解析USB3.0系統(tǒng)可靠性

相反，如果信號的路徑靜止不變，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器就不需要使用再適應功能。在這種環(huán)境中，例如從來不需要移除任何線纜的服務器中，再適應功能有可能造成負面影響。在一個類似這種穩(wěn)定的應用中，可配置的信號均衡功能是最好的選擇。

表1：滿足USB3.0規(guī)范的最大線纜長度

　　3 高信號質(zhì)量推動成本的降低

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收器增加6dB的信號均衡度，可以大幅增加信號在SDP線纜的傳送距離，因此可以幫助解決線纜方面的困擾。如果在發(fā)送器也放置轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，總共可以增加12dB的信號均衡度，可以確保信號在超過3米的34AWG線纜中傳送，并通過認證測試（表1）。

　　增加信號均衡度可以讓信號在較長且便宜的線纜中傳送，可以讓消費者使用低價、有彈性、美觀和較細的線纜，而無需為減少信號損耗而購買較粗且昂貴的高質(zhì)量線纜。因此，如果考慮線纜的成本，使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器不但可確保產(chǎn)品按照預期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器會增加一個板上元件，但轉(zhuǎn)接驅(qū)動器只占極小的PCB面積（4平方毫米），這在便攜式設備中非常重要。

　　靜電釋放（ESD）是使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的另一個考慮。為降低系統(tǒng)的成本，USB接口很有可能被集成到主要的芯片組中，這樣不但USB接口控制器件對ESD沒有防備，而且整個芯片組都有可能被損壞，造成整個系統(tǒng)無法使用。因為轉(zhuǎn)接驅(qū)動器芯片位于連接器與發(fā)送器/接收器之間，所以可以隔絕內(nèi)置USB接口的芯片組。如果有ESD事件發(fā)生，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以保護系統(tǒng)的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個USB接口，讓系統(tǒng)的其他功能正常工作。

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須有認知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號平衡功能。由于轉(zhuǎn)接驅(qū)動器沒有設備身份識別ID，所以無法像USB終端設備一樣中止信息傳遞。如果轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以辨識通訊協(xié)議，便可支持接收器偵測和電氣閑置等功能，而不僅是回復和傳送信號。理想情況下，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將支持USB3.0規(guī)范定義的連續(xù)時間線性均衡技術(shù)，該技術(shù)與發(fā)送器期望遠端終端設備用來均衡信號的技術(shù)是相同的。最后，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須在不被察覺的情況下工作，否則轉(zhuǎn)接驅(qū)動器之后的根設備（root device）將不會被辨認，即使這種情況在實驗室中可以工作，但在實際應用中則不行。

　　4 雙向信號調(diào)節(jié)

　　實現(xiàn)消費應用是使用者期待USB3.0的價格于USB2.0一樣。USB2.0的一個重要設計考慮是能以很便宜的價格進行生產(chǎn)，因此許多制造廠商會錯誤地認為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設備。此外，必須降低成本的壓力將使制造商考慮使用低質(zhì)量線纜，或是讓接收器解決信號調(diào)節(jié)問題等快捷方式。因為市場對低價的集線器和周邊設備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線纜達到通過認證測試所需要的結(jié)果。但是，一般的使用者卻希望使用任何的USB線纜，系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。

　　在這種情況下，有責任心的制造廠商不得不面對市場上充斥著次級產(chǎn)品的問題：這些產(chǎn)品有價格上的優(yōu)勢，但是當連接到只有接收器有信號調(diào)節(jié)功能的設備時，可能不能穩(wěn)定地工作。也就是說，這些設備可以穩(wěn)定地接收信號，但是當向這些次級產(chǎn)品傳送信號時卻出現(xiàn)性能明顯降低甚至出錯。舉例來說，一個外接硬盤因為不良的信號質(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯誤的信息，使用者會認為這是硬盤的問題，而不是用在其它產(chǎn)品時看起來沒有問題的低質(zhì)量線纜或是集線器設備的問題，這將導致退貨增加，損失贏利。

　　在每一個外接的連接器上都裝一個接收用的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，可以確保信號在進入和離開時都可以得到正確恢復。此外，如果也對傳送出去的信號做調(diào)節(jié)處理，就算其它設備沒有在接收器做信號調(diào)節(jié)，產(chǎn)品設計工程師也可以確保設備通過任何長度的線纜，并與其它設備互通。

　　市面上的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收和傳送信號通道都具有信號調(diào)節(jié)的功能，因此可以確保與沒有接收信號調(diào)節(jié)功能的低質(zhì)量設備的連接。單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器具有可以分開調(diào)節(jié)接收和傳送信號路徑的靈活性。

　　另一個使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品時的特點是電源電壓的靈活性。例如，服務器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個可以選擇前面任一個電壓的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品可以滿足兩個市場，因此可以用更大的整體出貨量來壓低價格。，此外，其內(nèi)置的LDO功能則可以節(jié)省一個外接的LDO元件。

　　5 有關(guān)時鐘和信號交換的問題

　　USB控制器芯片、器件、終端設備、集線器和內(nèi)置USB接口的處理器都需要一個準確可靠的時鐘源。時鐘信號在保持良好的SuperSpeed USB信號質(zhì)量方面扮演著非常重要的角色，因為當時鐘速度增加時，可用的抖動預算就減少了。

