USB 3.0即将迎来多媒体功能时代

1万 · 2011-5-12 23:00

本帖最后由 Go_PSoC 于 2011-5-12 23:01 编辑

USB 3.0即将迎来多媒体功能时代作者： Ashwini Govindaraman Sonia Gandhi 赛普拉斯半导体公司

引言您上次因技术速度不够快而等得不耐烦是什么时候？目前，传输一部25GB的HD电影需要大约14分钟，而将16GB的电视节目从PC传输到手持媒体设备需要将近9分钟。不过，技术创新的发展速度很快，用户可以借此进一步加快传输速度。最为常见的USB接口领域就是技术进步的一个方面。USB 3.0 SuperSpeed已经推出，有望大幅提升多媒体文件的传输速度。

1万 · 2011-5-12 23:01

本帖最后由 Go_PSoC 于 2011-5-12 23:03 编辑

在互联网和通信革命时代，我们迅速生成、处理和使用大量内容；与此同时，大容量存储技术也在经历重大创新。存储的成本的降低和密度的提升推动了内容共享的发展。用户不必再为硬盘空间而担心。摄影师能用几张存储卡随意存储尽可能多的照片，一张卡存满后就换下一张，因此工作得以大幅简化。上述存储使用模式不仅在企业和专业领域得到了迅速发展，在消费领域也同样如此。照相机和便携式摄像机正在向更高分辨率和更佳画质的方向发展，因而需要更快的互联速度以改善内容的使用。提升速度的需求非常之高，在此情况下，几家技术领先公司展开无缝协作，以求完美地解决技术问题。USB 实施者论坛在认识到下一代互联技术的迫切需求之后，已于 2008 年 11 月正式批准了 USB 3.0 规范。 USB 3.0 的主要目的就是在保留易用性、灵活性和热拔插功能的同时大幅提高数据传输速度。而电源管理是其另一大目的。这对需要在特性和电池工作时间之间进行折中的“Sync & Go”应用而言非常重要。 USB 3.0 芯片组预计将于 2009 年开始推出，并将于 2011 年开始广泛部署。PCI Express (PCIe) 附加卡和基于分离式主机控制器的 PC 今年正在各大业界展会上进行展示。USB 3.0 将带来全新的应用使用模式，并有望实现 3Gb/s 以上的实际吞吐率（原始信号传输速率达 5Gb/s），这比 Hi-Speed USB 快 10 倍之多。USB 3.0 将最先投放 PC 市场，用以支持需要较高传输速度和大容量数据传输的设备，如外部存储设备、消费电子产品和容量不断增加的通信设备等。在本文中，我们将以 USB 3.0 相对于前代技术的主要进步为重点，集中讨论从 USB 2.0 向 USB 3.0 的技术发展。我们还将讨论与终端用户和开发人员相关的 USB 3.0规范的一些关键方面，并评述 USB 3.0 相对于其他接口的优势所在。 从Hi-Speed到SuperSpeed USB 3.0 接口在物理 USB 2.0 总线的基础上增加了物理 SuperSpeed 总线。USB 3.0 标准定义了速率高达 5Gb/s 的双单工信号传输机制，相对于单双工单向USB 2.0 总线而言能同时实现数据与设备间的双向传输。USB 3.0 总线架构设计旨在与 USB 2.0 实现电气和机械上的后向兼容，这样 USB 3.0 主机就能根据连接设备的情况选择最快速的信号传输速率。反之，如果符合 USB 3.0标准的设备插入 USB 2.0 主机，也能无缝地以 USB 2.0 的信号传输速率进行工作。除了信号传输速度比 USB 2.0快10倍以外，USB 3.0还支持极为高效的传输模式。例如，异步通知取代了USB 2.0的探询模式。也就是说，如果数据或缓冲空间在USB 3.0主机启动事项处理时不可用的话，外接设备会返回“Not Ready”(NRDY) 响应。此后，如果设备能够满足请求，就会向主机报告“Endpoint Ready”(ERDY) 状态。 USB 2.0主机会向所有启动的下行设备发送数据包，强制所有设备解码随每个数据包接收到的地址。而USB 3.0主机只向目标设备发送数据包。这一发送模式是通过在传送的数据包中嵌入路由信息，并随之通过中间集线器对其进行解码来实现的。这种单一发送数据包的模式能使未启用的设备保持在较低功耗状态，而这只是USB 3.0所采取的几种节能技术中的一种。 USB 3.0规范使设备连接到主机时能获得高达900mA的电流，大大高于USB 2.0所设定的500mA电流限制。 USB 3.0架构： USB 3.0架构的设计灵感来源于分层PCIe架构和OSI模式。如图1所示，USB 3.0具有物理层、链接层和协议层。物理层包括PHY以及主机和设备或集线器和设备之间的连接。与PCIe PHY类似，USB 3.0 PHY也包括8b/10b编解码、数据打散 (data scrambling) 和还原以及序列化和反序列化功能。链接层确保链接的连接性，通过实施故障检测保证链接两端的数据完整性。数据包在链接层中创建，并发出链接命令。协议层管理设备和主机之间的端到端数据流。与USB 2.0类似，SuperSpeed总线也传输数据、地址、状态和控制信息。定义的数据包类型共有四种，其中事项处理包 (TP) 和数据包 (DP) 与USB 2.0标准一样，而另两种等时时间戳包 (ITP) 和链路管理包 (LMP) 则是USB 3.0标准中新增的。

