系统架构/连接器规格翻新　USB 3.1传输效能大跃进

    USB-IF透过更新USB 3.1规格的系统架构，让USB 3.1晶片除可以提供应用产品高达10Gbit/s的传输频宽外，还能拥有更理想的电源管理效率；此外，USB-IF亦针对行动装置轻薄化设计趋势，紧锣密鼓制定Type-C连接器与USB-PD规格，将助力USB 3.1介面加速渗透行动装置市场，以展现高速传输效能及高充电功率。

发表数年的第三代通用序列汇流排(USB 3.0)已经在桌上型电脑、笔记型电脑、外接式硬碟、随身碟等产品上随处可见，而USB 3.0的增强版已经在2013年7月由USB 3.0推广小组(USB 3.0 Promoter Group)正式揭露规格，且以USB 3.1之名，确立标准。USB 3.1可以提供10Gbit/s的传输速度，系USB 3.0的两倍，将可以满足对频宽需求愈来愈高的新应用，例如超高画质(UHD)电视、显示器及固态硬碟(SSD)等应用需求，同时还能向下兼容第二代通用序列汇流排(USB 2.0)。 
USB 3.1介面规格再升级

USB协会在USB 3.1规格里定义了一些新名词，将运作在5Gbit/s的USB标准称为Gen 1，运作在10Gbit/s的方案则称为Gen 2；而Gen X则代表可运作在5Gbit/s或10Gbit/s。如同USB 2.0介面叫做HighSpeed，USB 3.0介面称为SuperSpeed，未来运行在10Gbit/s的介面称之为SuperSpeedPlus，从图1的USB 3.1 Logo可以做出识别。而Enhanced SuperSpeed则是指可以支援Gen 1或更高速度的统称。总结如表1，图2则是这些新名词的参考模型。 


图1　USB 3.1 SuperSpeedPlus Logo　图片来源：USB-IF

图2　USB 3.1新名词参考模型　资料来源：USB-IF

整个USB 3.1新规格的系统架构目标很简单，除希望达到USB 3.0两倍的频宽外，也希望拥有更佳的电源管理效率；此外也必须达成在现有的作业系统(OS)驱动程式上就能运作的目的。目标虽然订的很简单，但是对USB 3.1的晶片开发者而言，整个系统架构从实体层(Physical Layer)，到链接层(Link Layer)，再到协定层(Protocol Layer)，都必须对应做某些程度的修改，才能符合USB 3.1规范。  

其中，改变最大的是实体层。为能达到10Gbit/s的高速传输效能，并且兼顾耗电表现，在半导体制程上，晶片开发者就必须选择更高阶的制程来相应。此外，5Gbit/s版本采用8b/10b编码，但在10Gbit/s版本采用的则是128b/132b编码。128b/132b编码的位元数较多，其拥有更佳的传输效率(或较低的编码损耗)，能达成更高的性能提升。  

USB 3.0内部采用8b/10b编码的讯号处理方式，因此资料传输时，表面上是10bit，实际上传输的讯号则是8bit，其资料通讯有20%的编码损耗，因此USB 3.0实际的最高资料传输速度为5Gbit/s×8/10=4Gbit/s=500MB/s。  

而USB 3.1内部采用128b/132b编码的讯号处理方式，因此资料传输时，表面上是132bit，实际上传输的讯号是128bit，其资料通讯的编码损耗只有3%(128/132=0.9697)，因此USB 3.1实际的最高资料传输速度为10Gbit/s×128/132=9.697Gbit/s≒1,212MB/s，是USB 3.0的2.4倍，而不仅仅是10Gbit/s与5Gbit/s单纯的两倍(表2)。  


其次，由于USB 3.1的高速传输物理特性，面临更严苛的讯号衰减、干扰和反射的问题。在5Gbit/s版本中，从主控(Host)晶片端到装置(Device)晶片端，USB协会过认证的要求是在长通道12英寸的印刷电路板(PCB)走线长度，加上3公尺长的缆线(Cable)。但是来到10Gbit/s版本，过认证的要求已经缩减至8英寸的PCB走线长度，加上1公尺长的缆线(图3)。  


图3　USB 3.1面临更严苛的讯号完整性的挑战　资料来源：USB-IF
考量10Gbit/s讯号完整性而限缩PCB走线长度和缆线长度，难免会影响到应用上的使用弹性。例如在桌上型电脑中，通常必须在前背板和后背版皆提供USB埠供使用；在17寸以上的大型笔电中，也通常必须在左右两边的海岸线皆提供USB埠。这样的应用范例中，Host晶片不论如何摆放，都很难达到每个USB埠到Host晶片的距离皆保持在4英寸以内，势将无法满足USB 3.1对讯号完整性的要求；而缩短到1公尺的缆线长度，同样也会让使用者的USB 3.1产品的摆放地点，受到些许限制。为解决这些应用上的限制，USB协会也在USB 3.1的规格中，新增加了USB Re-timing Repeater的规范，透过应用Re-timing Repeater晶片还原和放大USB讯号，让PCB走线长度能大幅增加；或透过使用Re-timing Repeater晶片来制作USB主动式缆线(Active Cable)，可让Cable长度增长到3公尺、5公尺甚至10公尺长，以满足各种应用对PCB布局与长缆线的需求。  

