原创 USB3.0之介绍

USB 3.0定义

          USB 3.0是最新的USB规范，该规范由英特尔等大公司发起。

　　USB2.0的最高传输速率为480Mbps，即60MB/s。不过，大家要注意这是理论传输值，如果几台设备共用一个USB通道，主控制芯片会对每台设备可支配的带宽进行分配、控制。如在USB1.1中，所有设备只能共享1.5MB/s的带宽。如果单一的设备占用USB接口所有带宽的话，就会给其他设备的使用带来困难。

　　USB2.0 High Speed：理论速度是480Mbps，对应之前的USB2.0；

　　USB2.0 Full Speed：理论速度是12Mbps，也就是过去的USB1.1。

　　2007年，Intel在IDF上把SuperSpeed USB作为了一项重要的话题拿出来展示。到了2008年11月17日，USB 3.0标准才算是正式完成并公开发布。同时新的USB执行组织（USB Implementers Forum，USB-IF)也正式开始接管和运作该规范，公布了详细的技术文档，以便业界的硬件厂商们能够依此来研发USB 3.0相关的产品。

USB 3.0简要规范如下：

　　提供了更高的每秒4.8Gb传输速度

　 对需要更大电力支持的设备提供了更好的支撑，最大化了总线的电力供应

　 增加了新的电源管理职能

　 全双工数据通信，提供了更快的传输速度

      向下兼容USB 2.0设备

USB 3.0标准的正式发布

         由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0
Promoter Group在2008年11月17日宣布，该组织负责制定的新一代USB
3.0标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。制定完成的USB 3.0标准已经移交给该规范的管理组织USB Implementers Forum(简称USB-IF)。

　　  　第一版USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mbps；两年后升级为USB 1.1，速度也大大提升到12Mbps，至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；2000年4月，目前广泛使用的USB 2.0推出，速度达到了480Mbps，是USB 1.1的四十倍；如今八个半年头过去了，USB 2.0的速度早已经无法满足应用需要，USB 3.0也就应运而生，最大传输带宽高达5.0Gbps，也就是625MB/s，同时在使用A型的接口时向下兼容。

　　USB 2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。

　　除此之外，USB 3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。

测量仪器大厂泰克(Tektronix)在上个月第一家宣布了用于USB 3.0的测试工具，可以帮助开发人员验证新规范与硬件设计之间的兼容性。

USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”，顺应此前的USB
1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed

USB 3.0的影响

　　　从USB 1.1的12Mbps升级到USB 2.0的480Mbps，提升幅度达到了40倍，而从USB 2.0标准升级到USB 3.0标准仅为10倍，但这10倍速度的提升却有着很大的应用意义，既然USB 3.0的数据传输率达到了4.8Gbps，要远远高于其他传输标准，比如IEEE 1394的数据传输通常为400Mbps～3.2Gbps之间，而号称“USB移动硬盘终结者”的新一代eSATA标准也仅有3Gbps的数据传输率。

实际上并非如此，因为IEEE 1394、eSATA有着自己的应用定位，IEEE 1394标准，它的最大数据传输速率为3.2Gbps，在速度上落后于USB 3.0，但提供了点对点传输功能，这样不用依赖PC即可实现设备之间的数据传输，同时支持同步和异步传输模式，可以连接63个设备，可以同时传输数字视频及数字音频信号，并且在采集和回录过程中没有信号损失，使得IEEE 1394接口更加适合多媒体设备（如DV机、采集卡），这些都是USB 3.0标准无可比拟的。总体来看IEEE 1394接口的应用更专业、更自由，不过正是由于这些专业性以及厂商的推广力度不够，IEEE 1394设备的普及度不高，通常是一个设备同时拥有IEEE 1394接口和USB接口。

