增強(qiáng)了通訊協(xié)議及電源管理，USB 3.0總線更上一層樓
號(hào)稱為超高速通用串行總線的USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以來(lái)，即成為各方注目的焦點(diǎn)。USB 3.0最吸引人之處便是速度為USB 2.0的十倍以上，傳輸速率從480Mbit/s提升為5Gbit/s，但除此之外，USB 3.0還有許多其它優(yōu)點(diǎn)。本文將探討超高速USB通訊協(xié)議及電源管理相較于USB 2.0所新增與強(qiáng)化的功能。
圖1 USB 3.0的A插孔(左)及插頭(右)
您可能已經(jīng)聽(tīng)過(guò)超高速通用串行總線(Superspeed USB)，而且知道它是新一代的第三版通用串行總線(USB 3.0)。超高速USB最明顯的差異是速度提高十倍以上，從USB 2.0的480Mbit/s提升到5Gbit/s。
然而，USB 3.0除了速度提升外，當(dāng)初USB 3.0推廣小組(USB 3.0 Promoter Group)在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)也致力于改善總線的電源效率、盡可能維持向下兼容性，并改善提升數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，相較于USB 2.0，USB 3.0可說(shuō)是全面性地提升了USB接口的性能。
數(shù)據(jù)傳輸耗電量更精簡(jiǎn)
除速度提升外，USB 3.0最大的改進(jìn)，在于電源效率的提升，可協(xié)助延長(zhǎng)主機(jī)或周邊裝置等便攜式裝置的電池使用時(shí)間。此一新規(guī)格的開(kāi)發(fā)有許多作法可減少全新USB裝置的整體耗電量，其中包括取消裝置輪詢(Device Polling)、廣播封包(Broadcasting Packets)等機(jī)制，并定義了新的中間閑置狀態(tài)(Intermediate Idle States)。此外，由于數(shù)據(jù)傳輸速度提升十倍，因此單位數(shù)據(jù)傳輸所須消耗的電力也大幅降低。
在USB 2.0中，主機(jī)端(Host)控制器會(huì)連續(xù)輪詢樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中的各個(gè)裝置，以檢查這些裝置是否要傳送數(shù)據(jù)至主機(jī)系統(tǒng)。使用裝置輪詢意味著所有裝置必須完全運(yùn)作，并且能夠持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。即便各個(gè)裝置沒(méi)有數(shù)據(jù)可傳輸時(shí)，仍須對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的詢問(wèn)傳輸NAK(無(wú)數(shù)據(jù))響應(yīng)，此一過(guò)程會(huì)持續(xù)耗用電力，且會(huì)使得裝置與主機(jī)端均無(wú)法進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低功耗。在絕大多數(shù)狀況下，周邊裝置通常沒(méi)有任何數(shù)據(jù)可傳輸，輪詢機(jī)制只是平白浪費(fèi)許多電力。因此在USB 3.0中，裝置輪詢這項(xiàng)機(jī)制已經(jīng)被取消了。
將封包傳輸方式從廣播變更為導(dǎo)向(Directed)，亦有助于降低USB 3.0的功耗。在USB 2.0中，每當(dāng)主機(jī)端有數(shù)據(jù)須傳送至裝置端時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)以廣播的方式傳送到各個(gè)連接埠；在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中的各個(gè)集線器(Hub)也會(huì)在自身的各個(gè)下游連接埠重新廣播封包。因此，總線上的各個(gè)裝置必須處理數(shù)據(jù)，以判斷裝置是否為傳輸?shù)念A(yù)定目標(biāo)。換言之，若主機(jī)要傳輸給樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中的某一周邊裝置，整個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中其它裝置都會(huì)收到同樣的信息。這時(shí)其它非預(yù)定目標(biāo)的裝置必須判斷是否要接收、處理這些信息，這些動(dòng)作都會(huì)帶來(lái)額外的功耗。
