面向多媒體應(yīng)用的超高速USB

USB 3.0是什么？你能用它來(lái)干什么？

USB 3.0推廣小組成立于2007年英特爾信息技術(shù)峰會(huì)。6個(gè)成員公司（惠普、英特爾、微軟、NEC、ST-NXP Wireless、德州儀器）起草了最初的規(guī)范，并與其他參與公司共同成立了由200名業(yè)內(nèi)專家組成的組織，以確保在規(guī)范發(fā)布時(shí)能夠獲得廣泛的支持。這個(gè)規(guī)范在2008年10月完成，任何希望采用它的公司都可以在2008年11月中旬獲得該規(guī)范。

圖1 超高速USB 3.0的標(biāo)識(shí)

超高速USB與舊版本之間最明顯的區(qū)別是速度提高了10倍以上：從480Mb/s提高到了5Gb/s。雖然USB 2.0高速，甚至USB全速（12Mb/s）和低速（1.5Mb/s）已經(jīng)可以滿足許多應(yīng)用，但是USB連接仍然可能成為其他應(yīng)用中的大瓶頸。

此外，超高速USB將繼續(xù)激發(fā)業(yè)界的創(chuàng)新思想，以開發(fā)新的應(yīng)用和設(shè)備來(lái)利用更好的性能獲益。5Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)該能夠?yàn)槲磥?lái)5年以上的時(shí)間提供發(fā)展空間。

新的電纜結(jié)構(gòu)
傳輸速度的增加給現(xiàn)有的USB 2.0電纜帶來(lái)了挑戰(zhàn)。超高速USB需要屏蔽差分對(duì)（SDP）電纜來(lái)確保信號(hào)完整性并最小化電磁干擾。同時(shí)，電纜的最大長(zhǎng)度也從USB 2.0的5m減少到超高速USB的3m。

物理層的電子信令方案也從簡(jiǎn)單的雙線制轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N雙單工（dual-simplex）數(shù)據(jù)通路。這是通過完全分離的連接實(shí)現(xiàn)的，而不再是現(xiàn)有USB 2.0中的雙線接口。這樣做的目的是能夠在3m電纜上實(shí)現(xiàn)5Gb/s的傳輸速率。此外，雖然需要為滿足電子信令方案而做出更改，但主機(jī)卻不用提供新的波形因數(shù)插頭或插座；如果可能，在外圍設(shè)備上也無(wú)須做出更改。

圖2 超高速USB電纜橫截面顯示了與2.0的差別

超高速USB信令方案
為了將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，推廣小組確定新的信令方案應(yīng)該與PCI-Express相似。這種連接保留了邊帶功能而無(wú)須額外增加電線，并且給接收端提供了檢測(cè)連接/斷開的功能。

超高速USB和PCI-Express的信令方案存在很大的差別。超高速USB不使用公共時(shí)鐘架構(gòu)。它在兩個(gè)邊帶上都需要擴(kuò)展頻譜，還需要接收端提供均衡功能。時(shí)間抖動(dòng)的處理也采用了不同的方式。同時(shí)，這種方案也沒有提供邊帶引腳用來(lái)進(jìn)行連接/斷開檢測(cè)，鏈路重置，電源管理控制或喚醒。

另一項(xiàng)關(guān)鍵的改變是提高了總線電源效率。這非常有利于延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命，這一點(diǎn)同時(shí)適用于主機(jī)和外圍設(shè)備。這種規(guī)范定義了極好的電源特性，特別是對(duì)于空閑鏈路而言。上行和下行端口都能夠使鏈路進(jìn)入低功耗狀態(tài)。本地電源管理控制使用多個(gè)鏈路功耗狀態(tài)以進(jìn)一步改善電源效率。另一種節(jié)能方法無(wú)須再對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行輪流檢測(cè)。

超高速USB標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵是盡可能地提供對(duì)USB 2.0的向上兼容性。如前所述，超高速USB的信令方案是通過不同的導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)不同于USB 2.0。

這一點(diǎn)給電纜和接頭工作組帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)：他們需要在插座和插頭上新增5根導(dǎo)線，還需要保證現(xiàn)有的USB 2.0插頭能夠插入超高速USB插座中，超高速USB 3.0插頭可以插入U(xiǎn)SB 2.0插座中，而且在所有情況下鏈路都能夠正常工作。

解決方案：在現(xiàn)有插頭和插座的插入面新增5條導(dǎo)線。這樣就提供了與USB 2.0相同的機(jī)械接口，提供了完整的后向兼容性（見圖3～圖5）。