对于eSATA标准，它实际上是SATA接口的扩展，也称为外置式SATA接口，支持即插即用，但在功能上有很大的局限性，首先不支持供电功能，而且必须配合主板上的eSATA接口使用，这意味着无法摆脱PC的使用限制，一般只适合移动硬盘、便捷DVD光驱及电视盒等设备使用，对于时下流行的消费数码电子设备，就显得无用武之地了，因而在USB 3.0标准推出之后，eSATA是面临竞争压力最大的传输标准。但仍然要注意，由于eSATA源自主板上的SATA芯片，所以具备了引导启动功能，也就是说，电脑连接eSATA硬盘或eSATA光驱可以启动系统，而这是USB硬盘、USB光驱实现起来比较麻烦的，这对于系统维护、服务器在DOS数据下进行数据交换及其重要，不过对于普通大众来说，eSATA的地位和发展或许就此终结。

USB 3.0工作原理

　  USB 3.0之所以有“超速”的表现，完全得益于技术的改进。相比目前的USB 2.0接口，USB 3.0增加了更多并行模式的物理总线。

可以拿起身边的一根USB线，看看接口部分。在原有4线结构（电源，地线，2条数据）的基础上，USB 3.0再增加了4条线路，用于接收和传输信号。因此不管是线缆内还是接口上，总共有8条线路。正是额外增加的4条（2对）线路提供了“SuperSpeed USB”所需带宽的支持，得以实现“超速”。显然在USB 2.0上的2条（1对）线路，是不够用的。

　　此外，在信号传输的方法上仍然采用主机控制的方式，不过改为了异步传输。USB 3.0利用了双向数据传输模式，而不再是USB 2.0时代的半双工模式。简单说，数据只需要着一个方向流动就可以了，简化了等待引起的时间消耗。

USB3.0技术解析

　　随着Vista操作系统、高清视频和DX10的逐步普及，大容量、高速的数据传输越来越多，对带宽的需求也越来越高，原来的USB1.1和USB2.0已无法满足未来的需要。2007年底开始，英特尔公司和惠普（HP）、NEC、NXP半导体及德州仪器（Texas Instruments）等公司共同开发USB3.0技术，USB3.0技术主要应用于个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。

　　USB 3.0具有后向兼容标准，兼容USB1.1和USB2.0标准，具传统USB技术的易用性和即插即用功能。USB3.0技术的目标是推出比USB2.0快10倍以上的产品，采用与有线USB相同的架构。除对USB 3.0规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外，USB 3.0的端口和线缆能够实现向后兼容，以及支持未来的光纤传输。

　　USB3.0将采用一种新的物理层，其中，用两个信道把数据传输(transmission)和确认(acknowledgement)过程分离，因而达到较高的速度。为了取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制，新的规格将采用封包路由 (packet-routing)技术，并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输。新的链接标准还将让每一个组件支持多种数据流，并且每一个数据流都能够维持独立的优先级(separate priority levels)，该功能可在视讯传输过程中用来终止造成抖动的干扰。数据流的传输机制也使固有的指令队列(native command queuing)成为可能，因而能使硬盘的数据传输优化。

　　为了向下兼容2.0版，USB 3.0采用了9针脚设计，其中四个针脚和USB 2.0的形状、定义均完全相同，而另外5根是专门为USB 3.0准备的。

　　标准USB 3.0公口的针脚定义，白色部门是USB 2.0连接专用针脚，而红色部分为USB 3.0专用。

　　标准USB 3.0母口的针脚定义，紫色针脚为USB 2.0专用，红色为USB 3.0连接专用。

　　USB 3.0线缆如果不算编织（Braid）用线，一共是8根，值得注意的是，在线缆中，USB 2.0和3.0的电源线（Power）是共用的。

Mini USB 3.0接口分为A、B两种公口（Plug），而母口（Receptacle）将有AB和B两种，从形状上来看，AB母口可兼容A和B两种公口，3.0版公口的针脚是9针。

