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,，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)盟致力于針對其他三個主要部份提供客戶價值,，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,，而第四個關(guān)鍵價值是提升數(shù)據(jù)傳輸效率。
使用較少的電源移動相同數(shù)量的數(shù)據(jù)
開發(fā)的第一個關(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,，會在各個端口廣播數(shù)據(jù)，樹狀結(jié)構(gòu)中的各個集線器也會在自身的各個下游端口重新廣播封包,。最后,，總線上的各個裝置必須處理數(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)之間有多個集線器，則會有多個下游的集線器端口)，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)。
第三個與減少耗電量有關(guān)的變化是定義兩個中間閑置狀態(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)時降低耗電量,。在 FAST EXIT IDLE 模式中，鏈接會閑置,，但是裝置的頻率會持續(xù)運(yùn)作,。在 SLOW EXIT IDLE 中，鏈接及頻率都會關(guān)閉,，這需要較長的時間重新進(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)作時短時間耗用的峰值電流較高,，整體耗電量呈現(xiàn)減少的趨勢,。收發(fā)器的實(shí)際運(yùn)作時間減少約 10 倍，傳輸固定數(shù)量數(shù)據(jù) (例如,，將檔案從 個人電腦移至優(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 時間) 至 50% (5 倍峰值及 1/10 時間),。
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)行信號處理，因此選擇使用符合 PCI Express 電路規(guī)格的全雙工差動式訊號處理方法，同時決定不對現(xiàn)有 USB 2.0 信號處理進(jìn)行任何變更,。除了現(xiàn)有 USB 2.0 差動對以及VBUS與 GND 之外,，至少需要兩組新的差動對。加入兩組新超高速差動對的接地屏蔽之后,，纜線的導(dǎo)體有 9 個,，連接器的接點(diǎn)有 9 個。
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 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(jī)器上如預(yù)期持續(xù)運(yùn)作。
減少耗費(fèi)的位
第四個關(guān)鍵價值是提升整體總線使用效率,。前文已解說此方面的第一個層面,，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,，詢問每個學(xué)生是否有問題,。學(xué)生有問題時，老師會進(jìn)行解答,。老師接著繼續(xù)在教室內(nèi)走動,，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)生只要在有問題時舉手，老師在確認(rèn)之后就會進(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，會將 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，會將 ACK (確認(rèn)) 傳送給外圍裝置,。
在 USB 2.0 中,，只有一組差動對可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌腚p工總線會造成兩個總線效率方面的問題。第一個問題是,，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)收發(fā)器聯(lián)機(jī)其中一端的接收器關(guān)閉時,，收發(fā)器必須將聯(lián)機(jī)的另一端關(guān)閉。一旦完畢之后,，便會進(jìn)行反向,，此時接收器會在第一個裝置中開啟,，而收發(fā)器會在第二個裝置中開啟。如此的程序使得總線的停機(jī)時間增加,，而造成效率降低,。第二個問題是，任何指定的傳輸都必須先完成,，下一個傳輸才能開始進(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,，才會透過總線進(jìn)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(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,，便會從外圍裝置的帳戶中扣除一個點(diǎn)數(shù)。原始收發(fā)器成功處理 ACK 時,，會將一個點(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,，總是會遭遇瓶頸，信號鏈中的某個位置會限制整個傳輸?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人電腦 為主應(yīng)用的瓶頸。事實(shí)上,，整個重點(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)動器,、CD 光驅(qū)、DVD 光驅(qū)),、固態(tài)磁盤驅(qū)動器或隨處可見的優(yōu)盤,，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 是否會成為瓶頸,？有一天可能會，不過,，除了某些極佳的硬盤驅(qū)動器之外,，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,，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。對于消費(fèi)者需要的實(shí)時同步功能,，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,。