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USB3.0

  来源:互联网  发布时间:11-17

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核心提示:  许多人看到的USB技术,仅仅是接口与线缆,但很少有人关心在USB接口中,数据是以何种形式被传输和处理的。在今天的台式机和笔

  许多人看到的USB技术,仅仅是接口与线缆,但很少有人关心在USB接口中,数据是以何种形式被传输和处理的。在今天的台式机和笔记本电脑中,作为电脑主机,他们都包含了主机控制器。这个小小的芯片内具有一系列的逻辑管道,它负责管理主机和设备之间各种数据的传输。目前的Hi-SpeedUSB接口,即USB2.0接口采用的是一种半双工的结构,也就是说,数据传输只是单向的。首先外设装置发送信号到电脑,再由电脑发送信号到外设装置,两者不同同时互传信息。另外无线USB技术与有线的USB技术并不相同。他们采用的是超高频的无线信号,只有使用距离的约束。

  在USB3.0规范中,它将会有自己专用的数据通路,专用的数据发送线路和独立的数据接收线路。因此,在主机与外设之间进行数据通信的时候,可以真正实现全双工。主机与外设都可以同时发送和接收数据。

  另外数据传输的速率也将得到极大的改善,可以实现5Gb/s的数据传输能力,每个方向可以实现4.7Gb/s的数据吞吐量。而目前最快的USB2.0规范中,仅仅可以实现单向的480Mb/s。

  无论是主机还是外设,所有的数据传输都可以在同一时间爆发,这些专用的数据收发通道可以将数据周转的时间减小到最低,同时他们可以同时发出操作请求。USB3.0接口向下兼容以前的USB2.0和USB1.1接口。如果消费者有一款非常漂亮的数码相机支持USB3.0接口,那么他仍然可以将里面的图片导出到具备USB2.0接口的老式台式机中。也就是说,新的USB3.0接口仍然能与老式的USB2.0设备联通。

  USB3.0最大的优势就在于它超快的传输速度,当你传输整部高清视频这样的大文件时,它的优势将更加明显。现有外设接口不能满足我们的这些需要,我们不能眼睁睁的看着拷贝文件的进度条,一格一格的向前蠕动。

  新的USB接口规范将会极大的减少接口的类型。在这之前USB2.0规范定义的非常糟糕,各种类型的USB2.0接口漫天飞,形式非常混乱。扑朔迷离的接口名称和各种不同的传输速率让消费者一头雾水。当USB3.0接口真正到来的时候,消费者脑中只有一个概念--这是一个真正通用的USB接口。

  最令人感到困惑的就是无线USB,消费者非常容易将它与WiFi相混淆。但除此以外,大多数消费者都能理解通过使用USB接口和相应的线缆,将自己的MP3播放器链接到自己的电脑上去。最大的挑战就是USB3.0接口的易用性。这就属于营销学一个设计问题了,SuperSpeedUSB将会有一个全新的LOGO,真正的USB3.0接口的颜色也会有别于其他。这样消费者可以一眼就将它们辨识出来。>USB3.0的发展历程

  通用串行总线(UniversalSerialBus,USB)是连接外部设备的一个串口总线标准,在计算机上使用广泛,但也可以用在机顶盒和游戏机上,补充标准On-The-Go(OTG)使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。

  USB最初是由英特尔与微软公司倡导发起,其最大的特点是支持热插拔(Hotplug)和即插即用(Plug&Play,PnP)。当设备插入时,主机枚举(enumerate)此设备并加载所需的驱动程序,因此使用远比PCI和ISA总线方便。

  USB速度比并行端口(ParallelPort,例如EPP、LPT)与串行接口(SerialPort,例如RS-232)等传统电脑用标准总线快上许多。原标准中USB1.1的最大传输带宽为12Mbps,USB2.0的最大传输带宽为480Mbps。近期推出的USB3.0更从480Mbps提升到4.8Gbps以上。

  USB的设计为非对称式的,它由一个主机(host)控制器和若干通过hub设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有5级hub,包括Hub在内,最多可以连接127个设备,而一台计算机可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同,USBhub不需要终结器。

