收發(fā)器及接收器必須具備智能功能，以防范錯(cuò)誤發(fā)生。如果收發(fā)器收到的確認(rèn)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(huì)使用點(diǎn)數(shù)來判斷收發(fā)器處理成功的 ACK 之前能夠一次處理的數(shù)據(jù)量，直到無法再傳輸/接收新數(shù)據(jù)為止。事實(shí)上，每次主機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給外圍裝置 (或外圍裝置將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)) 時(shí)，便會(huì)從外圍裝置的帳戶中扣除一個(gè)點(diǎn)數(shù)。原始收發(fā)器成功處理 ACK 時(shí)，會(huì)將一個(gè)點(diǎn)數(shù)重新發(fā)送至該外圍裝置的帳戶。圖 5 顯示超高速 USB OUT 傳輸運(yùn)作的方式。
圖 5：超高速 USB OUT 傳輸。
一切都是為了提升速度
在任何數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中，總是會(huì)遭遇瓶頸，信號(hào)鏈中的某個(gè)位置會(huì)限制整個(gè)傳輸?shù)男阅?。雖然USB 2.0高速 (甚至 USB 全速 12Mbps 和 USB 低速 1.5Mbps) 已經(jīng)可以滿足某些應(yīng)用所需，但是 USB 2.0 在過去幾年成為許多個(gè)人電腦 為主應(yīng)用的瓶頸。事實(shí)上，整個(gè)重點(diǎn)在于開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男乱?guī)格：消除目前的瓶頸！
不論是外接式旋轉(zhuǎn)媒體 (也就是硬盤驅(qū)動(dòng)器、CD 光驅(qū)、DVD 光驅(qū))、固態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)器或隨處可見的優(yōu)盤，儲(chǔ)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)。
是否有許多媒體能夠以接近 5 Gbps 的速度讀寫數(shù)據(jù)？目前還沒有很多，不過，重點(diǎn)在于其他方面出現(xiàn)相同的瓶頸。超高速 USB 是否會(huì)成為瓶頸？有一天可能會(huì)，不過，除了某些極佳的硬盤驅(qū)動(dòng)器之外，超高速 USB 應(yīng)該在未來五年仍有能力進(jìn)行高速讀寫。
概括來說，USB 3.0 在開發(fā)規(guī)格時(shí)，總是以這四個(gè)關(guān)鍵價(jià)值為前提：降低傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗、維持后向兼容性、提升帶寬利用效率，以及將原生比特率提高 10 倍以上。對(duì)于消費(fèi)者需要的實(shí)時(shí)同步功能，以及處理大量內(nèi)容的消費(fèi)性產(chǎn)品所需的電池壽命，這些價(jià)值均有所幫助，而且能夠在未來五年維持與閃存產(chǎn)品相同的表現(xiàn)水平。