閣下必須知道的USB 3.0(上)

本文作者:admin       點擊: 2010-09-10 00:00
前言:
儘管USB 3.0的起飛可能延後,又面臨高難度設計挑戰,USB 3.0的前景依然樂觀。畢竟,USB已經化身為PC與數位家電甚至手機的泛用介面王。創出夢幻價格與創出殺手級應用,乃當前的急務。消費者是等待,開發者卻是要捲入獵殺遊戲。CES 2010開啟了產品現身競賽的序章。

(本文附有豐富照片圖表,詳見印刷版雜誌)

USB你我她;USB已融入人類的日常生活,有朝一日;房子建築也可能會將USB視為交流供電一般,成為萬用的充電埠。說不定還綠建築的元素呢?

而USB 3.0的供電能力從USB 2.0的500mA拉高到900mA,產品的應用範圍更為遼闊。


USB 3.0的市場瞻望:

2009/9,IDF技術論壇,英特爾對於USB 3.0的姿態,顯示出無法趕上在2010/1Q推出支援USB 3.0之PC晶片組樣品。英特爾還是老樣子喜歡炫燿,當USB 3.0還在渾沌喊戰中,創始者之一的光環金童Patrick Gelsinger離職,不但少了主題講演,又喊出10Gbps、100米的Light Peak Technology,但是要靠光纖。

註:IDF 2007說明在規劃USB 3.0之際,獎已經開始考慮光傳送。
 
IDF-2009對於USB 3.0的展示,當屬Buffalo的USB 3.0外接硬碟展示,受到矚目。2009/10搭著介面卡開賣。
 
隨後,Ratoc,IO-Data推出了同樣方案的USB 3.0介面卡。


其次,主機板也出現了競殺的局面。不過,多是先發生在日本;緊跟著美歐。
 
USB 3.0隨身碟也現出江湖。
 

利用USB 3.0高速來下載影像的Kiosk服務,受到美麗的預期。CES 2010看見了展示的雛型。
 
而微軟何時推出視窗搭載原生USB 3.0的驅動程式,也還是個未知數。若是缺乏視窗驅動程式的支援,意味著OEM廠商或晶片業者得自己下海撰寫驅動程式,此舉意味著負擔額外成本與軟體缺陷的風險。沒有幾個人會幹!

NEC已經開始有USB 3.0主控器的出貨實際成績;富士通、Symwave也完成USB 3.0-SATA的橋接元件。IP核心的提供廠商有PLDA、Denali。

目前的介面卡多是以NEC的方案為主;不過,其xHCI還是在Intel 0.95版本。
 
當USB 3.0規格發表時,有IC設計業者估計USB 3.0晶片所需的邏輯閘,可能是現有版本USB的倍數,其功耗也是倍數以上。USB 3.0還需要更精密的時脈,晶片的製程,至少也要用到90奈米或更微細化的技術,成本上比USB 2.0高出許多。

這一點不難驗證,看看USB 3.0主控器與橋接器的報價,就得知了。
 
USB 3.0的新魅力,當屬5Gbps的超高速(SuperSpeed)傳送速度,以及微型連接器。

週邊開發套件,不難尋覓到。
 
若是要享受5Gbps的恩惠,主機端的介面最好是選用PCI Express 2.0以上。

從信號波形來了解USB 3.0超高速:
USB 3.0不是USB 2.0的升級規格,而是共生的輔助規範。而兩者的差異,除了速度之外,還有一些特徵上的差別。

—. 速度:480Mbps(USB 2.0),5Gbps(USB 3.0)。
—. 時脈展頻SSC:USB 2.0沒有;USB 3.0必須。
—. 信號線:USB 2.0為兩線(Tx與Rx共用,雙向);USB 3.0為四線(Tx與Rx各為兩線,單向)。
—. 耦合:USB 2.0為DC結合;USB 3.0為AC結合。
—. 編碼:USB 2.0採NRZI;USB 3.0運用8b/10b加上Scramble處理。
 
 
USB 3.0可以說是從PCI Express Gen2借東風而來,PHY的設計該是可以流用。這點可以從PHY與PHY-MAC的介面看出端倪。

PHY與MAC之間的介面,USB 2.0是UTMI或是ULPI;USB 3.0則是採用PIPE Rev.3.0。PIPE雖然是英特爾獨自的規範,卻也成為業界的標準。

若將USB 3.0超高速與PCI Express,來個華山論劍,不難看出兩者的近似性以及看出差異性。

USB 3.0超高速 PCI Express Gen1/Gen2
資料傳送速率 5Gbps 2.5Gbps,5Gbps
編碼法 8b/10b
Scramble多項式 X16 + X5 + X4 + X3 + 1
電壓位階 1.2~0.8V(變化位元);1.2~0.4V(低電力模式)
De-Emphasis 3.5dB ± 0.5dB 3.5dB ± 0.5dB(5Gbps/2.5Gbps)6.0dB ± 0.5dB(5Gbps)
時脈(Clocking) Forward Common
頻率偏差 +300PPM~-5300PPM ±300PPM
傳輸巷(Lane)數目 1 1/2/4/8/12/16/32
旁帶(Sideband)信號 LFPS PERST#,WAKE#,PRSNT1/2#