USB 3.0的主要规格

　　当初规划USB 3.0的规格时，最重要的就是要解决数据传输速率过低的问题，因此在规划USB 3.0 SuperSpeed架构时，采用新的物理层(PHY)是无可避免的事情，因此从PCIe与SATA等高速IO移转经验是再自然不过的考虑。然而USB-IF还是坚持backward兼容性的问题，所以USB 3.0的规范主轴，包含了以下各点：

　　● 比既有的USB 2.0 Hi-Speed快10倍以上的传输速率。

　　● 完整考虑向后兼容性问题，包含既有的Class Driver都可以在新的组件上正常工作。

　　● 相同的USB device model，这包含了PIPE model、USB
Framework与Transfer type。

　　● 电源管理的效率，在新规格中，提供了更好的电源效能的管理，特别是在Idle的状况之下，另外也为了取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制，新的规格采用一种封包路由(packet-routing)技术，并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输，提供更佳的电源管理效能。

　　● 架构与技术的延伸性，为了增加技术的scalability，在通讯协议上的规划都已考虑有效率的Scale up and Scale down的问题。

　　USB-IF在上述前提之下，采用了PCIe的主要PHY架构，以5.0 Gbps为USB 3.0 SuperSpeed的数据传输速率，在传输编码技术的选择上，导入广为在其他高速串行传输技术所采用的8b/10b编码技术，以提高传输位的辨识率并且降低高频信号的电磁干扰。在向后兼容性上，为了与USB 2.0 Low Speed、Full Speed与Hi-Speed共存，采用了Dual-bus架构的设计(请参考图2)，在通信协议上，如上述所提，新的规格采用一种封包路由(packet-routing)技术，并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输，取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制，这也与SATA Asynchronous notifications有异曲同工之妙。在cable
connector方面，USB 3.0新增了5个触点，两条为数据输出，两条数据输入，采用发送列表区段来进行数据发包，新的触点将会并排在目前4个触点的后方。USB 3.0 bus power标准为900mA，并将支持光纤传输。这也就是SuperSpeed技术的雏型(参考表4)。

　　有关Cable Connector，USB-IF在制定新规格时，同时考虑了技术与市场的平衡点，这些因素包含了：

　　● 必须能support 5.0 Gbps的数据传输

　　● 可完全维持与USB 2.0的兼容性

　　● 将cable & connector的form
factor改变控制在最小范围

　　● EMI防护的问题

　　● 维持USB容易使用的传统

　　因此CableCon就在这样的指导原则下订出Stand A、Stand B、Micro B与Micro AB的CableCon规范，USB-IF巧妙的将USB3_TX+、USB3_TX-、USB3_RX+、USB3_RX-与GND导入新的CableCon之中(请参考图3,4,5)，并透过Double-Stacked connector的support，让USB 2.0可与USB 3.0共存。

不过在这里提醒各位，Stand A是完全可以USB 2.0与USB 3.0互相连接没有问题(这意谓着你可以把USB 2.0
Stand A Cable插入USB 3.0 Stand A connector，也可以把USB 3.0 standard cable插入USB 2.0
Stand A connector)，但是Stand B与Micro B就没有办法这样，但是至少维持所有旧的Cable(USB 2.0)都能插入新的connector(USB 3.0)的相后兼容性原则，至于新的Cable要插入旧的connector，在Stand B与Micro B就没有办法了。

USB 3.0先进之处

　　“SuperSpeed USB”改进远不止在传输速率方面的提升。在USB 3.0中，设备和电脑主机之间如何更加融洽的配合，也被当作了一项重点研究的方向。在继承USB 2.0核心架构的基础上，如何利用双总线模式的优势，如何让用户能够直接的体验到USB 3.0比USB 2.0的先进，成为了重点：

　　需要时能提供更多电力

　　USB 3.0能够提供50%—80%更多的电力支持那些需要更多电能驱动的设备，而那些通过USB来充电的设备，则预示着能够更快的完成充电。

　　新Powered-B接口由额外的2条线路组成，提供了高达1000毫安的电力支持。完全可以驱动无线USB适配器，而摆脱了传统USB适配器靠线缆连接的必要。通常有线USB设备需要连接到集线器或者是电脑本身上，而高电能支持下，就不需要在有“线”存在了。