因此，在USB 3.0中，規(guī)格制定小組將通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)變更為僅將封包導(dǎo)向至預(yù)定目標(biāo)，這只須要在主機(jī)端芯片設(shè)計(jì)作出部分變更即可實(shí)現(xiàn)。在USB 3.0中，主機(jī)必須明確知道各個(gè)裝置在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中的位置，包括下游的集線器連接埠。如果目標(biāo)裝置與主機(jī)之間透過(guò)多個(gè)集線器連接，則整個(gè)數(shù)據(jù)路徑中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)下游的集線器連接埠。這種設(shè)計(jì)可降低整體功耗，因?yàn)橹挥醒b置連接的特定下游主機(jī)及集線器連接端口必須傳輸數(shù)據(jù)，而且只有目標(biāo)才須處理數(shù)據(jù)。
第三個(gè)與減少耗電量有關(guān)的調(diào)整，則是新增兩個(gè)中間閑置狀態(tài)定義。在USB 2.0中，有ACTIVE及SUSPEND兩種狀態(tài)，在USB 3.0中，除了ACTIVE(U0)及SUSPEND(U3)之外，另有FAST EXIT IDLE(U1)及SLOW EXIT IDLE(U2)狀態(tài)，可降低裝置在不傳輸或接收數(shù)據(jù)時(shí)的耗電量。在FAST EXIT IDLE模式中，聯(lián)機(jī)會(huì)處于閑置狀態(tài)，但是裝置本身的頻率仍會(huì)持續(xù)運(yùn)作；在SLOW EXIT IDLE中，連結(jié)及頻率都會(huì)關(guān)閉，因而需要較長(zhǎng)的時(shí)間重新進(jìn)行連結(jié)，才能傳輸數(shù)據(jù)。至于ACTIVE與SUSPEND模式則完全相同。
傳輸速度增加十倍也使得整體耗電量減少，但這非指5Gbit/s收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)所需的電量少于480Mbit/s收發(fā)器。5Gbit/s收發(fā)器所需的峰值電流確實(shí)是USB 2.0收發(fā)器的二至五倍，不過(guò)雖然收發(fā)器運(yùn)作時(shí)短時(shí)間耗用的峰值電流較高，整體耗電量卻可因而減少。USB 3.0收發(fā)器的實(shí)際運(yùn)作時(shí)間減少約十倍，傳輸固定數(shù)量數(shù)據(jù)，例如將檔案從個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)移至隨身碟所需的整體功耗是USB 2.0的20～50%之間。
綜合上述設(shè)計(jì)變更與頻寬提升所帶來(lái)的效益，USB 3.0的耗電量大約是USB 2.0的三分之一或更少，因此導(dǎo)入U(xiǎn)SB 3.0，有助于延長(zhǎng)筆記型計(jì)算機(jī)等行動(dòng)運(yùn)算裝置的使用時(shí)間。
連接器/訊號(hào)設(shè)計(jì)保障向下兼容性
做為USB 2.0的后繼者，USB 3.0除了提升性能、降低耗電量外，還必須盡力維持新舊接口間的兼容性。因?yàn)閁SB 2.0號(hào)稱是PC史上最普及、最成功的接口，市場(chǎng)上已有數(shù)十億個(gè)USB 2.0裝置。USB 3.0不能讓這些既有裝置成為改朝換代下的犧牲者。
然而，從工程的角度而言，要用USB 2.0的纜線與連接器穩(wěn)定維持5Gbit/s的數(shù)據(jù)率，實(shí)為一大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)過(guò)審慎討論后，規(guī)格制定小組決定USB 3.0必須使用不同于USB 2.0的導(dǎo)體，但為了顧及兼容性，與USB 2.0有關(guān)的訊號(hào)應(yīng)保持不變。因此，最終標(biāo)準(zhǔn)制定小組取得妥協(xié)，除了原有USB 2.0的四個(gè)差動(dòng)對(duì)外，USB 3.0將額外使用兩組符合PCI Express電路規(guī)格的全雙工差動(dòng)式訊號(hào)，選擇使用符合PCI Express電路規(guī)格的全雙工差動(dòng)式訊號(hào)處理方法，加上接地屏蔽后，USB 3.0除了2.0原有的四條纜線導(dǎo)體與四個(gè)連接點(diǎn)外，額外采用五條纜線導(dǎo)體，連接器上的接點(diǎn)也增加五個(gè)。因此，USB 3.0的纜線內(nèi)含九條導(dǎo)體，連接器的接點(diǎn)也采用九點(diǎn)配置。
那向下兼容的真正意義為何？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。
USB規(guī)格有兩種基本的連接器類型，A插孔是現(xiàn)今PC上常見(jiàn)的類型，A插孔接受A插頭，鼠標(biāo)與鍵盤(pán)的纜線以及隨身碟連接器常采用A插頭。B插頭則用于周邊裝置，其中又分為標(biāo)準(zhǔn)、迷你(Mini-B)及微型(Micro-B)三種尺寸。
向下兼容的關(guān)鍵是新型超高速USB A插孔必須能夠接受新型(USB 3.0)與舊的(USB 2.0)A插頭，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是USB 2.0規(guī)格，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五個(gè)新導(dǎo)體。如此即可達(dá)到與USB 2.0相同的機(jī)械接口，并提供完整的向下兼容性(圖1)。
