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透过实作 掌握USB 3.0架构分层
你真的懂USB 3.0吗?

【作者: Rama Sai Krishna Vakkantula】2013年04月17日 星期三

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通用序列汇流排(USB)设计目的是为了标准化电脑周边的装置连结,提供通讯管道与电力输送,包括键盘、滑鼠、印表机、随身碟、硬碟机、以及可携式媒体播放器等装置。 USB是现今个人电脑与消费性装置最常用的连结解决方案。其随插即用、使用简单、易于建置等特色,使USB的使用不断扩展到各种新用途与市场。


1996年所发表第一版USB 1.0的规格,定义了两种传输速度,以支援当时各类型装置。其中,1.5Mbps(低速)是用来支援如键盘与摇杆等低速装置;12Mbps(全速)则是用来支援如硬碟等装置。 2000年发表了USB 2.0规格,最大传输速率达480Mbps(高速),是USB 1.0的40倍。


虽说480Mbps已经能满足现今市场上大多数装置的速度需求,但2008年再度推出新版USB 3.0规格,此新版规格的最大传输速率为5Gbps(超高速),是USB 2.0的10倍。


究竟哪些应用需要使用到超高速等级的讯号率?若以影像资料与储存的演进来看,就会发现高速资料传输仍无法满足现今市场的需求。传送未压缩的高画质影片(每秒30格的1080p),需要大约118MBps的速度。另外,根据SD记忆卡(SDXC)的最新3.0版规格,SD卡的容量最高可达2TB,时脉频率达208MHz,资料最大传输率可达104MBps,USB 3.0的速度无疑能满足这样的市场需求。


此外,USB 3.0规格的特色还包括电源管理,以降低电力消耗并提高输出电力,还能维持与USB 2.0的回溯相容性,USB至今一直维持与旧规格之间的回溯相容性原则。


本文后续将探讨USB 3.0之规格架构,并详述USB 3.0架构的各个分层。后面章节将列出每个分层(实体、链结、通讯协定等)与USB 2.0规格之间显著的差异,以及USB 3.0所提供的新电源管理功能。



图一 : USB3.0分层化架构如下图所示:
图一 : USB3.0分层化架构如下图所示:

USB3.0架构

USB 3.0架构包含实体层(Physical Layer)、链结层(Link Layer)、及通讯协定层(Protocol Layer)三个层级。


实体层

实体层是连结埠中的物理部分以及连结上行端(Upstream)与下行端(Downstream)的缆线。 USB 3.0缆线内有两对遮蔽双绞线,用来传送与接收资料,这些线路能和USB 2.0讯号并存运作。因此,USB 3.0缆线含有9个针脚,其中4个针脚是USB 2.0缆线的一部分。由于USB 3.0缆线支援较高的讯号率,其长度上限为3公尺。


USB 3.0的接头分A、B型接头,A型接头是用来连接主控(Host)的上行端,而B型接头则是用来连接装置的下行端。 USB 3.0标准A型接头和USB 2.0接头外型一样,只是多了数个针脚用来支援超高速功能。标准B型接头是针对硬碟与印表机这类较大型固定装置所规范,而微型A与B接头则是针对掌上型装置规范。所有USB 3.0插座都与USB 2.0插头维持回溯相容性。


USB 3.0主控端的电力输送,单位负载为150 mA。 USB 3.0主控端提供未配置装置1个单位的电流,已配置的装置则提供6个单位的电流。


USB 3.0主控端会根据接收器的终端电阻来侦测装置,而传送器就是负责执行的元件。 USB 3.0采用展频时脉传送讯号,能将讯号源扩大到更大的频谱范围,而非集中在较小的频谱范围内,这种作法有助于降低电磁干扰。 USB 3.0实体层支援低频周期讯号(Low Frequency Periodic Signaling;LFPS),能用来管理讯号启动,并能在汇流排上进行低功耗管理,在闲置的链路上减少电力消耗。


USB 3.0与USB 2.0实体层的差异

功能特色

USB 3.0

USB 2.0

传输速率

5Gbps

480MBps

资料介面

双重单工(Dual Simplex)

