快速傳送多媒體內容　USB 3.0牛刀小試

數位相機與攝影機等影像擷取裝置，越發朝高解析度、高畫質等方向演進，也衍生出高速互聯技術的需求，以讓使用者能更方便傳輸各樣內容。由於用戶對互聯技術的需求與日俱增，促使許多技術領導者攜手解決這個問題。通用序列匯流排應用者論壇(USB Implementers Forum, USB-IF)即體認到各界迫切需要下一代的互聯技術，並已於2008年的11月正式核准通過第三代通用序列匯流排(USB 3.0)規格。  

USB 3.0不但維持與USB 2.0相同的易用性、彈性及熱插拔功能，而且大幅提升資料傳輸率；另一個主要目標則是電源管理，這對資料同步及隨身攜帶的應用至關重要，且這類產品有時須犧牲某些功能以換取電池續航力。  

USB 3.0將在2011年開始廣泛建置。具備PCI Express(PCIe)擴充卡與搭載獨立主機控制器的個人電腦(PC)，也將於2010年在各大商展會場中展示。USB 3.0也預示新一波的產品使用模式即將來臨，預估將能提供超過3Gbit/s的資料傳輸量(訊號傳輸速率為5Gbit/s)，比Hi-Speed高速USB(USB 2.0)快上十倍。USB 3.0初期鎖定個人電腦市場及須高速傳輸大量資料的裝置，如外接式儲存設備、消費性電子及通訊裝置等內建儲存容量越來越高的產品。  

本文將專注於USB 2.0到USB 3.0的演進歷程，並將焦點鎖定在USB 3.0相較於前一代技術的重要進展。另將探討規格中一些與最終使用者及開發業者有關的重點及USB 3.0的優點。  

從Hi-Speed到SuperSpeed　USB 3.0傳輸速度急速攀升  

USB 3.0介面包含一個實體(PHY)層Super-Speed匯流排及一個實際體USB 2.0匯流排。USB 3.0規格定義一項雙重單工的訊號機制，速度高達5Gbits/s，有別於單向雙工的USB 2.0匯流排，讓系統能在裝置之間同時互相傳送資料。USB 3.0能往下相容於USB 2.0，如此一來，USB 3.0的主控端就能在更快的訊號速度下與裝置進行通訊，最高速度取決於裝置本身的支援速度。相對的，USB 3.0相容裝置在插入到USB 2.0主控端時，就能以USB 2.0的訊號速度順利運行。  

除提供更快的訊號傳輸速度外，USB 3.0還支援更加有效率的傳輸模式，如非同步的通知機制，取代USB 2.0的單一回應模式。舉例來說，當USB 3.0主控端啟動一個傳輸程序，當資料或緩衝區空間還未準備好時，裝置可能回覆未備妥(Not Ready, NRDY)的訊息，之後當裝置能回應傳送要求時，就會向主控端回覆端點備妥(Endpoint Ready, ERDY)的訊息。  

USB 2.0主控端會以廣播的方式將封包傳送到下游所有已運行的裝置，強迫所有裝置對每個接收到的封包進行位址解碼；反觀USB 3.0主控端僅會以單點廣播的方式向目標裝置傳送封包。這種改良的內容，是把路由資訊嵌入在所要傳送的封包內部，經由中介轉換器對封包進行解碼。這種以單點廣播傳送封包的模式，讓閒置裝置能持續維持低功耗的狀態，而這僅僅是USB 3.0多項省電技術的其中之一。另USB 3.0規格允許裝置在連結到主控端時汲取900毫安培(mA)的電力，遠高於USB 2.0規格所制定的的500毫安培上限。  

USB 3.0架構完整　可傳輸四種封包類型  

USB 3.0架構的設計靈感來自於分層式PCIe架構及開放式通訊系統互聯參考模型(OSI)模型。如圖1所示，USB 3.0有一個實體層、鏈結(Link)層及通訊協定(Protocol)層。實體層包含PHY實體元件及主控端與裝置或集線器(Hub)與裝置間的連結。

圖1 USB3.0電子介面與分層式架構

類似於PCIe的實體層，USB 3.0實體層也包含8/10位元編碼/解碼、資料擾碼與解擾碼及序列/解序列等功能。鏈結層負責維持鏈路連結，透過建置錯誤偵測機制，確保鏈路夥伴之間的資料完整性。封包是在鏈結層中被建立，鏈結層還會發出鏈路指令，通訊協定層則是負責裝置與主控端之間與端至端的資料傳輸。 和USB 2.0一樣，USB 3.0匯流排負責攜帶資料、定址、通報狀態及控制資訊。在USB 3.0規格中定義四種封包類型，其中兩種封包類型與USB 2.0相同，亦即交易封包(Transaction Packet, TP)與數據封包(Data Packet, DP)。USB 3.0全新定義的兩種封包類型為同步時戳封包(Isochronous Timestamp Packet, ITP)及鏈路管理封包(Link Management Packet, LMP)。  