图1：USB 3.0电气接口和分层架构

1万 · 2011-5-12 23:03

USB 3.0的电源管理 USB 3.0规范提供了增强型电源管理功能，可满足电池供电型便携式应用的需求。除了USB 2.0标准中的“挂起”（表示为U3）模式以外，还定义了另外两种“闲置”模式（表示为U1和U2）。U2状态相对于U1而言能够进一步节约电力，能让更多模拟电路系统（如时钟生成电路）进入静止状态，不过这会让从U2状态恢复到工作状态时花费更多的时间。挂起状态 (U3) 消耗的电力最少，不过其唤醒的时间也更长。在可编程时段下游端口如有休止即进入闲置模式，此外设备也可根据从主机接收的计划安排信息启动闲置模式。主机通过“数据包等待”、“突发结束”和“最后数据包”等标记向设备发送信息。根据这些标记，设备可决定进入闲置模式，而无需等待总线上出现休止状态。如果链接处于上述的某种闲置状态之一，则可通过低频周期信号发送 (LFPS) 进行通信，这种方式的功耗大幅低于SuperSpeed信号发送方式。事实上，不管是主机还是设备发送LFPS，都会退出闲置模式。 USB 3.0标准还引入了“功能挂起”特性。该特性能实现对复合设备各自功能的电源管理，从而灵活地挂起复合设备的某些特定功能，同时保持其他功能继续工作。借助USB 3.0实施的延迟容忍信息传送 (LTM) 机制，可以进一步节约用电。从报告ERDY状态到接收到反馈期间，设备可以通知主机其能容许的最大延迟。主机可根据这一延迟信息来管理系统电源。这样，在包括链接层、协议层和PHY层在内的USB 3.0系统所有层次上都提高了功效。图2显示了SuperSpeed和Hi-Speed数据传输期间的系统功耗比较图。USB 3.0系统在工作时需要更多电力，但由于其数据传输速度更快且采用了多种节能特性，因此其工作状态持续时间较短。SuperSpeed数据传输的耗电可比Hi-Speed传输节约50%。这对手机等移动手持设备的电池工作时间而言是至关重要的。

图2. SuperSpeed和Hi-Speed数据传输阶段中的系统功耗图中文字：PIDLE—在不进行数据传输时的系统功耗 PSS-ACTIVE—Super Speed 模式下的系统功耗 PHS-ACTIVE—High Speed 模式下的系统功耗
流和大容量存储存取 新型“流”模式可支持SuperSpeed的原始数据传输速度。数据的多个缓冲可设置为“流”并组织成为统一的大容量端点。每个端点可多路复用多达64k的流。“输入”和“输出”端点都支持流，而且每个流都采用ID标记。主机和设备都能建立与端点相关的“当前流”，还能根据需要对流进行截取。通过流模式，我们可实现命令排队所需的无序执行模式。目前，USB大容量存储类 (MSC) 标准是与存储设备通信的首选协议。但是，MSC协议具有一定的局限性，比如MSC主机一次只能发出一条命令，而且在命令处理过程中需要主机和设备进行频繁干预。这种内在的局限性会导致MSC传输出现严重的瓶颈问题，限制目前USB 2.0系统的吞吐率，并将严重影响未来 USB 3.0系统的吞吐率。流模式概念将支持更加强大的大容量存储协议。典型的通信链接包括命令“输出”管道、“输入”和“输出”管道（多数据流）以及状态管道。主机能实现命令排队，如无需等待前一个命令完成即发出新的命令，而且每个命令都用流ID标记。这样，流模式就将为减轻MSC的瓶颈问题发挥重要作用。 USB充电 相对于其他接口，USB接口的一个突出特性就是具备充电功能。USB在数个国家中现已成为首选的充电接口。较每个设备都用各自的充电器充电而言，用USB充电具有内在的优势，这不仅能减少不同厂商的专用充电器以降低制造成本，而且长期来看还能对环境保护带来巨大的积极作用。 USB 3.0主机和集线器支持《USB电池充电规范》所定义的电池充电方案。《USB电池充电规范》目前定义了三种类型的充电使用模式： 1 主机充电器——作为USB 2.0主机的主机充电器可为下游端口提供最高500mA的电流，并支持充电器检测。Hi-Speed设备从主机充电器获得的电流最高仅为900mA。 2 集线器充电器——作为USB 2.0集线器的集线器充电器，可为下游端口提供最高500mA的电流，并支持充电器检测。其充电功能与主机充电器的充电功能非常类似。 3 专用充电器——专用充电器通过USB接口供电，但不会列举设备。充电电流限定为1.5A。该规范还支持对电量完全耗尽的电池充电，可让电量完全耗尽或基本耗尽的电池从主机或集线器获得最高100mA的电流，直至其充电到适当的阈值。 USB 3.0系统将继续沿用通过USB充电的独特优势。 结论： USB 3.0有望成为许多高带宽应用中无所不在的解决方案。多媒体使用需求的不断提升以及更高密度存储技术的发展，必将推动从已经取得巨大成功USB 2.0逐步向USB 3.0发展。USB 3.0显然正处于技术成熟度曲线中的技术萌芽期，接下来它需要向人们展示它能够成功穿越期望膨胀期，并最终推向大众市场。或许有一天，我们只需不到一分钟的时间就能把所需的全部内容传输到移动设备上并将其带往机场，而这一天正在快速向我们走来。 作者：Ashwini Govindaraman 和 Sonia Gandhi 塞普拉斯半导体公司

1万 · 2011-5-12 23:04

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