单向双工(Half Duplex)

USB缆线的针脚数量

9个(VBUS、Ground、D+、 D-、SSRX+、SSRX-、SSTX、SSTX-、Ground_Drain)

4个(VBUS、Ground、D+、D-)

线材长度

3公尺

5公尺

传输线中的数据线

有屏蔽差动线组
(STP、双绞线或双同轴 twinax)

无屏蔽双绞线(UTP)

汇流排供电量

未配置装置为150mA
已配置装置为900mA

未配置装置为100mA
已配置装置为500mA

主控端侦测装置

接收器终端电阻

D或D-线路上的上拉电阻


链结层

链结层负责维持主控端与装置之间通讯频道的可靠性与坚固性。链路训练与状态机器(Link Training and Status State Machine;LTSSM)位于USB 3.0链结层的核心,用以定义链路的连结和链路电源管理的状态与转换。 LTSSM包含12种状态:


连结层提供以下4种不同链路电力以强化电源管理:

  • ‧U0 – 正常运作状态


  • ‧U1 – 待机与快速恢复(PLL维持启动)


  • ‧U2 – 待机与缓慢恢复(PLL可能关闭)


  • ‧U3 – 休眠模式(Suspend)



U1、U2、U3的唤醒时间比U0长,因此允许传送器进入更深层的休眠模式。


4 种链路初始化与训练状态(侦测、轮询、回复、热重置)

2 种链路测试状态(回路与相容性模式)

SS.闲置状态(当USB 3.0无法运作,链路处于故障状态)

SS.关闭(当超高速汇流排被关闭,仅在USB 2.0模式下运作)

链路指令

用来维持链路流的控制,以及改变链路电力状态。


通讯协定层

协定层定义了主控端与装置之间的通讯规则。 USB 2.0的交易包含3种封包:记号(token)、资料(data)、以及交握(handshake),并透过主控端送出的凭证封包来启动。资料封包提供承载资料,透过主控端或装置传送出资料封包。交握封包由接收资料的一方送出,以通知资料收悉无误。


在超高速模式中,为了节省频宽,凭证封包会嵌入到资料封包内,一并进行OUT交易。在IN交易中,凭证封包被交握封包取代,举例来说,一个ACK封包向传送端告知前一个资料封包已送出,并要求传送下一个资料封包。


透过封包表头内的路由字串,系统将USB 3.0封包传送到特定装置。 USB 3.0不会透过轮询(polling)方式来查询装置的备便状态。若装置向主控端传出的IN 交易封包(TP)答覆「NRDY (未准备好)」,主控端就会停止与该装置通讯,直到装置送出「ERDY (准备好)」封包,告知已准备好传送资料。


USB 3.0支援以爆发模式(多个资料封包)传送资料,无须等候收到收悉讯息,这种协定可有效率地运用汇流排资源,透过汇流排同时传送与接收封包。传送器(主控端或装置)可透过爆发模式接连传送多个封包,而接收器可在不干扰到资料封包传输下,传送收悉讯息。此外,主控端还能在IN爆发传送作业的同时,排定多个OUT爆发传送程序。


为加强USB 2.0的大容量传输(bulk transfer)功能,USB 3.0加入「串流」的概念,因此能从一条管线(pipe)中同时接受主控端多项指令,并利用串流ID以乱序模式执行这些指令。