以周邊裝置而言，只單方面考慮插孔或插頭的的難度較高，因?yàn)楸仨毧紤]更多種連接器尺寸，如果同時(shí)考慮插孔與插頭則較為簡(jiǎn)單。因?yàn)樾滦蚒SB 3.0 B插頭不必要求能夠插入舊型USB 2.0 B插孔。如果裝置是USB 3.0規(guī)格，則只需要新型B插頭與纜線。如前所述，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已堪用，因?yàn)槔|線的另一端能夠插入于新機(jī)器中。新型B插孔(不論尺寸為何)必須能夠接受舊型及新型B插頭，才能達(dá)到向下兼容的效果，因此，不論尺寸如何變化，都必須在現(xiàn)有USB 2.0纜線可插入的范圍內(nèi)。
以下將介紹三種與USB 2.0相容的B端連接器選項(xiàng)。最直接的是標(biāo)準(zhǔn)B型。這是打印機(jī)、掃描儀及其它大型周邊裝置常用的較大尺寸插孔。原先的設(shè)計(jì)是在B連接器的頂端加上凸塊，以便于置入超高速訊號(hào)的新接點(diǎn)(以及導(dǎo)體)。圖2顯示標(biāo)準(zhǔn)B型插頭及插孔的型制。此類型的插孔接受舊型USB 2.0插頭或新型USB 3.0插頭。
圖2超高速USB B端插頭(左)及插孔(右)
針對(duì)Mini-B連接器，USB 3.0推廣小組決定不升級(jí)Mini-B連接器類型，其中有很多原因，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(wèn)題。至于Micro-B型連接器，由于已被全球許多機(jī)構(gòu)規(guī)定為手機(jī)電池充電的標(biāo)準(zhǔn)接口，以降低充電器浪費(fèi)丟棄的問(wèn)題，且現(xiàn)有Micro-B型插孔沒(méi)有足夠的空間可加入五個(gè)新導(dǎo)體，因此USB 3.0規(guī)格定義人員必須絞盡腦汁，在完全不變更USB 2.0 Micro-B插孔、插頭的前提下，設(shè)計(jì)出支持USB 3.0的Micro-B插孔與插頭。
最后規(guī)格制定小組決定采用如圖3的設(shè)計(jì)。與機(jī)械向下兼容性一樣，采用這種左右并列的設(shè)計(jì)可保留大量的裝置驅(qū)動(dòng)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(shí)儲(chǔ)存裝置。最后，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保留了現(xiàn)有USB的使用便利性。如此一來(lái)，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。
圖3 USB 3.0 Micro-B端插孔(左)及插頭(右)
導(dǎo)入雙工架構(gòu)總線使用效率大躍進(jìn)
如何更有效率地使用總線資源，也是USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)時(shí)的一大重點(diǎn)。前文所提及的取消輪詢機(jī)制，也可提升總線的使用效率。然而，USB 3.0所實(shí)行的全雙工架構(gòu)能夠允許同時(shí)雙向數(shù)據(jù)流，實(shí)為允許標(biāo)準(zhǔn)制定人員取消輪詢機(jī)制的關(guān)鍵所系。如前所述，裝置端的主機(jī)輪詢顯然既耗用總線的資源，又浪費(fèi)電力，但取消輪詢機(jī)制后，主機(jī)端與裝置端仍必須仰賴一套新的互動(dòng)機(jī)制，才能完成數(shù)據(jù)傳遞。
筆者在此舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，如果把教室當(dāng)作整個(gè)USB系統(tǒng)，主機(jī)控制器是老師，而學(xué)生則是裝置。在USB 2.0的架構(gòu)下，老師會(huì)在教室內(nèi)走動(dòng)，詢問(wèn)每個(gè)學(xué)生是否有問(wèn)題。學(xué)生有問(wèn)題時(shí)，老師會(huì)進(jìn)行解答。老師接著繼續(xù)在教室內(nèi)走動(dòng)，直到詢問(wèn)完每位學(xué)生是否有問(wèn)題為止，然后又從頭開(kāi)始詢問(wèn)學(xué)生。
但在USB 3.0的架構(gòu)下，情況就大幅改觀。因?yàn)閷W(xué)生只在有問(wèn)題時(shí)舉手，老師在確認(rèn)之后就會(huì)進(jìn)行解答。這是IN數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒酵ㄖ椒āＶ苓呇b置有數(shù)據(jù)需要傳送給主機(jī)時(shí)，會(huì)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(shí)，會(huì)將ACK(確認(rèn))傳送給周邊裝置。
