挾高傳輸率特性　USB 3.0挺進儲存媒體應用

2009-12-23

李瑞棋

透過填補內部和外部儲存效能之間的隔閡，通用序列匯流排(Universal Serial Bus, USB)3.0為記憶體市場帶來一項決定性的轉變。由於USB 3.0能夠使外部驅動器達到與PC內部驅動器相同的資料傳輸速度，因此用戶可以比過去更加充分地利用外部記憶體。

USB 3.0無須改變PC電腦中USB連接器的波型因數(Waveform Factor)即可達到這種新的效能水準，並且在所有其他方面能夠完全向後相容。這樣，除了滿足儲存需求，USB 3.0還為各種記憶體應用提供了理想解決方案。

本文提供了USB 3.0的簡介以及影響USB 3.0應用的各種因素。儘管這裡關注的重點在於記憶體的應用，但同樣也提到一些其他應用，因為USB的通用性才是將這種介面用於外部磁碟機的主要原因。

對於儲存應用，假設將它們分別為用於外部和內部儲存介面，USB和串列式先進附加技術(Serial Advanced Technology Attachment, SATA)之間的關係特別有趣。由於現在的USB 3.0能夠支援磁碟機的最高轉換速率，這樣一來，就可以將通用的SATA驅動器用於外部USB 3.0的周邊應用。透過使用能夠橋接USB 3.0與SATA的元件，將USB 3.0介面加入到SATA驅動器是最直接的方式。

富士通(Fujitsu)最近推出一款高整合型USB 3.0-SATA橋接晶片，其利用能夠與現有系統輕鬆匹配的波形因數，讓晶片大大簡化個人電腦(PC)和Mac平台外部硬碟的建置流程，並提供USB 3.0埠與外部磁碟機間快速的資料傳輸。因此，這款元件將有助於那些考量於效能原因已經轉向外部串列式先進附加技術(External Serial Advanced Technology Attachment, eSATA)的USB應用，使得驅動器製造商可以輕鬆利用USB 3.0所保證的通用連接性。

USB 3.0異軍突起

USB 3.0也被認為是SuperSpeed USB，為那些與PC或音訊/視訊設備相連接的各種設備提供了一個標準介面。

從鍵盤到高傳輸量磁碟機，各種元件都能夠採用這種低成本介面進行可以運作順暢的隨插即用(Plug and Play)連接，基本上用戶不必費心太多在這上面。新的USB 3.0在保持與USB 2.0的相容性的同時，還提供了下列幾項強化的功能：

‧	大幅地提高頻寬
	最高可達5Gbit/s全雙工(USB 2.0則為480Mbit/s單工)

‧	讓主機為元件提供更多功率

實現USB充電電池、LED照明和迷你風扇等應用。

‧	讓主機更快地識別元件

‧	新的協定使資料處理效率更高

USB 3.0可以在記憶體元件所限定的儲存速率下傳輸大型檔案(如HD高畫質電影)。例如，一個採用USB 3.0的快閃記憶體驅動器，可以在3.3秒內將1GB的資料傳送到主機，而USB 2.0則需要33秒。

在透過寬頻網路連接能夠實現更多的媒體應用，以及消費性電子元件不斷增加解析度和儲存效能需求的推動之下，用戶將需要更快速的傳輸效能以簡化下載、儲存和共享大量的多媒體內容。而USB 3.0在為消費者提供其所需的簡易連接性上扮演了非常重要的角色。

當USB 3.0運用在消費性元件時，將解決USB 2.0無法識別電池功耗(Power Consumption)已用盡的問題。主機能夠透過USB 3.0緩慢降低電流，進而識別這些元件，例如電池已經壞掉的手機。

對於系統和特殊應用積體電路(ASIC)開發者而言，USB 3.0和矽智財(IP)的推出，保證了每個設備的要求都可以及時得到滿足。對於如USB 3.0般的標準，這種全方位的支援特別重要，因為高速、高階協定和各種電纜長度(從幾吋到幾公尺)將使設計和標準相容性成為一項挑戰。

與SATA規格保持競合

近幾年來，USB、eSATA和Firewire(IEEE 1394)爭相成為外部記憶體介面的各種元件，因而在個人電腦領域內都各自取得了多項勝利。就這一方面而言，SATA在消費性PC內部驅動連接性上取代了所有其他介面。儘管被稱為CFast的新型CompactFlash(CF)版本將採用SATA介面，但較早的並列式先進附加(Parallel Advanced Technology Attachment, PATA)技術在將CompactFlash作為儲存媒介的工業和嵌入式應用中仍繼續使用。

自2004年推出以來，eSATA已經可以在外部記憶體應用方面與USB 2.0和FireWire分庭抗禮。eSATA在SATA內部驅動器所支援的相同速率下，與外部元件互相傳輸資料。值得一提的是，eSATA介面可以支援高達3Gbit/s的資料傳輸率。即使實際速率會因為編碼而減低，eSATA的資料速率也完全足以當作最高速的硬碟驅動器，這種驅動器能夠以120Mbit/s的速度傳輸資料(實際約為90Mbit/s)。