另外，在USB 3.1规格中，SuperSpeedPlus Hub和SuperSpeed Hub在架构上也有很大的不同，SuperSpeedPlus Hub变得更复杂，设计难度也变得更高。SuperSpeed Hub的架构如图4，其中的SuperSpeed Hub Repeater/Forwarder，负责向上传输埠和向下传输埠的行为处理，对所收到来自向上传输埠和向下传埠的封包做最小程度的缓冲，导引(Routing)与传送封包至向上传输埠和向下传输埠。其中的SuperSpeed Hub Controller负责处理Host与Hub间的沟通。  


图4　SuperSpeed Hub架构　资料来源：USB-IF
SuperSpeedPlus Hub的架构如图5所示。其中的SuperSpeedPlus Upstream Controller(SSP US Controller)，负责向上传输埠的行为，缓冲所收到来自向上传输埠的封包，缓冲并仲裁准备往向上传输埠传送的封包，导引封包至适当的目的地。其中的SuperSpeedPlus Downstream Controller(SSP DS Controller)，负责向下传输埠的行为，缓冲所收到来自向下传输埠的封包，缓冲并仲裁准备往向下传输埠传送的封包，导引封包至向上传输埠控制器。其中的SuperSpeedPlus Hub Controller负责处理Host与Hub之间的沟通。  


图5　SuperSpeedPlus Hub架构　资料来源：USB-IF
SuperSpeedPlus的Hub新增先储存再传输(Store and Forward)的行为模式，这一模式可以带来以下几个优点--最大化Hub上传频宽的使用率、可提供Host Controller对于传输做更佳的排程、透过提高U1/U2的使用，达到更佳的电源管理。  

至于如何最大化向上传输频宽的使用率呢？Host Controller可以藉由对Hub的多个向下传输埠，并行发起多个IN request，而非同一时间只能对Hub的一个埠，由于同一时间有多个传输要往上传送，势必在Hub内部要有存储空间来储存准备向上传输的封包，与一个仲裁机制来决定传输的顺序。  

SuperSpeedPlus Hub所须增加的缓冲空间如下：  

．在向上传输方向，每个向下传输埠接收器对非同步传输行为有16KB数据封包载体的缓冲空间，对同步传输行为也一样有16KB数据封包载体的缓冲空间，以及各自有十六个数据封包标头的缓冲空间给非同步传输行为和给同步传输行为。

．在向下传输方向，每个Hub对非同步传输行为有18KB数据封包载体的缓冲空间，对同步传输行为也一样有18KB数据封包载体的缓冲空间，以及各自有十八个数据封包标头的缓冲空间给非同步传输行为和给同步传输行为。

SuperSpeedPlus Hub的仲裁机制方式如下：  

．交易封包优先于数据封包

．同步传输资料封包优先于非同步传输资料封包

．加权后的所有非同步封包使用公平的轮序传输(向上传输时)

．于当前传输封包接近结束前才启动仲裁机制

透过这些新架构与机制，SuperSpeedPlus Hub将变得更聪明，可达到更佳的效能与省电效果。  

[@B]Type-C连接器现身[@C] Type-C连接器现身

着眼于现在行动电子产品轻薄化设计的趋势，USB 3.0推广小组在2013年12月宣布将开发新一代USB连接器，称为Type-C连接器，预计在2014年中将可完成新规格制定工作。  

Type-C连接器是以USB 3.1及USB 2.0技术为基础所设计。除支援USB 3.1资料传输速度10Gbit/s，连接器尺寸将与USB 2.0 Micro连接器相当，接口也不再有方向性，同时Type-C也将支援可扩展充电(Scalable Power Charging)的功能，适用于未来智慧型手机等行动装置的充电与高速资料传输。  

新的Type-C连接器和USB既有的Type-A/B、Mini-A/B、Micro-A/B连接器最大的改变是连接器与接口不再有方向性，类似苹果(Apple)所推出的Lightning连接器，将有正反面均可插入的功能，避免USB连接器因为正反面插错而造成损坏。然而这样设计的缺点就是它将无法相容于现有的各种USB连接器，并与现有的USB接口直接配接。因此Type-C规格中，也将会定义如何让使用者可配接新Type-C连接器到既有的USB标准产品上的方式。  