表面上看來(lái)，USB 3.0的設(shè)計(jì)顯然合理又有效率多了，但在只有一組差動(dòng)對(duì)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 2.0中，采用USB 3.0的設(shè)計(jì)基本上是不可行的。因?yàn)閁SB 2.0只有一組差動(dòng)對(duì)，因此只能算是半雙工總線架構(gòu)，在此一情況下，每次數(shù)據(jù)流向改變時(shí)，總線必須隨之轉(zhuǎn)向。這表示當(dāng)聯(lián)機(jī)中一端的接收器關(guān)閉時(shí)，發(fā)射器必須隨之關(guān)閉。當(dāng)運(yùn)作完成后，再進(jìn)行反向，此時(shí)第一個(gè)裝置中的接收器開(kāi)啟，而后第二個(gè)裝置中發(fā)射器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。此一程序使得總線的停機(jī)時(shí)間增加，而造成效率降低。若此時(shí)有另一個(gè)傳輸需求出現(xiàn)，更有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。
第二個(gè)問(wèn)題是，在半雙工架構(gòu)下，任何指定的傳輸都必須先完成，下一個(gè)傳輸才能開(kāi)始進(jìn)行。這表示接收器必須確認(rèn)接收到數(shù)據(jù)，發(fā)射器在收到ACK之后，才會(huì)透過(guò)總線進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。圖4顯示USB 2.0的高層級(jí)OUT(從主機(jī)到周邊裝置)傳輸。
圖4 USB 2.0 OUT傳輸
在超高速環(huán)境中，每個(gè)裝置都有兩組差動(dòng)對(duì)，一組用于傳輸，一組用于接收，因此不會(huì)出現(xiàn)總線轉(zhuǎn)向失效時(shí)間，而發(fā)射器收到接收器發(fā)出的確認(rèn)前，也能夠進(jìn)行另一次傳輸。如此的變化使得收發(fā)器及接收器必須具備智能功能，以防范錯(cuò)誤發(fā)生。如果收發(fā)器收到的確認(rèn)訊息中表示接收的數(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(huì)使用點(diǎn)數(shù)來(lái)判斷收發(fā)器送出處理成功的ACK訊號(hào)之前，能夠一次處理的資料量，直到無(wú)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)傳送給周邊裝置(或周邊裝置將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī))時(shí)，便會(huì)從周邊裝置的賬戶中扣除一個(gè)點(diǎn)數(shù)。原始收發(fā)器收到ACK訊號(hào)時(shí)，會(huì)將一個(gè)點(diǎn)數(shù)重新發(fā)送至該周邊裝置的賬戶。圖5顯示USB 3.0 OUT傳輸運(yùn)作的方式。
圖5 USB 3.0 OUT傳輸
前瞻未來(lái)5年需求 USB 3.0消除傳輸瓶頸
在任何數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中，總是會(huì)遭遇瓶頸，訊號(hào)鏈中的某個(gè)位置會(huì)限制整個(gè)傳輸?shù)男堋ｋm然USB 2.0高速已經(jīng)可以滿足某些應(yīng)用所需，但是USB 2.0在過(guò)去幾年也成為許多PC為主應(yīng)用的瓶頸。事實(shí)上，這也成為了開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸新規(guī)格的重點(diǎn)：消除目前的瓶頸！
不論是外接式旋轉(zhuǎn)媒體，如硬盤(pán)機(jī)、光驅(qū)、固態(tài)硬盤(pán)或隨處可見(jiàn)的隨身碟，儲(chǔ)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)。
是否有許多儲(chǔ)存媒體能以接近5Gbit/s的速度讀寫(xiě)數(shù)據(jù)？目前還不多，不過(guò)，重點(diǎn)在于其它方面出現(xiàn)相同的瓶頸。未來(lái)超高速USB是否會(huì)成為瓶頸？有一天可能會(huì)，不過(guò)，除了某些極佳的硬盤(pán)機(jī)之外，超高速USB應(yīng)該在未來(lái)5年仍有能力進(jìn)行高速讀寫(xiě)。
概括來(lái)說(shuō)，USB 3.0推廣小組在開(kāi)發(fā)規(guī)格時(shí)，總是以這四個(gè)關(guān)鍵價(jià)值為前提：降低傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗、維持向下兼容性、提升頻寬利用效率，以及將原生位速率提高十倍以上。對(duì)于消費(fèi)者需要的實(shí)時(shí)同步功能，以及處理大量?jī)?nèi)容的消費(fèi)性產(chǎn)品所需的電池續(xù)航力，USB 3.0在上述四個(gè)層面上均作出改進(jìn)，且能夠在未來(lái)5年維持與閃存相關(guān)產(chǎn)品相同的表現(xiàn)水平。
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