　　不需要时就自动减少耗电

　　转换到USB 3.0，功耗也是要考虑的很重要的一个问题，因此有效的电源管理就很必要，可以保证设备的空闲的时候减少电力消耗。

　　大量的数据流传输需要更快的性能支持，同时传输的时候，空闲时设备可以转入到低功耗状态。甚至可以空下来去接收其他的指令，完成其他动作。

　　其实，在USB 3.0中也并不是所有的东西都更新换代了，比如线缆的长度。当在某些应用中需要尽可能高的吞吐量的时候，往往线缆依旧会成为瓶颈。虽然在USB 3.0规范中，没有明确指定USB线缆有多长，但是电缆材质和信号质量还是影响了传输的效果。因此在传输数百兆大数据流的时候，线缆长度最好不要超过3米。

　　另外，一些支持“SuperSpeed USB”的硬件产品，例如集线器（hub）可能要比USB 2.0的贵很多，这就像是现在主动供电集线器和被动供电的一个道理。因为一个真正意义上的“SuperSpeed hub”应该具备2类接口，一个用来扮演真正“SuperSpeed hub”的角色，另外一个则要扮演普通高速hub的角色。

支持USB 3.0的操作系统

　　在2008年11月举行的，“SuperSpeed”开发者大会上，微软宣布Windows 7能够提供对USB 3.0的支持，但不是版本，而是稍后放出的Service Pack补丁或者一些特定的升级中。不仅仅是Windows 7，甚至Vista也有可能支持“SuperSpeed”，当然只要微软愿意。至少来看，微软的很多合作伙伴还是希望Vista能够支持USB 3.0的。

　　至于Windows XP还不得而知，XP毕竟已经是7年前的产物了，因此，支持与否恐怕就不那么重要了。

　　开源系统方面， Linux明确的表示支持USB 3.0，前提是扩展主控制器界面（xHCI)规范正式发布。非公开版本号为0.95，还是一个待定的草案。

　　苹果方面，按照“惯例”依旧在MacOS X是否支持“SuperSpeed USB”问题上保持缄默。不过，一旦USB 3.0兑现了如同USB 2.0一样的“即插即用”，市场上大量的“SuperSpeed”设备就会如同雨后春笋一般。

　　至于对Firewire信号是否存在干扰问题，现在还不得而知，但是不管怎样，苹果需要去支持“SuperSpeed”，如果所有人都看好这个接口标准的话。

起初，在USB 3.0的支持方面，不管是操作系统还是设备，肯定不会一步到位。初期会简单的在小型设备上试用，然后存在这样那样的问题，并且还不会全面发挥USB 3.0的优势。不过，随着时间的推移，这些都会逐步的完善起来。

USB 3.0应用

　　简单说，所有的高速USB 2.0设备拿到USB 3.0上来只能会有更好的表现，至少不会更加的糟糕。

　　这些设备包括：

　　外置硬盘 - 在传输速度上至少有两倍的提升，更不用担心供电不足的问题了。

　　高分辨率的网络摄像头、视频监视器

　　视频显示器，例如采用DisplayLink USB视频技术的产品

　　USB接口的数码相机、数码摄像机

　　蓝光光驱等

　　另外，最常用的读卡器设备，尤其是当设备中同时使用多种类型的闪存卡，或者是读卡器连接到USB Hub上，而USB Hub上又有多个读卡器的时候，那种传输速度简直是难以忍受的折磨。USB 3.0则提供了更多的空间，来解决这样的问题，提供5-10倍的带宽不是问题。

还有一点是可以预见的，理论上每秒4.8Gb的传输速度，足以让USB侵入到以前从不敢涉猎的范围，例如磁盘阵列系统。