電源管理模式多元　USB 3.0具節能優勢  

USB 3.0規格提供多項改良的電源管理功能，滿足各樣以電池供電的可攜式裝置需求。並提升USB 3.0系統的所有層面，包括鏈結層、通訊協定層及實體層的用電效率。  

USB 3.0的電源管理模式除了USB 2.0規格所定義的「休眠(Suspend)」或稱U3模式外，還另外定義閒置(U1)與閒置(U2)模式。U2狀態比U1更加省電，能讓更多類比電路，例如時脈產生器電路暫停運作，這也讓U2切換到運作狀態時得花更長的轉換時間。休眠狀態(U3)耗電最少，然喚醒時須花費最久時間。  

當下游的連結埠經過一段預設的時間內完全沒有運作時，就可切換至閒置模式，或者根據主控端收到的排定時程資訊啟動該裝置。主控端會利用「Packet Pending」、「End of Burst」及「Last Packet」這些號誌向裝置傳遞資訊。裝置可根據這些號誌的指示，自行決定是否進入閒置模式，不必等候匯流排靜默時才切換。  

當鏈結處在上述其中一種閒置狀態時，會透過低頻率週期訊號(LFPS)進行通訊，耗用的電力遠低於USB 3.0訊號傳輸作業。事實上，主控端或裝置可同時進行閒置模式與LFPS傳輸作業。  

USB 3.0規格亦推出作業暫停功能(Function Suspend)，能單獨管理一個合成裝置的個別功能。這項能力帶來充裕的彈性，能暫停一個合成裝置的特定功能，且保持其他功能的運作。  

USB 3.0的LTM(Latency Tolerance Messaging) 機制能額外節省更多電力，當裝置向主控端通報ERDY狀態，一直到收到回應之前的這段時間，都可向主控端通報自己容許的最大延遲。主控端在管理系統功耗時，可將這個延遲容許時間納入評估。  

圖2呈現USB 3.0與USB 2.0在資料傳輸時所消耗的系統電力比較結果。USB 3.0系統在運作時雖需較多電力，但因高傳輸速度加上各種省電功能的加乘效果，因此處在運作狀態的時間反而更短、更省電。USB 3.0在傳輸資料時耗用的電力比USB 2.0少了50%，此對於手機這類使用電池的行動手持式裝置非常重要。

資料來源:USB3.0規格1.0版 圖2　USB 3.0與USB 2.0資料傳輸時的系統耗電量

解決MSC傳輸瓶頸　串流模式助一臂之力  

USB 3.0新增串流(Streams)模式，提升原始資料傳輸率能力。操作模式是在一個巨量(Bulk)端點上，設定多個資料緩衝區，並安排成串流，每個端點都能以多工模式傳送64k的串流。串流可在輸入與輸出端點上運作，每個串流都具有一個Stream ID識別資料。主控端與裝置都能與一個端點建立「Current Stream」，當有需要時，主控端或裝置能隨時截斷串流，串流讓工程師了解在指令排序時，何以需要亂序執行模式。  

在與儲存裝置進行通訊時，USB的大容量儲存類型(MSC)標準是現今最適合的通訊協定。但MSC通訊協定有一些限制，如MSC主控端同一時間僅能發出一個指令，但在處理指令時經常需要主控端與裝置同時介入處理。這些天生的限制造成MSC傳輸作業面臨嚴重的瓶頸，這些瓶頸也是限制USB 2.0系統的傳輸量的原因，且可能嚴重損及未來USB 3.0系統的傳輸量。  

串流的概念創造出功能更強大的高容量儲存通訊協定。典型的通訊協定鏈路，包含一個指令輸出管線、一個輸入與輸出管線(支援多重資料串流)及一個狀態管線。主控端能排定指令的先後順序，亦即不必等待系統處理完前一個指令，主控端就能馬上發出一個新指令並把Stream ID嵌入到每個指令當中。  

USB 3.0延續USB 2.0的充電優點  

當USB與其他介面進行比較時，充電的便利性則是USB勝出的一項重要功能。在許多國家，USB是民眾在充電的首選介面。有別於裝置專屬充電器，USB充電不僅毋須廠商推出特殊充電器，一方面能降低製造成本，另一方面長期下來還能大幅減輕對環境的污染衝擊。  

USB 3.0主控端與集線器能支援USB電池充電規格所規範的各種電池充電機制。目前已定義的三種USB 2.0電池充電規格，如下所示：  

規格中還包含電力耗盡的電池充電，讓完全沒電或餘電甚少的電池，能從集線器的主控端汲取100毫安培電力，直至充電到合理門檻值為止。  

對於許多要求大量頻寬的應用而言，預料USB 3.0將會是被全面採用的解決方案。以極為成功的USB 2.0為演進基礎，在多媒體使用需求，以及更高密度儲存技術的推波助瀾下，帶動USB 3.0的發展。USB 3.0勢必推動技術的演進，邁入被市場全面採納的階段。當使用者在前往機場的路上，能在不到1分鐘內傳輸完高品質的內容，這種美好的日子很快就會來臨。  

(本文作者任職於賽普拉斯)