另一个Type-C连接器的主要目标，就是希望能取代既有的USB 2.0 Micro连接器，做为各种新行动装置的标准传输线规格。过去USB 2.0 Micro连接器，被许多智慧型手机等行动装置采用，但USB 3.0时代，Micro USB连接器宽度超过前代的两倍，对于轻薄化的智慧型手机而言太宽，连接器机构设计的耐用度也不如前代，因此鲜少有智慧型手机采用USB 3.0 Micro连接器。手机厂为了让新手机拥有USB 3.0的900毫安培(mA)高电流与高速传输优势，又不适合采用标准的USB 3.0 Micro连接器，便自行设计特殊规格的连接器，造成手机传输线规格各家不相容。USB协会便希望能透过推出这新一代Type-C连接器，来统一行动装置的传输线规格。这项新的业界标准，冀望能成为所有装置在资料、电力、影音传输上都可通用的唯一介面标准。  

USB 3.1渗透UHD影音应用市场

USB 3.1的传输速度来到10Gbit/s，频宽需求高的视讯与资料存取装置是最直接能受益的应用。随着超高画质(UHD)电视与显示器日益普及，其视讯串流对频宽的需求也更大，透过USB 3.1介面的高速资料传输，将能实现不须经过资料压缩，就能支援UHD设备。另外，随着SSD的技术精进，串列式先进附加技术(SATA)SSD现在动辄超过500MB/s的频宽，USB 3.0已经不敷使用，透过USB 3.1，便能将速度拉高到PCI-e Gen3的水平，让USB端不再是瓶颈。  

然而回顾USB 3.0发展的历程，当时由于从USB 2.0演进到USB 3.0有十倍速的精进，吸引众多国内外晶片厂商看好市场潜力而纷纷投入，光是USB 3.0到SATA桥接晶片，就有超过十五家晶片厂商投入。目前出货的PC与NB已是100%搭载USB 3.0，然而整体的USB 3.0周边装置应用渗透率，现在看来并不尽理想，虽然外接式硬碟已经全面转换到USB 3.0介面，但如USB 3.0随身硬碟、读卡机等等的周边应用，切换到USB 3.0的渗透率与进度，依旧大大不如预期，让许多厂商锻羽而归，当时的十五家厂商，现在存活下来的只剩四到五家。因此虽然预期今年下半年就有机会看到USB 3.1的相关产品推出到市场上，大部分厂商对USB 3.1投入的积极度与热度，远远不如当时的USB 3.0。  

USB 3.1要能开启应用，首先必须要有Host晶片问世。英特尔(Intel)与超微半导体(AMD)虽然一定会推出支援USB 3.1的晶片组，但它们会等到USB 3.1周边装置验证到一定程度后才推出。而USB 3.0 Host独立晶片的急先锋瑞萨电子(Renesas Electronics)重整改革计划后的产品组合，应该不会再投入USB 3.1 Host独立晶片的开发。目前比较明确会投入USB 3.1 Host独立晶片开发的公司，只有威盛旗下的威锋电子、睿思科技和祥硕科技。  

Host晶片之外，USB 3.1另一个很快会导入的应用，就是内含Hub晶片的扩充基座(Docking Station)。不论是英特尔之前力推的Ultrabook或现在主推整合平板电脑与NB的二合一(2-in-1)装置，其超薄外形设计仅能搭载很有限的输入/输出(I/O)接口，使用者若要外接其他设备，例如连接电视、大萤幕、网路线、印表机等等，就会衍伸出扩充基座的需求。扩充基座通常是以一个USB埠连接NB，并提供四个、七个甚至更多的USB埠扩充外接功能或设备。当下行的多个USB埠都同时运作时，整体传输速度的瓶颈就落在对上的那一个USB埠身上，因此USB 3.1的导入，能让扩充基座的效能明显提升。  

堪称有史以来最受PC消费者欢迎的USB介面，在度过辉煌的PC年代，来到行动装置主宰的时代，USB协会也不余遗力的推出相应的规格来增加竞争力。除推出增强版10Gbit/s的USB 3.1以外，也已陆续确定USB Power Delivery和SSIC(SuperSpeed Inter-Chip)规范。USB Power Delivery规范的目的是透过主控与设备间沟通的机制，以阶段提高电压与电流的运作方式，让USB埠电力的供给从USB 3.0的4.5瓦(W)、USB Battery Charging 1.2规范的7.5瓦，提高到最大达100瓦的程度，以取代各厂家不一致的交流对直流(AC-DC)电源供应器。而SSIC规范则是将USB的实体层替换成行动产业处理器介面(MIPI)低耗电、能自由调节速率的M-PHY实体层，让USB介面能成为行动装置内部晶片与晶片间的互连介面。还有USB Type C新连接器的规画，都可以看出USB协会对趋势的掌握与野心。