USB 3.0時代如何為接口提速? - 全文

　　USB從1996年推出至今已經(jīng)走過了十幾年的歷程，最早的USB 1.0速度只有1.5Mbps，兩年后升級為USB 1.1，速度也大幅提升到12Mbps，不過，今天此類接口的產(chǎn)品除了鼠標(biāo)外已近乎絕跡。近年來廣泛使用的USB 2.0接口產(chǎn)品，其速度達到了480Mbps，是USB 1.1的四十倍，但是USB 2.0的速度也早已無法滿足高清音視頻應(yīng)用的需求。

　　2012年4月底，隨著英特爾發(fā)布新一代的ivy bridge芯片組的原生支持USB3.0，更讓USB3.0走下神壇。成本的降低讓消費者買得起、用得起，普及性大為提升。另外，業(yè)界龍頭微軟將于2012年推出全新的Windows 8，其中裝載USB3.0原生驅(qū)動程序，這使得USB3.0主控芯片的使用者將獲得更好的兼容性，也帶動計算機、芯片供應(yīng)商大規(guī)模部署USB 3.0相關(guān)產(chǎn)品。尤其是USB 3.0接口大幅了提升USB 2.0接口的效能瓶頸，利用PCIe技術(shù)重新取得外部高速接口的規(guī)格優(yōu)勢，加上多埠支持的Host芯片技術(shù)日益成熟，將在PC和筆記本中大量裝載，吸引更多廠商支持USB 3.0高速接口，USB3.0接口將迎來全面普及時代。

　　目前，市場上各種USB3.0規(guī)格的電子產(chǎn)品及外設(shè)眾多，USB3.0最大傳輸帶寬高達4.8Gbps，傳輸速度比USB 2.0提升10倍，其最大優(yōu)點在于USB 3.0保留了即插即用功能并可充當(dāng)供電來源，且能與USB 2.0兼容，除了為廠商帶來更多利潤外，也讓使用者能夠方便升級，并享受其創(chuàng)新功能。除了臺式計算機和筆記本電腦等主機端，USB3.0還將應(yīng)用于各種計算機外部設(shè)備，包括U盤、外接式硬盤等。據(jù)研究機構(gòu)IDC的預(yù)測，到2015年，USB3.0出貨量將加速倍增至23億，其中50%將應(yīng)用在存儲功能上，這部分市場規(guī)模將達到400億元。業(yè)界認(rèn)為2012年第二季PC與筆記本裝載多埠USB 3.0高速接口的比例將大幅增加，其原因一方面是USB 3.0多埠Host芯片解決方案成本持續(xù)壓低，另一方面則是USB 3.0的外圍產(chǎn)品也不再局限于外接硬盤、U盤等產(chǎn)品，預(yù)計將會有移動電話、平板電腦、數(shù)碼相機等推出。

　　高性能USB3.0物理層IP

　　智原科技在USB3.0物理層IP的第一個產(chǎn)品就是2008年8月USB-IF協(xié)會在Intel舉辦的IDF上展出的全球第一個USB3.0原型。如圖1所示，USB3.0 物理層IP主要包含二大部分：PMA（Physical Medium Attachment Sublayer）和PCS（Physical Coding Sublayer）。

　　圖1：USB3.0 物理層IP主要包含PMA和PCS。

　　PCS部分主要是進行自動協(xié)商（Auto negotiation）及8b/10b編碼及解碼。自動協(xié)商通過兩個連接的設(shè)備選擇常見的傳輸參數(shù)，如速度和流量控制，在這個過程中，所連接的設(shè)備首先先各自以自已的最高速傳輸，再協(xié)商找出二邊都能支持的最高速作為傳輸模式。決定傳輸模式后，PCS即對被傳送和接受的信息編碼和解碼，目的是使接收器更容易恢復(fù)信號。

　　PMA部分主要處理模擬的高速信號，該信號速度高達5Gbps。在傳輸線方面，USB3.0支持長達3米的四線差分信號線及11英寸PCB。如圖2所示，5Gbps信號在長線纜上采用的是差分信號方式傳輸，從而避免信號被干擾及減少電磁干擾（EMI）問題。PMA電路分為以下六個主要模塊。

　　圖2：5Gbps信號采用差分傳輸可以減少電磁干擾。

　　并串聯(lián)（P2S，Parallel to Serial）：將較低速的并行信號轉(zhuǎn)成高速的串行信號。

　　展頻頻率產(chǎn)生器（SSCG，Spread Spectrum Clock Generator）：如圖3所示，在5Gbps的傳輸速度下往低速進行三角展頻。這一展頻的動作可使信號在傳輸線及PCB的信號傳輸時減少電磁干擾問題。

　　圖3：5Gb/ps的傳輸速度往低速做三角展頻。

　　TX Driver：該模塊將5Gbps的高速單端信號轉(zhuǎn)換成高速差分信號，并根據(jù)USB3.0規(guī)格產(chǎn)生3.5dB/6dB去加重（de-emphasis），在TX端口利用3.5dB/6dB去加重來加強高頻的能量，避免傳輸損失使得眼圖的開度變小。

