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通用串行总线(USB)本可被轻松命名为“最普遍存在的串行总线”。USB开发者论坛(USB-IF)的数据显示，目前全世界有100多亿台设备在使用USB，涵盖私人电脑、智能手机、平板电脑、显示器，甚至宽屏高清电视。USB-IF是最主要的电子设备标准组织之一，拥有700多家成员公司和数千家OEM产品开发商。 USB的普遍性及其作为实际互联标准的市场主导权可归因于USB-IF的合规认证和标识方案。USB-IF提供了一组全面的合规标准和检查清单，不仅覆盖物理层和协议层，还包括针对特定类别设备的测试要求，包括集线器、外围设备和硅构建基块。此外，USB-IF还会定期举办合规研讨会，以确保设备的互通性测试与规格合规。合规测试可在Specwerkz主办的周边互通性实验室(PIL)或者经USB-IF认证的独立测试实验室进行。 如此广阔的市场机会，使人非常容易理解为什么有如此多的公司想要参与USB细分市场及相关的生态系统。从革命性理论到新USB产品投入市场的转变通常需要特殊的设计技能以及支持性硬件、软件工具和仪器设备。 在本文中，我们将探讨实现USB合规性所需的重要事先准备工作，以及实现USB 3.0快速、有效上市必需的几个关键要素。 USB 3.0技术概述 USB旨在提供主机和外围设备之间的无缝连接。1996年，以英特尔为首的业界巨头制定了首部USB规范。USB 3.0也被称为SuperSpeed USB，是最新的USB规范。 USB 3.0基于分层通信体系结构，这一架构的主要组成部分包括物理层、链路层以及协议层(参见图1)。 与其他仅靠加快总线速度来提升性能的串行互连方式不同，USB 3.0创造了双总线结构，采用一组可支持更新的5Gbps SuperSpeed信令，同时保留了USB2.0传统的480Mbps接口，通过原来的USB外围设备实现反向兼容。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 SuperSpeed USB物理层确定了主机和设备之间总线的物理连接，包括两组差分对:一组在发送端，另一组在接收端。USB 3.0具备与现有高速串行技术PCIe与SATA相同的特性，包括8b/10b编码、数据加扰、极性变换和扩频时钟。 链路层旨在建立和维持主机与设备之间的可靠连接。USB 3.0引入了一些关键概念，包括链接命令(用于确保成功的封包传送)、链路流控制以及链路电源管理。所有这些特性由链路层训练及状态机(LTSSM，参见图2)来定义。 最后，USB 3.0的协议层与其前身类似，其中的错误检测机制包括在所有数据包中添加循环冗赘核对(CRC)域。USB 3.0还增加了节电特性。例如，在启动电力状态过渡之前，SuperSpeed主机不再需要轮询端点，端点可以在准备就绪时异步通知主机，从而降低总线流量，使设备能够更快地进入低功率状态。 这些规范元素大大增加了寻求USB 3.0正式认证的产品进行合规测试的复杂度。在最新的USB认证程序中发现的一些主要SuperSpeed增强功能包括： ●同时具备5Gbps USB Super-Speed和480Mbps高速USB数据通信的双总线结构； ●复杂的链路层和链路状态机(与PCIe类似)； ●多级电源管理方案； ●支持扩频时钟； ●设备功率输出从150mA增加至900mA，新电池充电规范采用5.0A端口，同时将既定设备的电流消耗限制在1.5A； ●SuperSpeed设备现在无需等待主机节点轮询设备即可启动通信； ●新xHCI Hub Compliance TestSuite要求进行设备列举、附加/拆分、冷启动、暖启动、待机、休眠和混合睡眠测试。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 行前指南 USB原始设备制造商们应积极考虑采用与USB-IF插拔大会(Plugfest)和独立实验室一样的工具来对其新设计进行预筛选。选择与供应商和模式相同的工具能够极大地增强任何USB认证预筛选活动的作用。对测试仪器的投资在最初可能会由于筛选单独原始设备制造商的USB产品而显得成本太高。但是，通过这些USB测试可以对产品进行由独立USB合规测试实验室和USB-IF主办的插拔大会，经过较少迭代后，这些产品就可以更快地投放市场，进而提供重要的内在价值。把测试仪器投资成本分摊到不断壮大的产品组合后就会发现，投资成本要远远优于单纯依赖外部认证体系的相关成本。简言之，做好“行前指南”最终会带来更好的上市时间优势。 SuperSpeed USB的诞生以及上述的复杂性给寻求USB 3.0认证的人们带来诸多挑战。USB-IF提出的额外测试要求包括新数据接收机测试以及需要满足的复杂的集线器合规规范。 USB 3.0的技术复杂性以及竞争日益激烈的USB市场现状促使商业产品供应商们成为拥有完整SuperSpeed USB设备认证的“第一人”。因此，原始设备制造供应商们及其设计团队需要有效、合理地计划其合规测试流程。 