您必须知道的USB 3.0 (上)

本文作者:admin       点击: 2009-10-11 00:00
前言:
尽管USB 3.0的起飞可能延后,又面临高难度设计挑战,USB 3.0的前景依然乐观。毕竟,USB已经化身为PC与数字家电甚至手机的泛用接口王。创出梦幻价格与创出杀手级应用,乃当前的急务。消费者是等待,开发者却是要卷入猎杀游戏。

2009/9,IDF技术论坛,英特尔对于USB 3.0的姿态,显示出恐怕无法赶上在2010/1Q推出支持USB 3.0之PC芯片组样品。
而微软何时推出窗口搭载原生USB 3.0的驱动程序,也还是个未知数。若是缺乏窗口驱动程序的支持,意味着OEM厂商或芯片业者得自己下海撰写驱动程序,此举意味着负担额外成本与软件缺陷的风险。没有几个人会干!
NEC已经开始有USB 3.0主控器的样品;富士通、Symwave也完成USB 3.0-SATA的桥接组件。IP核心的提供厂商有PLDA、Denali。
当USB 3.0规格发表时,有IC设计业者估计USB 3.0芯片所需的逻辑闸,可能是现有版本USB的倍数,其功耗也是倍数以上。USB 3.0还需要更精密的频率,芯片的制程至少也要用到90nm或更微细化的技术,成本上比USB 2.0高出许多。
USB 3.0的新魅力,当属5Gbps的超高速(SuperSpeed)传送速度,以及微型连接器。
外围开发工具包,不难寻觅到。

从信号波形来了解超高速

USB 3.0不是USB 2.0的升级规格,而是共生的辅助规范。而两者的差异,除了速度之外,还有一些特征上的差别。
● 速度:480Mbps(USB 2.0),5Gbps(USB 3.0)。
● 频率展频SSC:USB 2.0没有;USB 3.0必须。
● 信号线:USB 2.0为两线(Tx与Rx共享,双向);USB 3.0为四线(Tx与Rx各为两线,单向)。
● 结合:USB 2.0为DC结合;USB 3.0为AC结合。
(. 编码:USB 2.0采NRZI;USB 3.0运用8b/10b加上Scramble。
USB 3.0可以说是从PCI Express Gen2借东风而来,PHY的设计该是可以流用。这点可以从PHY与PHY-MAC的接口看出端倪。
PHY与MAC之间的接口,USB 2.0是UTMI或是ULPI;USB 3.0则是采用PIPE Rev.3.0。PIPE虽然是英特尔独自的规范,却也成为业界的标准。
若将USB 3.0超高速与PCI Express,来个华山论剑,不难看出两者的近似性以及看出差异性。

USB 3.0与PCI Express差异

而USB 3.0与PCI Express也有差异之处,共享四点。
第一点,完全是嵌入式频率(embedded clock)。
USB 3.0系采用串行式接口的标准技术,在接收端使用了Clock Recovery电路,也就是从接收的数据中,来抽出频率;一般就称为嵌入式频率。虽然,PCI Express在接收端,也备有Clock Recovery电路;不过,基本上是传送端与接收端,使用了相同的参考频率。因此,才称为共通频率(Common Clock)。
第二点,USB 3.0使用了LFPS。
LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)的旁频带信号;作为睡眠状态的返回、暖重置、轮询(Polling)等用途。
这个LFPS与SATA的OOB(Out-Of-Band)信号有点类似。它是20ns~100ns周期,40%~60%工作周期(Duty Cycle)脉冲所构成的突发信号。
Polling LFPS是检测出接收端之后,传送端最初送出的信号是也。
第三点,内藏均衡器。
均衡器的目的,就是为了补偿传送线路的信号劣化。USB 3.0在接收端,利用均衡器线路来补偿。
第四点,在接收端追加了回路测试用BERT机能。
测试用回路BERT(Bit Error Rate Test),意思是说,累积测试用输入样式的错误,然后将结果外报。
而AC的耦合方式,USB 3.0与PCI Express一样,皆是在传送端串接电容。
USB 3.0采用AC耦合,有三个理由存在。
● 传送器可以检测出接收端接续时的时间定数变化。
● 与共模电压,没有依存关系。
● 能够直接连接测量仪器。
因此,必先掌握的第一课,“USB 2.0与USB 3.0的物理层,彻底不同”。
USB 2.0封包之前有SYNC位。而USB 3.0采用8b/10b编码,不会有这些同步位。接收端,用PLL同步连续的接收信号。

USB 3.0如何来达成SuperSpeed的飙速?
USB 3.0不像PCI Express的内接应用;外接场合的应用居多;那么5Gbps传送速度下,传送距离有多长呢?
目前,在FR4线路板的情况下,先想定为3m。
高频最忌一样东西,这就是信号损失,也就是信号衰减量。若是衡量到主机到装置端的接续情况;主机端从芯片到连接器的跑线(Trace)距离,最长不要越过30cm,装置端必须低于15cm。而连接线的长度,变数较多。
然而,全部加起来的估算,2.5GHz传送时的损失,约19dB。
5Gbps的一个位时间200ps,最快的样式是200ps逻辑一与200ps逻辑零;也就是2.5GHz。
若是将方形波以频率领域(Frequency Domain)来观看,其实是由基本波与高次谐波所合成的。
那信号损失又是怎样的底细呢?昔日的概念是阻抗损的导体损失,但是越过了Gbps的围墙之后,一种称为“介电损失(或称诱电损失)”的东西,就悄悄地上门来了。高频的国度,需要换脑。
线路板的阻抗损(聚肤效应,导体损失)。

参考数据暨延伸阅读:
1.USB Complete 4th Edition,Jan Axelson。
2.USB 3.0王者界面再临,陈乃塘。台湾碁峰出版。
3.高速传输秘技,陈乃塘。
4.Rambus Forum资料。
5.CQ Publishing网站。
6.日经电子暨Tech-On网站。