圖3 超高速USB標(biāo)準(zhǔn)A型插座和插頭

圖4 超高速USB標(biāo)準(zhǔn)B型插頭和插座

圖5 超高速USB Micro-B型插座和插頭

現(xiàn)有的Micro-B型插座（見圖5）無(wú)法提供空間用于新增5條導(dǎo)線，因此需要進(jìn)行較大的更改，用同時(shí)提供2.0和3.0接口的方案。這種連接器應(yīng)該只用于小型的便攜式設(shè)備。為了避免不正確的插入，超高速USB Micro-A和AB型連接器與Micro-B型連接器在咬合栓和輪廓方面是不同的，但在其他方面則完全相同。

與機(jī)械后向兼容性一樣，這樣做的目的是保留大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施。相同的數(shù)據(jù)傳輸類型、中斷、塊狀和等時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備都保留了下來(lái)。最后，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保留了現(xiàn)有USB的易用性。

應(yīng)用和獲益
更高的傳輸速率減少了從計(jì)算機(jī)向便攜式消費(fèi)類設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的等待時(shí)間。最終用戶在使用帶有大量?jī)?nèi)容的設(shè)備時(shí)，比如音樂播放器、視頻播放器、數(shù)碼相機(jī)以及可攜式攝像機(jī)，希望得到極好的快速同步體驗(yàn)。

文件大小的急劇增加推動(dòng)了存儲(chǔ)容量的增加。10年以前，普通的數(shù)碼相機(jī)的圖片大小為1M。5年之后，這個(gè)數(shù)字變?yōu)?M左右。今天，許多照相機(jī)都產(chǎn)生14M大小的照片，而照相手機(jī)則是8M。推動(dòng)這種發(fā)展的動(dòng)力是存儲(chǔ)容量的增加，以及完美地存儲(chǔ)整個(gè)一周假期內(nèi)所有的照片的需求。可攜式攝像機(jī)也是同樣。它們提供照相功能（分辨率通常會(huì)低于一般的獨(dú)立照相機(jī)，但是分辨率也同樣在增長(zhǎng)），以及包括HD MPEG2在內(nèi)的高品質(zhì)視頻。這兩種錄制類型都需要頻繁地傳輸，也就是說(shuō)，需要頻繁地將這些文件上傳到其他位置以便重新拍攝。

同時(shí)，目前存在著一種過渡——要求能夠隨身攜帶可播放更加豐富存儲(chǔ)內(nèi)容的設(shè)備。DVD正在從標(biāo)準(zhǔn)清晰度電影（5.7GB）向高清晰度電影過渡（25GB）。

越來(lái)越多的內(nèi)容能夠隨身攜帶，首先是基于flash存儲(chǔ)器的音樂播放器，原來(lái)只能播放60min的音樂，現(xiàn)在逐漸過渡到有80GB存儲(chǔ)空間（可存放20 000首歌曲）的基于硬盤驅(qū)動(dòng)器的播放器。

接著，這種轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在能夠隨時(shí)播放視頻的便攜式媒體播放器（PMP）上，下一代PMP將能夠播放高清晰度電影。最后，新的商業(yè)模式（也就是類PVR設(shè)備中新視頻發(fā)布的“本地緩存”，可以下載到便攜式播放器中）會(huì)使得高速連通性成為大量文件傳輸?shù)那疤釛l件。

超高速USB會(huì)應(yīng)用到哪些領(lǐng)域？所有需要與計(jì)算機(jī)執(zhí)行“快速數(shù)據(jù)即時(shí)同步”的大容量存儲(chǔ)設(shè)備中。即時(shí)同步的目標(biāo)是不超過90s，超過這個(gè)時(shí)間，許多最終用戶會(huì)覺得難以忍受。

許多這種類型的便攜式設(shè)備使用了flash存儲(chǔ)器。容量將繼續(xù)增長(zhǎng)，這是由消費(fèi)者的需求，flash容量的急劇增長(zhǎng)以及成本的降低所引起的。

因此，基于flash的外圍設(shè)備將受益并最終需要高得多的超高速USB數(shù)據(jù)傳輸速率。其中，包括最常見的USB外圍設(shè)備——無(wú)處不在的flash驅(qū)動(dòng)器！表1總結(jié)了從USB全速到高速，再到超高速USB的用戶體驗(yàn)。

需要與個(gè)人計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行大量文件或較大文件快速移動(dòng)的多媒體應(yīng)用將會(huì)從超高速USB中獲益良多。它為那些需要在計(jì)算機(jī)和便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品之間同步多媒體數(shù)據(jù)的用戶提供了滿意的帶寬。