號稱為超高速通用串行總線的USB 3.0標準規定以來，即成為各方注目的焦點。USB 3.0最吸引人之處便是速度為USB 2.0的十倍以上，傳輸速率從480Mbit/s提升為5Gbit/s，但除此之外，USB 3.0還有許多其它優點。本文將探討超高速USB通訊協議及電源管理相較于USB 2.0所新增與強化的功能。

圖1 USB 3.0的A插孔(左)及插頭(右)

您可能已經聽過超高速通用串行總線(Superspeed USB)，而且知道它是新一代的第三版通用串行總線(USB 3.0)。超高速USB最明顯的差異是速度提高十倍以上，從USB 2.0的480Mbit/s提升到5Gbit/s。 

然而，USB 3.0除了速度提升外，當初USB 3.0推廣小組(USB 3.0 Promoter Group)在制定標準時，同時也致力于改善總線的電源效率、盡可能維持向下兼容性，并改善提升數據傳輸效率。因此，相較于USB 2.0，USB 3.0可說是全面性地提升了USB接口的性能。 

數據傳輸耗電量更精簡 

除速度提升外，USB 3.0最大的改進，在于電源效率的提升，可協助延長主機或周邊裝置等便攜式裝置的電池使用時間。此一新規格的開發有許多作法可減少全新USB裝置的整體耗電量，其中包括取消裝置輪詢(Device Polling)、廣播封包(Broadcasting Packets)等機制，并定義了新的中間閑置狀態(Intermediate Idle States)。此外，由于數據傳輸速度提升十倍，因此單位數據傳輸所須消耗的電力也大幅降低。 

在USB 2.0中，主機端(Host)控制器會連續輪詢樹狀結構中的各個裝置，以檢查這些裝置是否要傳送數據至主機系統。使用裝置輪詢意味著所有裝置必須完全運作，并且能夠持續傳輸數據。即便各個裝置沒有數據可傳輸時，仍須對主機系統的詢問傳輸NAK(無數據)響應，此一過程會持續耗用電力，且會使得裝置與主機端均無法進入休眠狀態，以降低功耗。在絕大多數狀況下，周邊裝置通常沒有任何數據可傳輸，輪詢機制只是平白浪費許多電力。因此在USB 3.0中，裝置輪詢這項機制已經被取消了。 

將封包傳輸方式從廣播變更為導向(Directed)，亦有助于降低USB 3.0的功耗。在USB 2.0中，每當主機端有數據須傳送至裝置端時，會將數據以廣播的方式傳送到各個連接埠；在樹狀結構中的各個集線器(Hub)也會在自身的各個下游連接埠重新廣播封包。因此，總線上的各個裝置必須處理數據，以判斷裝置是否為傳輸的預定目標。換言之，若主機要傳輸給樹狀結構中的某一周邊裝置，整個樹狀結構中其它裝置都會收到同樣的信息。這時其它非預定目標的裝置必須判斷是否要接收、處理這些信息，這些動作都會帶來額外的功耗。 

因此，在USB 3.0中，規格制定小組將通訊協議的設計變更為僅將封包導向至預定目標，這只須要在主機端芯片設計作出部分變更即可實現。在USB 3.0中，主機必須明確知道各個裝置在樹狀結構中的位置，包括下游的集線器連接埠。如果目標裝置與主機之間透過多個集線器連接，則整個數據路徑中會出現多個下游的集線器連接埠。這種設計可降低整體功耗，因為只有裝置連接的特定下游主機及集線器連接端口必須傳輸數據，而且只有目標才須處理數據。 

第三個與減少耗電量有關的調整，則是新增兩個中間閑置狀態定義。在USB 2.0中，有ACTIVE及SUSPEND兩種狀態，在USB 3.0中，除了ACTIVE(U0)及SUSPEND(U3)之外，另有FAST EXIT IDLE(U1)及SLOW EXIT IDLE(U2)狀態，可降低裝置在不傳輸或接收數據時的耗電量。在FAST EXIT IDLE模式中，聯機會處于閑置狀態，但是裝置本身的頻率仍會持續運作；在SLOW EXIT IDLE中，連結及頻率都會關閉，因而需要較長的時間重新進行連結，才能傳輸數據。至于ACTIVE與SUSPEND模式則完全相同。 

傳輸速度增加十倍也使得整體耗電量減少，但這非指5Gbit/s收發器傳輸數據所需的電量少于480Mbit/s收發器。5Gbit/s收發器所需的峰值電流確實是USB 2.0收發器的二至五倍，不過雖然收發器運作時短時間耗用的峰值電流較高，整體耗電量卻可因而減少。USB 3.0收發器的實際運作時間減少約十倍，傳輸固定數量數據，例如將檔案從個人計算機(PC)移至隨身碟所需的整體功耗是USB 2.0的20～50%之間。 