  目前USB接口的发展史,经历了大致四个时期:

  预发布期:Pre-Releases

  USB0.7:1994年11月发布。

  USB0.8:1994年12月发布。

  USB0.9:1995年4月发布。

  USB0.99:1995年8月发布。

  USB1.0RC:1995年11月发布。

  USB2.0时代

  USB2.0:2000年4月发布。

  增加更高的数据传输速率480Mbit/s(nowcalledHi-Speed)。根据工程变更通知(EngineeringChangeNotices|ECN)进一步改进的USB规范。USB2.0中最重要规范的ECN可以在USB.org查到:

  Mini-BConnectorECN:2000年10月发布。规范了Mini-B的插头及插座标准。注意不要与Micro-B插头及插座混淆。

  ErrataasofDecember2000:2000年12月发布。

  Pull-up/Pull-downResistorsECN:2002年5月发布。

  ErrataasofMay2002:2002年5月发布。

  InterfaceAssociationsECN:2003年5月发布。添加新的描述符以便将多重接口关联在在单一设备功能中。

  RoundedChamferECN:2003年10月发布。一项针对Mini-B接口坚固性的建议性、兼容性改进。

  UniCODeECN:2005年2月发布。这项ECN指定了字串可以使用UTF-16LE编码。USB2.0曾指定可以使用Unicode,但没有指定编码。

  Inter-ChipUSBSupplement:2006年3月发布。

  On-The-GoSupplement1.3:2006年12月发布。USB直连(USBOn-The-Go)允许两个USb设备不经独立USB主机端直接相互通讯。实际使用中,是其中一个USB设备作为其它设备的主机端。

  BatteryChargingSpecification1.0:2007年3月发布。添加了对充电器(有USB接口的电源适配器)的支持,当供电端(作为充电器的USB主端口)和电池连接时,它允许瞬间通过100mA的电流。如果一个USB设备连接到专用充电器或主端口时,最大瞬间电流可达1.5A。(该文档并未包含在USB2.0规范中。)

  Micro-USBCablesandConnectorsSpecification1.01:2007年4月发布。

  LinkPowerManagementAddendumECN:2007年7月发布。在启用与待机间增加了新的电源模式。当设备处于这个模式时不向其发送指令以减少电源消耗。所以,在启用及睡眠模式间切换要比在启用及待机模式间切换来的快得多。

  High-SpeedInter-ChipUSBElectricalSpecificationRevision1.0:2007年9月发布。

  USB3.0时代刚刚开始

  2007年9月18日,PatGelsinger在英特尔信息技术峰会上演示了USB3.0,又称为SuperSpeedUSB。USB3.0标准由Intel和HP、NEC、NXP、微软以及德州仪器共同开发,USB3.0的目标是提供当前十倍的带宽,利用新增的两对高速线路开启的“Superspeed”模式,可以达到约4.8Gbit/s(600MB/s),并且可能使用光纤连接。

  USB3.0的技术规范于2008年8月13日发行,其商业产品预计于2009年或2010发行。USB3.0新增了5个触点,两条为数据输出,两条数据输入,采用发送列表区段来进行数据发包,新的触点将会并排在目前4个触点的后方。USB3.0暂定的供电标准为900mA,将支持光纤传输。USB3.0的设计兼容USB2.0与USB1.1版本,并且使用了更有效的协议来节约能源。>USB3.0的竞争对手

  从USB1.1的12Mb/s升级到USB2.0的480Mb/s,提升幅度达到了40倍,而从USB2.0标准升级到USB3.0标准仅为10倍,但这10倍速度的提升却有着很大的应用意义,既然USB3.0的数据传输率达到了4.8Gb/s,要远远高于其他传输标准,比如IEEE1394的数据传输通常为400Mb/s~3.2Gb/s之间。同时新一代eSATA标准也仅有3Gb/s的数据传输率,目前SATA协会还在研发更强的SATA标准,预计下一代SATA接口会达到6Gb/s。那么究竟以后的电脑外置设备能否被USB3.0所统一呢?还是继续着群雄割据的局面呢?