原始设备制造商们可通过几个渠道来进行USB合规测试和标识认证，包括USB-IF主办的插拔大会或任一经USB-IF认证的独立实验室。但是，这两种方法都无法满足USB原始设备制造商们的快速“上市”需求。对于大多数原始设备商来说，在其产品开发周期内要进行无数次的插拔测试；而在独立测试实验室进行USB认证通常存在固有的迭代需求，导致成本飙升。因此，强烈建议原始设备制造商们在进行公开USB合规测试前对设备进行广泛的预筛选活动。 Agilent、Teledyne LeCroy和Tektronix等测试仪器制造商们提供了一系列专门针对USB认证程序的合规解决方案。表1列举了针对USB 3.0合规各个方面的多种可用普通测试仪器解决方案。从中我们发现，Teledyne LeCroy提供的测试仪器可最大幅度地覆盖USB 3.0的测试需求。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 USB 3.0合规测试 USB-IF已经大大扩展了USB 3.0认证的要求(参见图3)。USB 3.0在增加了SuperSpeed USB的同时，通过双总线结构保留了完整反向兼容USB2.0特性。所有设备都要满足先前的USB2.0认证测试要求，并需要通过SuperSpeed USB规范的新测试要求，进而扩展了总体认证过程。其中的一些新要求包括：接收机测试、链路层测试以及覆盖集线器硅和端集线器设备的新集线器认证要求。 物理层测试 《USB 3.0SuperSpeed电气合规测试规范》要求除USB2.0合规测试外，设备还需进行五个物理层测试，包括： ●TD.1.1低频周期信号(LFPS)发送测试; ●TD.1.2低频周期信号接收测试; ●TD.1.3发送眼图测试; ●TD.1.4发送扩频时钟属性测试; ●TD.1.5接收机抖动容限测试。 在发射机与接收机上都要进行LFPS测试。发射机LFPS测试旨在确认LFPS计时是否满足USB 3.0规范要求，同时接收机能否在电压摆动和占空比发生变化时正确识别LFPS信令。 发射机合规测试旨在确定发射机眼宽、随机和确定性抖动以及总抖动是否均满足各自的USB 3.0规范要求。同时还要检测扩频时钟属性是否满足规范要求。 最后，接收机抖动容限测试主要衡量接收机正确接收和破解来自不同频率数据的能力。因此，USB 3.0接收机测试主要聚焦抖动容限。 这些测试大大增加了USB 3.0物理层合规测试的复杂度。因此，强烈建议开发商们在USB-IF研讨会或独立合规实验室进行物理层合规测试前验证其设计是否满足这些要求。 在以下章节我们将引用关于USB 3.0发射机和接收机测试的具体案例。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 发射机测试 这一测试的设定及发射机测试配置包括示波器、SMA连接器测试夹具、USB-IFSigTest以及被测试设备，如图4所示。 Cable电缆 USB-IF要求发射机进行发送眼、LFPS计时和发送扩频时钟属性的测试。例如，TD.1.3测试验证发射机是否满足眼宽、确定性抖动和随意抖动要求。TD.1.3的测试程序如下： 1.给被测试设备通电，使其发送一系列CP0合规图形从而进入合规模式。接下来，这一信号会被高速示波器捕捉到，而这一数据主要用于衡量数据眼是否满足USB 3.0发射机的规范要求。 2.然后，PING.LFPS突发被发送至DUT的RX端口，以使发射机从合规图形过渡至CP1。发送的信号同样被捕捉到，并用于检测发射机随机抖动的合规性。 3.根据CP1数据计算出随机抖动，然后使用CP0数据和随机抖动数据计算出总抖动。 图5为USB 3.0发送眼截图(使用Teledyne LeCroy SDA8Zi-A示波器进行测试)。 主要测试仪器商Agilent、TeledyneLeCroy和Tektronix的物理层发射机测试工具均得到了USB-IF的认可。而这些仪器供应商们都可以提供测试工具组合，其中包括采样示波器和分析软件。表2列举了USB 3.0发射机测试可用的仪器。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 接收机测试 USB 3.0接收机要接受TD.1.2LFPS合规测试及TD.1.5抖动容限测试。TD.1.2测试旨在验证接收机在最大允许电压以及USB 3.0规格允许的占空比变化范围内正确识别LFPS信号的能力。 抖动容限测试旨在验证接收器是否能够在多频率随机和确定性抖动情况下正常运行。测试中使用一个经过校准的3.0dB去加重的信号源来模拟最大允许随机抖动情况下的发射机。在测试过程中，为DUT通电后使其经过Rx.Detect状态进入到轮询状态和强迫进入Polling.Loopbak模式，从而进入环回模式。如果DUT在此过程中的任意时间点失去锁定位(bitlock)，则测试失败。使用一个外部信号发生器发送BDAT序列至DUT，总计3x109个符号。