　　把時鐘技術(shù)看成一種陳舊的技術(shù)是一個常見誤解。事實上，時鐘技術(shù)（尤其是在高速度時）是極精密的技術(shù)。由于高速度時鐘比較昂貴，比較節(jié)省成本的方法是把較低速度的時鐘信號以數(shù)倍增加。但是，把低速度的時鐘信號數(shù)倍增加到高速度時，所產(chǎn)生的抖動也會以同樣倍數(shù)放大，從而占用了有限的信號裕度。產(chǎn)品設計師的挑戰(zhàn)是平衡輸入速度（等同價錢）和產(chǎn)生的抖動，因此時鐘緩沖器只能容許非常低的抖動，這樣當時鐘信號倍增時，不會產(chǎn)生過大的抖動。

　　同樣，USB交換器必須提供平滑轉(zhuǎn)換。比如，交換器可以減少擴展塢等實際應用中使用的信號接口，降低成本。通過保持低電阻和低阻抗，交換器可以保持低的輸入信號損耗，不讓信號的瑕疵反饋到發(fā)送器，從而保持信號完整性。

　　6 使用USB管理智能以節(jié)省耗電

　　許多消費型USB3.0終端設備使用電池，因此USB3.0具有幾個新的省電模式，包括閑置（idle）、睡眠和暫停（suspend）模式。產(chǎn)品設計師可以利用這些新功能，關(guān)閉轉(zhuǎn)接驅(qū)動器信號電路以延長產(chǎn)品工作時間。

　　USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨開關(guān)。發(fā)送器的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的電源管理比較簡單，當沒有信號傳送時可以直接進入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復雜，因為隨時都有可能接收信號，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須具有支持復雜前端信號偵測能力的機制，才能保持器件的透明性。

　　當有連接到其它設備時，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓（electrical idle threshold）來檢查是否有信號傳輸。當信號在閾值電壓下，表示沒有信號輸入，可以進入深層睡眠模式。這個閾值電壓一般是100mV，但如果想要增加通過長距離線纜傳送的低電壓信號的敏感度，可以將它調(diào)節(jié)到更低的60mV。例如，數(shù)碼電視的USB接口可能連接其它非常遠的電子裝置，因此需要較高的敏感度來偵測信號。服務器應用中的USB3.0接口，因為使用較長的PCB布線，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。

　　7 USB3.0

　　熟悉PCI Express Gen 2的產(chǎn)品設計師，可能會比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設計，因為USB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的鏈接初始化、封包結(jié)構(gòu)和錯誤修復方式。此外，這兩種通訊協(xié)議使用完全相同的發(fā)送和接收模塊和單元，包括加擾碼、8b/10b編碼、串行器/解串器等。

　　USB3.0和PCI Express Gen 2的相似之處會大大減少PCI Express Gen 2的應用，特別是因為USB3.0的信號傳輸量和不需要再次轉(zhuǎn)譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來說，USB3.0已經(jīng)設計在擴充塢里，因為USB3.0不像PCI Express Gen 2信號需要再次轉(zhuǎn)換（需要使用HBA 或是PCI-USB控制器）。使用USB3.0擴充塢就將有集線器扇出信號的功能，因此可簡化整體架構(gòu)并且減少成本。

　　USB是當今最普遍的消費電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCI Express相比占有強大的優(yōu)勢。因為USB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設備，從PCI Express Gen 2平臺轉(zhuǎn)向USB3.0的供應商可以立即進入這個龐大的市場。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設計USB3.0產(chǎn)品的難度，但由于USB2.0和USB3.0共享連接器，所以大多數(shù)難題都在芯片設計當中。

　　PCI Express Gen 2仍然在明確的芯片外接口占有一席之地，包括處理器的內(nèi)部總線接口和其它的服務器、儲存、嵌入式應用等。當然，這現(xiàn)存的優(yōu)勢的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的內(nèi)置接口。

　　預計USB3.0將和其它新的和舊的接口規(guī)格競爭，如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等連接監(jiān)視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價格，當集成至芯片組之后，沒有理由不會用來連接監(jiān)視器。USB3.0不會完全取代HDMI和DisplayPort通訊協(xié)議，因為它們各自都有增加自己的應用范圍。比如，HDMI因為具有反向通道能力而在監(jiān)控攝像機市場具有影響力。但能預期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個USB接口的其它通訊協(xié)議應用的市場占有率。

　　8 結(jié)語

　　USB3.0在很多方面會改變電子市場的現(xiàn)狀，但為要達到高性能和穩(wěn)定性，必須使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品來補償PCB、連接器、以及最重要的線纜信號損耗。消費應用無法接受用來保持信號完整性的高價的高速度元件，但也不能忍受信號完整性問題帶來的應用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器恢復信號質(zhì)量，工程師可以保持良好的信號裕度，以便用更長的線纜，或使PCB布線有更高的靈活性。他們也將確保產(chǎn)品的設計不僅可以通過嚴格的USB3.0認證測試，也可以使用低質(zhì)量的線纜并與其它USB3.0設備具有很好的互操作性。