USB 3.0与USB 2.0协定层的差异

功能特色

USB 3.0

USB 2.0

汇流排交易协定

主控端藉由路由字串直接将封包传送到目标装置。但同步时戳封包(Isochronous time stamp packets)则例外。

主控端以广播方式传送封包至所有装置。
无路由字串。

非同步传输资料流

轮询资料流

IN/OUT同时双向传输

IN或OUT单向传输

资料传输类型

USB 2.0类型配合SuperSpeed​​ 限制条件。大容量(Bulk)传输模式支援串流传输

4种类型:控制、中断、大量、同步

最大封包容量

控制

512

64

中断

1024

1024

大量

1024

512

支援串流功能

不支援

同步

1024

1024


电源管理

所有分层皆建置电源管理功能


  • ‧实体层支援远端唤醒讯号传送。


  • ‧链路层支援进入与离开低功耗链路状态,过程中透过LTSSM以及链路指令提供协助。


  • ‧协定层支援端点忙碌/备便通知。


  • ‧装置支援功能暂停机制。若某个装置具备多种功能,可单独要求个别功能进入休眠状态。另外亦可要求整部装置进入休眠状态。


  • ‧集线器(Hub)会将下游链路的耗电状态转送到主控端。


  • ‧主控端支援ping/ping回应讯息传送机制。



系统层级的电力效率:


  • ‧非同步端点忙碌/备便通知。当主控端发现某个装置忙碌时,主控端就不会传送任何资料,一直等到装置明确通知已准备好通讯为止。当装置有空时,就会传送「ERDY」讯息来通知主控端。这种方式可节省耗电,因为主控端无须不停地询问装置是否有空。


  • ‧根据路由字串来传送封包,​​省去USB 2.0中的广播程序。


  • ‧装置在闲置时,亦可启动低功耗链路状态。




图二 : EZ-USB FX3高速USB 3.0周边控制器
图二 : EZ-USB FX3高速USB 3.0周边控制器

EZ-USB FX3是新一代超高速USB 3.0周边控制器,能让开发者轻易地将USB 3.0装置功能加到任何系统中。 EZ-USB FX3内含标准USB 3.0与USB 2.0实体层(PHY)元件,及一个32位元ARM926EJ-S微处理器,以提供资料处理功能,用来建构各种客制化应用。


EZ-USB FX3拥有一个可设定的通用可编程介面(GPIF II),能连结任何处理器、ASIC、或FPGA等元件。 GPIF II支援8、16、以及32位元的平行资料汇流排,最高支援达100MHz的介面时脉频率。


EZ-USB FX3内含512 KB的晶片内建SRAM记忆体,可用来储存程式码与资料。此外,还提供多种介面,可连结包括UART、SPI、I2C、以及I2S等序列周边。上图为EZ-USB FX3的内部模块图。


运用FX3打造UVC HD网路摄影机


图三 : 模块图
图三 : 模块图

在这部UVC HD摄影机的设计中,影像感测器连结到FX3的GPIF II。 GPIF II读取从影像感测器传来的未压缩HD串流资料,再透过USB把资料传递到PC。 FX3晶片中的I2C硬体模块用来初始化/设定这个UVC摄影机内的影像感测器。 FX3装置会被设置成PC的一部UVC装置。我们不需要驱动程式就能使用这款装置,因为UVC属于标准类别。


与影像感测器介面有关的讯号包括:


  • ‧讯框有效(Frame Valid,FV)– 表示讯框的起始与终止。


  • ‧线路有效(Line Valid,LV) – 表示线路的起始与终止。


  • ‧像素时脉(Pixel clock,PCLK)– 同步介面使用的时脉。


  • ‧资料 – 以8至32位元数据线路传送影像资料。



下图为FX3与GPIF II设计者工具内部影像感测器之间的介面。透过极具弹性的GPIF II设计者工具,使用者可设定FX3暂存器和任何类型的影像感测器建立连结介面。



图四 : FX3与GPIF II设计者工具内部影像传感器接口
图四 : FX3与GPIF II设计者工具内部影像传感器接口

在这部UVC HD摄影机的设计中,若需串流传送一部未压缩的半HD(每秒30格,720p,8位元色彩深度)影片,USB汇流排需要约56MBps的资料传输率。若要串流传送一部未压缩HD格式(每秒30格,1080p解析度,8位元色彩深度)的影片,USB汇流排必须达到约118 MBps的资料传输率。由于USB 2.0装置控制器无法支援如此高的资料传输率,因此需要藉由USB 3.0控制器(FX3)才能满足这些资料传输率的需求。


(本文作者任职于Cypress赛普拉斯半导体)


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