  事实上,别看USB3.0的数据传输速率这么惊人,但是小编认为其他如IEEE1394和eSATA这类接口的地位也是难以撼动的。因为他们的数据传输方式有较大的差异,同时这也就注定了他们的应用领域各有特色。也许新一代的USB3.0和eSATA可以在外置硬盘方面对抗一下。不过介于原生SATA信号的eSATA,在磁盘控制,数据容错和传输速率方面要比USB3.0强不少。再加上目前eSATA已经开始在主板上得以普及,先入为主的eSATA有着得天独厚的优势。

  再说IEEE1394,目前它的最大数据传输速率为3.2Gbps,在速度上落后于USB3.0,但提供了点对点传输功能,这样不用依赖PC即可实现设备之间的数据传输,同时支持同步和异步传输模式,可以连接63个设备,可以同时传输数字视频及数字音频信号,并且在采集和回录过程中没有信号损失,使得IEEE1394接口更加适合多媒体设备(如DV机、采集卡)。因此在这些特定领域,仍然具有较强的生命力。小>USB3.0的相关标准

  目前USB3.0已经可以基本确定会在2009年推出,作为下一代高速连接标准,USB3.0的数据传输速率可达目前广泛采用的USB2.0的10倍,即达5Gbps。可以在60~70秒钟内传输一部27GB的高清电影。那它究竟是如何来实现这一速度的呢?

  USB3.0将采用一种新的物理层,其中,用两个信道把数据传输(transmission)和确认(acknowledgement)过程分离,因而达到较高的速度。

  为了取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制,新的规格将采用一种封包路由(packet-routing)技术,并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输。

  新的链接标准还将让每一个组件支持多种数据流,并且每一个数据流都能够维持独立的优先级(separateprioritylevels);该功能可在视频传输过程中用来终止造成抖动的干扰。数据流的传输机制也使固有的指令队列(nativecommandqueuing)成为可能,因而能使硬盘的数据传输优化。最终数据的上传和下载使用不同通道,即使同时并行也不会相互阻碍。

  USB3.0接口将分为A、B两种公口(Plug),而母口(Receptacle)将有B和AB两种,如图3从形状上来看,AB母口可兼容A和B两种公口为了向下兼容2.0版,USB3.0采用了9针脚设计其中四个针脚和USB2.0的形状、定义均完全相同而另外5根是专门为USB3.0准备的,这也算得上一种Combo方案吧。

  标准USB3.0公口的针脚定义,白色部门是USB2.0连接专用针脚,而红色部分为USB3.0专用。标准USB3.0母口的针脚定义,紫色针脚为USB2.0专用,红色为USB3.0连接专用。

  USB3.0线缆横截面如果不算编积(Braid)用线,一共是8根,值得注意的是,在线缆中,USB2.0和3.0的电源线(Power是共用的。

  目前Intel已经透过软件仿真以5Gbps和25Gbps的速率对新协议的基本版本进行了测试,最终该链接标准无媒介限制(mediaagnostic),将执行在铜线和光纤上。另外,推广组成员还在论如何突破USB接口500mA供电限制的问题,电流将由目前的100mA提升至900mA,将能够为更多移动设备充电,而且速度将会更加快捷。在最初推出时,USB3.0应该会以独立芯片的形式出现,最终则必然会整合进芯片组。当然同时USB3.0还可向下兼容USB2.0以及USB1.1规范。也许整合到主板芯片组是最终的做法,但Intel会不会因此征收相应的费用,这就要看市场策略和厂商搏弈的结果了>USB3.0的特点

  在USB3.0中,设备和电脑主机之间如何更加融洽的配合,也被当作了一项重点研究的方向。在继承USB2.0核心架构的基础上,如何利用双总线模式的优势,如何让用户能够直接的体验到USB3.0比USB2.0的先进,成为了重点:

  需要时能提供更多电力USB3.0能够提供50%—80%更多的电力支持那些需要更多电能驱动的设备,而那些通过USB来充电的设备,则预示着能够更快的完成充电。

  新Powered-B接口由额外的2条线路组成,提供了高达1000毫安的电力支持。完全可以驱动无线USB适配器,而摆脱了传统USB适配器靠线缆连接的必要。通常有线USB设备需要连接到集线器或者是电脑本身上,而高电能支持下,就不需要在有“线”存在了。

  不需要时就自动减少耗电转换到USB3.0,功耗也是要考虑的很重要的一个问题,因此有效的电源管理就很必要,可以保证设备的空闲的时候减少电力消耗。

  大量的数据流传输需要更快的性能支持,同时传输的时候,空闲时设备可以转入到低功耗状态。甚至可以空下来去接收其他的指令,完成其他动作。

  其实,在USB3.0中也并不是所有的东西都更新换代了,比如线缆的长度。当在某些应用中需要尽可能高的吞吐量的时候,往往线缆依旧会成为瓶颈。虽然在USB3.0规范中,没有明确指定USB线缆有多长,但是电缆材质和信号质量还是影响了传输的效果。因此在传输数百兆大数据流的时候,线缆长度最好不要超过3米。

  另外,一些支持“SuperSpeedUSB”的硬件产品,例如集线器(hub)可能要比USB2.0的贵很多,这就像是现在主动供电集线器和被动供电的一个道理。因为一个真正意义上的“SuperSpeedhub”应该具备2类接口,一个用来扮演真正“SuperSpeedhub”的角色,另外一个则要扮演普通高速hub的角色。>USB3.0对其他产品的影响

  我们先来看看无线USB设备,目前,采用USB2.0技术的产品出货量已经突破62亿件,单去年的出货量已达21亿件。其中,无线USB技术的应用占用了很大一部分比例,它能帮助用户从纷繁复杂的电缆连线中解放出来。目前无线USB标准的数据传输速率与目前的有线USB2.0标准是一样的,均为每秒480Mbps,两者的区别在于无线USB要求在个人电脑或外设中装备无线收发装置以代替电缆连线。而将来的USB3.0与旧版相兼容标准,当USB3.0技术成熟之后,我们的无线USB技术也会得到很大的提升。

  再来看对Firewire的影响,在1990年USB标准问世之初,针对键盘和鼠标的USB1.1规格传输速度小于12Mbps,而Firewire锁定的则是诸如摄录像机这类传输速率达100Mbps及以上的视听应用。然而随着时间的推移USB已经获得了广泛的应用,速率达到了目前2.0标准的480Mbps,相较之下,Firewire的应用远远没有这么广泛。USB3.0的标准显而易见将全面超越FirewireUSB3.0阵营成员表示,该标准将能够取代Firewire。而且指出Firewire已经失去许多业界的支持者,如索尼已经在摄影机这样的产品中转向采用USB2.0,苹果也正在打算转向高速USB接口。不过新的Firewire规范也正在制定中,其将继续采用跟定义现行1394b标准一样的电缆和连接器,但其速度最高可达到10Gbps,可以预见USB与Firewire的斗争仍将延续下去,不过随着高速USB3.0设备的提前推出,USB的优势将进一步扩大。两种接口并存的局面长久以来一直存在,将来也是如此。但通用型接口的前景显然更被用户所接受。

  还有很多人没有考虑到的硬盘和笔记本市场也会受到高速USB3.0设备的冲击。我们知道当前硬盘SATA接口的最高传输速度为3Gbs,要远远低于USB3.0设备,它可能会带来两种变化,其一,在笔记本内部使用USB连接硬盘产品,其二,出现内部不带硬盘或仅带固态硬盘等小体积、小容量硬盘的笔记本产品,主要的硬盘则依靠外挂USB3.0接口硬盘。这样不仅可以进一步减小笔记本的体积,降低笔记本的发热量,也可以及其方便的升级笔记本硬盘。

  USB3.0的面世,给我们带来的不仅仅是单方面产品传输速度的提升,对整个行业的提升和发展也起到了推波助澜的作用。

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