这一测试按照以下频率顺序进行：500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、10MHz、20MHz和33MHz。在整个测试过程中DUT应维持在环回模式，如果出现一个以上的错误，则测试失败。 可以通过以下两种方法来配置抖动容限仪器：一是通过图形发生器发送合规测试图形，通过合规参考信道将抖动添加至DUT；二是将接收机设置为BERT模式，在这一模式下，接收机会对错误进行计数，并将结果发回给发射机。 例如，Tektronix提供了两种进行接收机合规测试的方法：一是采用任意波形发生器(AWG)和示波器；二是采用BERT Scope来检测接收机抖动容限。而Agilent则采用JBERT和去加重箱来进行接收机测试。 Teledyne LeCroy推出了一款名为PeRT3(具有协议使能功能的接收机和发射机容限测试仪)的新仪器，这款仪器可以单独使用或与示波器共同使用来进行发射机和接收机测试。图6给出的是采用Teledyne LeCroyPeRT3的典型测试配置。 表3列举了USB-IF批准使用的接收器合规测试仪器。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 链路层测试 除SuperSpeed USB链路层外，USB-IF在协议层测试外增加了链路层合规测试。鉴于链路层在建立和维护主机与设备间连接完整性方面发挥的关键作用，需要对SuperSpeed链路层进行全面测试。USB-IF链路层合规测试包括对40种独特测试案例中超过130个单独链路层断言进行测试。与物理层测试一样，USB-IF合规测试中的链路层测试也面临着诸多挑战。TD.7.5和TD.7.7就是两个这样的例子。 链路层合规TD.7.5—数据头包成帧鲁棒性(Header Packet Framing Robustness)，旨在验证DUT是否会拒绝接收HPSTART帧中存在一个单符错误的数据包。在这一测试中，作为主机的流量发生器/试验程序或设备被连接至DUT。当检测到流量发生器传输的链路管理包中HPSTART序列的第一个符号存在错误时，要执行连接初始化序列。如果链路初始化成功完成，则测试通过。然后重置链路，重复测试步骤，在HPSTART序列的第二、第三和第四符号中分别插入错误。在测试过程中，DUT应告知已接收到数据包，并停留在U0至少50ms，只有这样才可以通过测试。 同样，TD.7.7—Rx数据头包重传测试(Rx Header Packet Retransmission Test)，旨在验证DUT是否会拒绝数据头包有效载荷部分收到带有即使一个无效字符的数据包。规范要求DUT通过回应LBAD链接命令来拒绝该数据包，同时，在接下来流量发生器再次发送一个有效的、应被DUT接收的LMP时，DUT应保持在U0。近期，部分DUT被发现由于插入数据头的实际符号不同而有不同表现，因此，这一测试被扩展至16个不同迭代次数。图7给出的是USB-IF研讨会上常见的一种测试失败情况，即：当数据结束(EPF)符号出现在数据头有效荷载中部后，DUT进入恢复状态。 如表4所示，TeledyneLeCroy和Ellisys是唯一两家被认可的USB 3.0链路层协议分析器、流量发生器/试验程序和合规套件解决方案供应商。Ellisys提供的预编译合规测试套件在速度上可能优于TeledyneLeCroy的脚本测试套件。TeledyneLeCroy的测试套件可用于开发更广泛的自定义测试，进而改善总体产品设计水平。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 结论 USB 3.0是一个前景广阔的市场，通过单一接口即可轻松处理大量设备的性能。USB标识被视为新设备与传统USB端口、集线器和设备以及较新版本设备兼容的标志，提供广泛的设备互操作性，这些特性是计算机和消费产品业界几乎无法比拟的。 从原始设备制造商的设计角度来看，SuperSpeed USB是一个极其复杂的问题。上述的例子仅说明了原始设备制造商进行USB 3.0合规测试面临的部分复杂情况。在进行USBIF合规测试前，原始设备制造商们必须彻底检查USB合规性，从而避免不必要的重复。 幸运的是，有大量有力的仪器可以用来简化和推动USB认证总过程。现有的USB2.0产品原始制造商们可以从测试仪器供应商那里选取更加先进的USB 3.0测试工具来壮大其现有的USB仪器组合，或者他们还可转而选择USB-IF合规测试设施使用的知名工具(如PIL、独立实验室或USB-IF主办的插拔大会)。认真引领USB合规认证总流程可提升产品知名度、加快产品上市时间，并推动消费者购买产品。 *文章中提到的图3、图4、图5、图6和图7请在网站上查询。 【 分页导航 】 第1页：USB 3.0技术概述(1) 第2页：USB 3.0技术概述(2) 第3页：行前指南 第4页：USB 3.0合规测试 第5页：发射机测试 第6页：接收机测试 第7页：链路层测试 第8页：结论 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载