　　低頻周期信號偵測器（LFPS Detector，Low Frequency Period Signal Detector）：如果鏈接處于某種閑置狀態(tài)，則可通過低頻周期信號發(fā)送低頻周期信號（LFPS）進行通信，這種方式的功耗明顯低于SuperSpeed信號發(fā)送方式。事實上，不管是主機還是設(shè)備發(fā)送LFPS，都會退出閑置模式。

　　RX Receiver：該接收器包含均衡器模塊和時鐘-數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊。均衡器接收高速5Gbps的高速信號，并對因傳輸損失的高頻能量做補償，使時鐘-數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊在鎖存數(shù)據(jù)時，眼圖擁有較大開度。

　　串并聯(lián)（S2P，Serial to Parallel）：將接收下來較高速的串行信號轉(zhuǎn)成高速的并行信號。

　　低功耗USB3.0設(shè)備控制器IP

　　USB 3.0控制器硬件電路主要處理USB3.0協(xié)議的數(shù)據(jù)與控制路徑。接口部分包括兩種接口模塊：一種是與USB 3.0物理層進行通信的PIPE接口模塊，另一種是與SoC芯片內(nèi)部AHB總線進行通信的AHB總線接口模塊，綜合結(jié)果顯示總線速度可以超過266MHz。USB 3.0設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。USB3.0鏈路層模塊（U3LKL）實現(xiàn)了USB 3.0規(guī)范第7章 “Link Layer Specification”所要求的指標(biāo)，整個模塊始終工作在125MHz。

　　圖4：USB 3.0設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)框圖。

　　模塊里包含了鏈路封包傳送仲裁器、鏈路封包接收器、鏈路封包提取器、鏈路有序集接收器、鏈路字節(jié)驅(qū)動器、鏈路擾頻/解擾器、鏈路層訓(xùn)練及狀態(tài)機等功能模塊。其中的鏈路封包傳送仲裁器從“協(xié)議層傳送封包接口”、“標(biāo)頭重試緩沖”以及“傳送鏈路命令模塊”等三個地方選擇數(shù)據(jù)來源。基于“鏈路層訓(xùn)練及狀態(tài)機”的狀態(tài)，8b_driver模塊會傳送諸如TSEQ、TS1、TS2或一般封包等相應(yīng)數(shù)據(jù)。擾頻器模塊將基于從TS2分析而得到的“鏈路配置字段”來決定是否傳送加擾數(shù)據(jù)到PIPE接口。

　　USB 3.0協(xié)議層模塊（U3PTL）負責(zé)處理從鏈路層模塊送入的SS 封包，并且決定適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，再將數(shù)據(jù)寫入BFM，更新與封包EP有關(guān)的上下文。協(xié)議層模塊決定響應(yīng)的類型，例如NRDY、ERDY、STALL、ACK以及PING_RESPONSE，該模塊還要從BFM的IN EP請求數(shù)據(jù)傳輸。如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了且標(biāo)頭是所期望的，該模塊也會將DP封包數(shù)據(jù)寫到BFM 的OUT EP，整個模塊同樣也工作在125MHz。

　　USB 3.0電源管理模塊（U3PWE）負責(zé)處理PowerDown模式以及發(fā)送和偵測LFPS信號的類型?；贚TSSM的狀態(tài)，U3PWE將會依照PIPE的規(guī)范來控制PowerDown模式。電源管理模塊工作在aux_clk時鐘域，該時鐘域在cclk和low_power_clk等兩個時鐘域間切換。在一般模式下，aux_clk就是cclk；在U3/Disabled模式下，aux_clk會被切換到low_power_clk以達到節(jié)省功耗的目的。

　　USB3.0產(chǎn)品的PCB布線設(shè)計

　　為維持USB 3.0 5Gbps超高速信號傳輸?shù)男盘柾暾?，?a target="_blank">PCB設(shè)計考慮時，需要確保特性阻抗的匹配，并采取抑制信號衰減的對策。特性阻抗的整合重點是配線幅度與配線間隔的調(diào)整以及通孔的設(shè)計；而信號衰減控制所涉及的領(lǐng)域，除了USB 3.0物理層傳輸電路與接收電路的設(shè)計之外，還需要注意PCB的設(shè)計。

　　一般消費類產(chǎn)品在進行PCB材料的選擇時，基于成本考慮因素會選擇普通的FR-4 多層板來設(shè)計，PCB 板廠商制造時會有±10%的誤差變化。這也是為何需要將差分信號線盡可能靠近的原因。同時，不同的PCB電路板材質(zhì)會有不同的介電常數(shù)，建議在預(yù)布線時與PCB板制造商討論PCB Stack-Up堆棧結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以符合高速線路阻抗控制條件。在實際設(shè)計時，建議可以通過調(diào)整走線寬度（Trace Width）來改變Z Diff，不建議調(diào)整線距S。通常，PCB線路板供應(yīng)商會提供線間距（Line-to-Line Spacing）的最小參考。

