面向多媒體應用的超高速USB

USB 3.0是什么？你能用它來干什么？

USB 3.0推廣小組成立于2007年英特爾信息技術峰會。6個成員公司（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)布時能夠獲得廣泛的支持。這個規(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的標識

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)可以滿足許多應用，但是USB連接仍然可能成為其他應用中的大瓶頸。

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)新的應用和設備來利用更好的性能獲益。5Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸率應該能夠為未來5年以上的時間提供發(fā)展空間。

新的電纜結構
傳輸速度的增加給現(xiàn)有的USB 2.0電纜帶來了挑戰(zhàn)。超高速USB需要屏蔽差分對（SDP）電纜來確保信號完整性并最小化電磁干擾。同時，電纜的最大長度也從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單的雙線制轉變?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，在外圍設備上也無須做出更改。

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
為了將風險降至最低，推廣小組確定新的信令方案應該與PCI-Express相似。這種連接保留了邊帶功能而無須額外增加電線，并且給接收端提供了檢測連接/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不使用公共時鐘架構。它在兩個邊帶上都需要擴展頻譜，還需要接收端提供均衡功能。時間抖動的處理也采用了不同的方式。同時，這種方案也沒有提供邊帶引腳用來進行連接/斷開檢測，鏈路重置，電源管理控制或喚醒。

另一項關鍵的改變是提高了總線電源效率。這非常有利于延長便攜式設備的電池壽命，這一點同時適用于主機和外圍設備。這種規(guī)范定義了極好的電源特性，特別是對于空閑鏈路而言。上行和下行端口都能夠使鏈路進入低功耗狀態(tài)。本地電源管理控制使用多個鏈路功耗狀態(tài)以進一步改善電源效率。另一種節(jié)能方法無須再對所有設備進行輪流檢測。

超高速USB標準的關鍵是盡可能地提供對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線實現(xiàn)的，這一點不同于USB 2.0。

這一點給電纜和接頭工作組帶來了極大的挑戰(zhàn)：他們需要在插座和插頭上新增5根導線，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USB 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條導線。這樣就提供了與USB 2.0相同的機械接口，提供了完整的后向兼容性（見圖3～圖5）。

圖3 超高速USB標準A型插座和插頭

圖4 超高速USB標準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）無法提供空間用于新增5條導線，因此需要進行較大的更改，用同時提供2.0和3.0接口的方案。這種連接器應該只用于小型的便攜式設備。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。

與機械后向兼容性一樣，這樣做的目的是保留大量的設備驅動基礎設施。相同的數(shù)據(jù)傳輸類型、中斷、塊狀和等時存儲設備都保留了下來。最后，這個標準保留了現(xiàn)有USB的易用性。

應用和獲益
更高的傳輸速率減少了從計算機向便攜式消費類設備傳輸數(shù)據(jù)時的等待時間。最終用戶在使用帶有大量內(nèi)容的設備時，比如音樂播放器、視頻播放器、數(shù)碼相機以及可攜式攝像機，希望得到極好的快速同步體驗。

文件大小的急劇增加推動了存儲容量的增加。10年以前，普通的數(shù)碼相機的圖片大小為1M。5年之后，這個數(shù)字變?yōu)?M左右。今天，許多照相機都產(chǎn)生14M大小的照片，而照相手機則是8M。推動這種發(fā)展的動力是存儲容量的增加，以及完美地存儲整個一周假期內(nèi)所有的照片的需求?？蓴y式攝像機也是同樣。它們提供照相功能（分辨率通常會低于一般的獨立照相機，但是分辨率也同樣在增長），以及包括HD MPEG2在內(nèi)的高品質視頻。這兩種錄制類型都需要頻繁地傳輸，也就是說，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，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內(nèi)容的設備。DVD正在從標準清晰度電影（5.7GB）向高清晰度電影過渡（25GB）。

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

接著，這種轉變出現(xiàn)在能夠隨時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會應用到哪些領域？所有需要與計算機執(zhí)行“快速數(shù)據(jù)即時同步”的大容量存儲設備中。即時同步的目標是不超過90s，超過這個時間，許多最終用戶會覺得難以忍受。

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

因此，基于flash的外圍設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外圍設備――無處不在的flash驅動器！表1總結了從USB全速到高速，再到超高速USB的用戶體驗。

需要與個人計算機之間進行大量文件或較大文件快速移動的多媒體應用將會從超高速USB中獲益良多。它為那些需要在計算機和便攜式消費類產(chǎn)品之間同步多媒體數(shù)據(jù)的用戶提供了滿意的帶寬。