儘管eSATA僅適用於記憶體應用，但它的效能使其能夠搶占USB 2.0和FireWire的市場。SATA的其他優勢還包括低處理器成本。USB 3.0的效能明顯優於eSATA和FireWire 800。在5Gbit/s全雙工下，USB 3.0比可以達到800Mbit/s的全雙工的eSATA和FireWire 800的速度更快。另外值得注意的是，eSATA的3Gbit/s資料是單工的，而USB 3.0提供的是全雙工。USB 3.0包括可選裝置，可用於傳輸無序資料，是磁片驅動搜尋時的最佳選擇。

USB 3.0/SATA橋接元件登場

為了將SATA硬碟驅動器輕易地應用在USB 3.0，富士通推出了MB86C30A單晶片解決方案，將USB 3.0和基於SATA/ATA/ATAPI的大容量記憶體進行橋接。這種橋接晶片將USB 2.0和USB 3.0的大量儲存要求轉移給SATA和ATA/ATAPI通訊協定。

MB86C30A USB 3.0微晶片採用富士通的高速串列I/O技術。不久的將來，在採用高速USB規格方面，利用65奈米(nm)互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術構建的晶片，將具備更低功耗和更大靈活性。富士通已經在「2009 SuperSpeed USB開發者協商會」上展示其USB 3.0從晶片，並證明它極為快速的傳輸速率。

此晶片符合於2008年11月發布的USB 3.0規格1.0及SATA規格2.6版本的要求。晶片還符合USB Mass Storage大量傳輸協定。圖1詳細說明了該晶片的主要功能。

圖1 富士通MB86C30A USB3.0-SATA橋接晶片

MB86C30A性能諸元剖析

甫推出的MB86C30A，在加密、電源管理、可客製化等方面表現不俗，以下分別加以說明：

在安全性方面，MB86C30A嵌入式命令解析器支援ATA命令集，具備一個高速加密引擎和直接記憶體存取(Direct Memory Access, DMA)控制器。由於加密功能是由硬體而非軟體進行控制，因此MB86C30A能夠讓USB 3.0的潛在傳輸速率(圖2)達到最大。晶片支援針對CBC-AEC加密標準的128位元和256位元的主要長度，以及針對XTS-AES加密標準的主要長度。加密引擎是以國家標準與技術研究院標準(National Institute of Standards and Technology, NIST)的標準AES代碼/解碼硬體引擎為基礎。

圖2　針對各種引擎標準的MB86C30A傳輸速率

‧	電源管理
	MB86C30A支援USB 3.0所推出的許多電源管理功能。例如當USB 3.0端點可以進行資料傳輸時，它會通知主機，這樣就減少查詢端點過程中所需功率。其他協定變更也是以類似的方式來節約功率，USB 3.0鏈路層(Link Layer)會根據匯流排的活動自動進入低功耗狀態。

‧	USB 2.0/USB 3.0和SATA的PHY和鏈路整合
	MB86C30A整合了一個實體層(PHY Layer)，在雙工線上(即DP和DM)都具有終端電阻。因此，其實只需要最少量的外部元件就可以達到與物理介質的簡單連結。

由於電磁干擾(EMI)在高頻狀態下容易出現更多問題，因此USB 3.0須要採用一個展頻時脈(Spread Spectrum Clock)，此時脈須在主機和每個端點中獨立產生。富士通橋接晶片的工作頻率為75MHz並整合展頻時脈產生器(SSCG)，藉此簡化系統設計並降低抗干擾元件的需求如旁路電容(Bypass Capacitor)、扼流圈(Choke)、磁珠(Ferrite Bead)等。

‧	高效能CPU和其他資源
	MB86C30A整合了一個高效能的32位元安謀國際(ARM)7處理器，具備一個64Kb的專用程式記憶體，工作頻率為75MHz。因此，利用可客製的韌體，開發人員就能建立差異化更高的外部SATA驅動器。通用型輸入/輸出(General Purpose I/O, GPIO)進一步擴展了元件的多功能性。

‧	SPI介面選項
	MB86C30A具有一個串列周邊介面(SPI)，用於提供與串列式快閃記憶體(Serial Flash)和電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPROM)的連接。

‧	可客製化功能(VID/PID)
	每個USB產品都具有單獨的供應商ID(VID)和產品ID(PID)。MB86C30A允許用戶可客製化晶片的供應商ID、產品ID及字串。

‧	輕鬆轉移
	為了達到從以往設計到USB 3.0的輕鬆轉移，MB86C30A採用與過去USB 2.0橋接特殊應用標準產品(ASSP)相似的封裝。這個64接腳Low-Profile Quad Flat Pack(LQFP)封裝具有0.4毫米的接腳間距，因此，有助於將印刷電路板(PCB)的生產成本維持在最低標準。

‧	符合多項標準
	MB86C30A符合《通用串列匯流排規格3.0》1.0版本、《通用串列匯流排規格》2.0版本、《Mass Storage大量傳輸協定》1.0版本以及《串列ATA規格》2.6版本。

‧	ATA和ATAPI元件支援
	目前，USB類驅動器屬於邏輯元件驅動(LDD)，提供了通用功能，並符合硬碟(HDD)及藍光(Blu-ray)的特定元件規格。

圖3為顯示外部硬體驅動器的方塊示意圖，這個驅動器可以用於PC或消費性電子應用。