綜合上述設計變更與頻寬提升所帶來的效益，USB 3.0的耗電量大約是USB 2.0的三分之一或更少，因此導入USB 3.0，有助于延長筆記型計算機等行動運算裝置的使用時間。 

連接器/訊號設計保障向下兼容性 

做為USB 2.0的后繼者，USB 3.0除了提升性能、降低耗電量外，還必須盡力維持新舊接口間的兼容性。因為USB 2.0號稱是PC史上最普及、最成功的接口，市場上已有數十億個USB 2.0裝置。USB 3.0不能讓這些既有裝置成為改朝換代下的犧牲者。 

然而，從工程的角度而言，要用USB 2.0的纜線與連接器穩定維持5Gbit/s的數據率，實為一大技術挑戰。因此，經過審慎討論后，規格制定小組決定USB 3.0必須使用不同于USB 2.0的導體，但為了顧及兼容性，與USB 2.0有關的訊號應保持不變。因此，最終標準制定小組取得妥協，除了原有USB 2.0的四個差動對外，USB 3.0將額外使用兩組符合PCI Express電路規格的全雙工差動式訊號，選擇使用符合PCI Express電路規格的全雙工差動式訊號處理方法，加上接地屏蔽后，USB 3.0除了2.0原有的四條纜線導體與四個連接點外，額外采用五條纜線導體，連接器上的接點也增加五個。因此，USB 3.0的纜線內含九條導體，連接器的接點也采用九點配置。 

那向下兼容的真正意義為何？從使用者的角度而言，這表示所有與既有規格兼容的現有產品能夠與所有支持新規格的新產品聯機運作，現有纜線(亦即插頭)必須能夠插入新插孔，而另一方面，新纜線也必須能夠插入舊插孔。 

USB規格有兩種基本的連接器類型，A插孔是現今PC上常見的類型，A插孔接受A插頭，鼠標與鍵盤的纜線以及隨身碟連接器常采用A插頭。B插頭則用于周邊裝置，其中又分為標準、迷你(Mini-B)及微型(Micro-B)三種尺寸。 

向下兼容的關鍵是新型超高速USB A插孔必須能夠接受新型(USB 3.0)與舊的(USB 2.0)A插頭，且舊型USB 2.0 A插孔必須能夠接受新型USB 3.0 A插頭。顯然，如果插頭或插孔都只是USB 2.0規格，數據傳輸最高只能夠達到USB 2.0的速度。解決方案是在現有插頭和插孔的插入端加入五個新導體。如此即可達到與USB 2.0相同的機械接口，并提供完整的向下兼容性(圖1)。 

以周邊裝置而言，只單方面考慮插孔或插頭的的難度較高，因為必須考慮更多種連接器尺寸，如果同時考慮插孔與插頭則較為簡單。因為新型USB 3.0 B插頭不必要求能夠插入舊型USB 2.0 B插孔。如果裝置是USB 3.0規格，則只需要新型B插頭與纜線。如前所述，如果裝置只有USB 2.0規格的功能，則現有USB 2.0纜線兩端的舊型插頭已堪用，因為纜線的另一端能夠插入于新機器中。新型B插孔(不論尺寸為何)必須能夠接受舊型及新型B插頭，才能達到向下兼容的效果，因此，不論尺寸如何變化，都必須在現有USB 2.0纜線可插入的范圍內。 

以下將介紹三種與USB 2.0相容的B端連接器選項。最直接的是標準B型。這是打印機、掃描儀及其它大型周邊裝置常用的較大尺寸插孔。原先的設計是在B連接器的頂端加上凸塊，以便于置入超高速訊號的新接點(以及導體)。圖2顯示標準B型插頭及插孔的型制。此類型的插孔接受舊型USB 2.0插頭或新型USB 3.0插頭。 

圖2超高速USB B端插頭(左)及插孔(右)

針對Mini-B連接器，USB 3.0推廣小組決定不升級Mini-B連接器類型，其中有很多原因，但最重要的原因是由于全球各地正在進行的立法規范問題。至于Micro-B型連接器，由于已被全球許多機構規定為手機電池充電的標準接口，以降低充電器浪費丟棄的問題，且現有Micro-B型插孔沒有足夠的空間可加入五個新導體，因此USB 3.0規格定義人員必須絞盡腦汁，在完全不變更USB 2.0 Micro-B插孔、插頭的前提下，設計出支持USB 3.0的Micro-B插孔與插頭。 

最后規格制定小組決定采用如圖3的設計。與機械向下兼容性一樣，采用這種左右并列的設計可保留大量的裝置驅動基礎架構，這可保留相同的數據傳輸類型、中斷、批量和等時儲存裝置。最后，這個標準保留了現有USB的使用便利性。如此一來，所有現有USB 2.0裝置將能夠在新型超高速USB機器上如預期持續運作。 