　　要設(shè)計一個具有USB 3.0差分傳輸線（Differential Signal）架構(gòu)的PCB，并符合信號完整性的測試要求，兩組差分信號高速信號線SSRX+/-及SSTX+/-的走線必須有良好的對稱性與合適的PCB Stack-Up堆棧結(jié)構(gòu)設(shè)計。PCB電路板的走線可以采用微帶傳輸線（Microstrip Line）方式來實現(xiàn)，一則阻抗較容易控制，二則可以避免穿過貫孔，造成阻抗不連續(xù)。走線布線（Trace Routing）必須考慮走線寬度與PCB電路板介質(zhì)厚度（H）對于微帶傳輸線特性阻抗的影響。以6層板PCB布局為例：頂層/上層銅泊的高度（t）等于1.7mils時，電路板的介電常數(shù)為Er = 4.0，tanδ= 0.023（PCB板FR4材料在高頻應(yīng)用時的典型數(shù)值），走線線寬為6mils，線間距為6mils，線路板介質(zhì)厚度（h）與傳輸線特性阻抗Z Diff的關(guān)系可以參考圖5。

　　圖5：線路板介質(zhì)厚度與傳輸線特性阻抗的關(guān)系。

　　在差分傳輸線架構(gòu)傳輸下，USB 3.0物理層傳輸電路的收發(fā)器電路的接收端SERDES電路會存在終端阻抗，而差分傳輸關(guān)注的是SSRX+/-及SSTX+/-兩組差分信號兩端的差分特性阻抗。差分特性阻抗所需的數(shù)值就是終端阻抗的兩倍。USB 3.0增加了SSRX+/-及SSTX+/-兩組差分信號，不同于D+/-這組信號使用帶直流準(zhǔn)位的信號，SSRX+/-及SSTX+/-都是用電容隔離直流準(zhǔn)位之后的交流差分信號。SSRX+/-及SSTX+/-兩組差分信號的方向是固定的，不同于D+/-信號采用半雙工模式，SSRX+/-及SSTX+/-兩組差分信號屬于雙單工模式。而差分信號可以降低電磁干擾，抗擾性能較好。

　　USB3.0完整解決方案通過兼容性測試

　　智原科技推出的USB 3.0完整解決方案，能夠使不同應(yīng)用的客戶都順利流片。主要的秘訣在于，智原科技的IP能夠完全通過USB-IF兼容認(rèn)證測試，USB-IF所進行的兼容性測試是為了確保所有使用者都能使用正常運作通過測試的USB設(shè)備。測試內(nèi)容包括電氣套件（Electrical Suites）、USB Command Verifier（USB CV）、鏈路層、Gold tree 等測試。電氣套件測試是由儀器廠商的電氣套件來檢測信號是否符合USB3.0規(guī)范；USB CV是Windows的應(yīng)用程序，用來根據(jù)檢測規(guī)格書中第九章所要求的setup命令來檢測設(shè)備；USB 3.0鏈路層測試確保了設(shè)計符合USB 3.0的通信協(xié)議。Gold tree 測試可以檢測設(shè)備在Windows環(huán)境下的實際表現(xiàn)，確保了在真實情況下的運作不會受其他USB設(shè)備的干擾。

　　智原科技的USB 3.0 IP已在許多客戶的產(chǎn)品上獲得驗證，通過USB兼容測試大會（Compliance Workshop-Plugfests）或測試實驗室（PIL）的USB兼容認(rèn)證測試。如圖6所示，客戶的產(chǎn)品可以通過安捷倫（Agilent）、泰克（Tektronix）、力科（LeCory）的電性測試解決方案，也能夠通過力科（如圖7所示）、Ellisys 的鏈路層測試方案，兼容性測試（Gold tree、CV）上能完全滿足NEC、Fresco logic等各家主控芯片廠商的要求。

　　圖6：通過Agilent的電性測試。

　　圖7：通過LeCroy的鏈路層測試。

　　本文小結(jié)

　　不少追求高速體驗的玩家已感受到了USB 3.0的優(yōu)勢。USB 3.0接口一般實測傳輸速率約370~390MB/s，大約可以容納500個頻道的DVD畫質(zhì)影音數(shù)據(jù)流，或100個頻道的HD高畫質(zhì)（720×480@60Hz）音視頻數(shù)據(jù)流；即使傳遞1個未壓縮的Full HD高畫質(zhì)電影數(shù)據(jù)流，也就是1，920×1，080@60Hz的數(shù)據(jù)流量（相當(dāng)于每秒190MB的大小），在USB 3.0的傳輸速度看來也是綽綽有余。面對USB 3.0飛速發(fā)展的風(fēng)潮，我們的日常存儲和數(shù)碼應(yīng)用也勢必會隨著電腦等硬件設(shè)備升級至USB 3.0而有所提升。USB 3.0成為市場主流已是不可阻擋的大勢所趨，智原科技提供的USB3.0完整解決方案將幫助客戶更快、更成功地切入市場。