圖3 USB 3.0 Micro-B端插孔(左)及插頭(右)

導入雙工架構總線使用效率大躍進 

如何更有效率地使用總線資源，也是USB 3.0標準開發時的一大重點。前文所提及的取消輪詢機制，也可提升總線的使用效率。然而，USB 3.0所實行的全雙工架構能夠允許同時雙向數據流，實為允許標準制定人員取消輪詢機制的關鍵所系。如前所述，裝置端的主機輪詢顯然既耗用總線的資源，又浪費電力，但取消輪詢機制后，主機端與裝置端仍必須仰賴一套新的互動機制，才能完成數據傳遞。 

筆者在此舉一個例子來說明，如果把教室當作整個USB系統，主機控制器是老師，而學生則是裝置。在USB 2.0的架構下，老師會在教室內走動，詢問每個學生是否有問題。學生有問題時，老師會進行解答。老師接著繼續在教室內走動，直到詢問完每位學生是否有問題為止，然后又從頭開始詢問學生。 

但在USB 3.0的架構下，情況就大幅改觀。因為學生只在有問題時舉手，老師在確認之后就會進行解答。這是IN數據傳輸的異步通知方法。周邊裝置有數據需要傳送給主機時，會將ERDY(端點就緒)傳送給主機，然后，主機在準備處理傳輸時，會將ACK(確認)傳送給周邊裝置。 

表面上看來，USB 3.0的設計顯然合理又有效率多了，但在只有一組差動對可進行數據傳輸的USB 2.0中，采用USB 3.0的設計基本上是不可行的。因為USB 2.0只有一組差動對，因此只能算是半雙工總線架構，在此一情況下，每次數據流向改變時，總線必須隨之轉向。這表示當聯機中一端的接收器關閉時，發射器必須隨之關閉。當運作完成后，再進行反向，此時第一個裝置中的接收器開啟，而后第二個裝置中發射器開始發送數據。此一程序使得總線的停機時間增加，而造成效率降低。若此時有另一個傳輸需求出現，更有可能出現錯誤。 

第二個問題是，在半雙工架構下，任何指定的傳輸都必須先完成，下一個傳輸才能開始進行。這表示接收器必須確認接收到數據，發射器在收到ACK之后，才會透過總線進行下一個數據傳輸。圖4顯示USB 2.0的高層級OUT(從主機到周邊裝置)傳輸。 

圖4 USB 2.0 OUT傳輸

在超高速環境中，每個裝置都有兩組差動對，一組用于傳輸，一組用于接收，因此不會出現總線轉向失效時間，而發射器收到接收器發出的確認前，也能夠進行另一次傳輸。如此的變化使得收發器及接收器必須具備智能功能，以防范錯誤發生。如果收發器收到的確認訊息中表示接收的數據有誤，則必須重新傳輸先前的數據。通訊協議會使用點數來判斷收發器送出處理成功的ACK訊號之前，能夠一次處理的資料量，直到無法再傳輸/接收新數據為止。 

事實上，每次主機將數據傳送給周邊裝置(或周邊裝置將數據傳送給主機)時，便會從周邊裝置的賬戶中扣除一個點數。原始收發器收到ACK訊號時，會將一個點數重新發送至該周邊裝置的賬戶。圖5顯示USB 3.0 OUT傳輸運作的方式。 

圖5 USB 3.0 OUT傳輸

前瞻未來5年需求　USB 3.0消除傳輸瓶頸 

在任何數據傳輸環境中，總是會遭遇瓶頸，訊號鏈中的某個位置會限制整個傳輸的效能。雖然USB 2.0高速已經可以滿足某些應用所需，但是USB 2.0在過去幾年也成為許多PC為主應用的瓶頸。事實上，這也成為了開發數據傳輸新規格的重點：消除目前的瓶頸！ 

不論是外接式旋轉媒體，如硬盤機、光驅、固態硬盤或隨處可見的隨身碟，儲存媒體已經能夠以高于USB 2.0規格的速度傳輸數據。 

是否有許多儲存媒體能以接近5Gbit/s的速度讀寫數據？目前還不多，不過，重點在于其它方面出現相同的瓶頸。未來超高速USB是否會成為瓶頸？有一天可能會，不過，除了某些極佳的硬盤機之外，超高速USB應該在未來5年仍有能力進行高速讀寫。 

概括來說，USB 3.0推廣小組在開發規格時，總是以這四個關鍵價值為前提：降低傳輸數據所需的功耗、維持向下兼容性、提升頻寬利用效率，以及將原生位速率提高十倍以上。對于消費者需要的實時同步功能，以及處理大量內容的消費性產品所需的電池續航力，USB 3.0在上述四個層面上均作出改進，且能夠在未來5年維持與閃存相關產品相同的表現水平。