而USB 3.0與PCI Express也有差異之處,共用四點。

第一點,完全是嵌入式時脈(Embedded Clock)。
USB 3.0係採用串列式介面的標準技術,在接收端使用了時脈恢復(Clock Recovery)電路,也就是從接收的資料中,來抽出時脈;一般就稱為嵌入式時脈。雖然,PCI Express在接收端,也備有時脈恢復(Clock Recovery)電路;不過,基本上是傳送端與接收端,使用了相同的參考時脈。因此,才稱為共通時脈(Common Clock)。

第二點,USB 3.0使用了LFPS信號。
LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)的旁頻帶信號;功用是作為睡眠狀態的返回、暖重置、輪詢(Polling)等用途。

這個LFPS與SATA的OOB(Out-Of-Band)信號有點類似。它是20ns~100ns週期,40%~60%工作週期(Duty Cycle)脈衝所構成的突發信號。

Polling LFPS是檢測出接收端之後,傳送端最初送出的信號是也。
 
第三點,內藏等化器。
「等化器」的目的,就是為了補償傳送線路的信號劣化。USB 3.0在接收端,利用等化器線路來補償。

第四點,在接收端追加了迴路測試用BERT機能。
測試用迴路BERT(Bit Error Rate Test),意思是說,累積測試用輸入樣式的錯誤,然後將結果外報。

而AC的耦合方式,USB 3.0與PCI Express一樣,皆是在傳送端串接電容。
USB 3.0採用AC耦合,有三個理由存在。
. 傳送器可以檢測出接收端接續時的時間定數變化。
. 與共模電壓,沒有依存關係。
. 能夠直接連接測量儀器。

因此,必先掌握的第一課,『USB 2.0與USB 3.0的實體層,徹底不同』。
 
USB 2.0封包之前有SYNC位元。而USB 3.0採用8b/10b編碼,不會有這些同步位元。接收端,用PLL同步連續的接收信號。
 

USB 3.0如何來達成SuperSpeed的飆速?

USB 3.0不像PCI Express的內接應用;外接場合的應用居多;那麼5Gbps傳送速度下,傳送距離有多長呢?目前,在FR4線路板的情況下,先想定為3公尺。

高頻最忌一樣東西,這就是『信號損失』,也就是信號衰減量。若是衡量到主機到裝置端的接續情況;主機端從晶片到連接器的跑線(Trace)距離,最長不要越過30公分,裝置端必須低於15公分。而連接線的長度,變數較多。

然而,全部加起來的估算,2.5GHz傳送時的損失,約19dB。
 

5Gbps的一個位元時間200ps,最快的樣式是200ps邏輯壹與200ps邏輯零;也就是2.5GHz。

若是將方形波以頻率領域(Frequency Domain)來觀看,其實是由基本波與高次諧波所合成的。USB 3.0的第五高次波的頻率為12.5GHz;也就是說USB 3.0開發用的示波器頻寬建議值12.5GHz。

<<< 高次諧波的捕捉與Mask test。>>>

從上圖能夠得知,若是所使用的儀器頻寬不足,量測的餘域空間就不準了。如上圖所捕捉到的第三高次諧波來說,UI的中央略微凹陷。

那信號損失又是怎樣的底細呢?昔日的概念是阻抗損的導體損失,但是越過了Gbps的圍牆之後,一種稱為「介電損失(或稱誘電損失)」的東西,就悄悄地上門來了。高頻的國度,需要換腦。

介電損失的起因,是在介電體施加電場時,內部產生極化(Polarization);隨著頻率的上升,電場變化與極化變化的偏移,所發生的損失。由於頻率小時,這個影響極不顯著,而被忽略掉。但是,到了高頻世界,影響效應顯在化。想躲也避不開。
 
由於高頻速度快,邏輯零與壹的週期短,前後位元引起的符號間干渉(ISI:Inter Symbol Interference),對於傳送線路的損失有所衝擊。這一點,只要觀察波形與眼狀圖,一目了然。
 
為了克服高速傳送,信號品質的滑落;USB 3.0可以採用兩道功夫來解決這個課題。分別是De-Emphasis與利用接收器等化(Receiver Equalization)。

因為遷移位元與非遷移位元的高頻特性不一樣,當善用強調遷移位元的技術,使得到達接收端遷移位元與非遷移位元的電壓位階,沒有什麼差異時,ISI的影響,自然就受到了抑制。

下圖是3.5dB之De-Emphasis的結果,眼狀圖顯然變得漂亮了。

 
<<< 活用De-Emphasis來改善的範例。>>>

考量到EMI電磁輻射雜訊以及電力消耗的問題,USB 3.0不敢貿然採用PCI Express Rev 2.0完全一樣的De-Emphasis規格。USB 3.0在傳送端的De-Emphasis,抑制在3.5dB(± 0.5dB)。不足的部分,再由接收端等化來加強之。

另外一招,就是接收器的等化。USB 3.0對於使用怎樣的等化器,並沒有硬性規定。倒是有規定在連結輪詢(Polling),送出TSEQ樣式,來最適化接收等化器(配合傳送線路的衰減特性)。


一般來說,常用的等化器種類有:

名稱 CTLE(Continuous-TimeLinear Equalizer) FFE(Feed Forward Equalizer) DTLE(Discrete-Time Linear Equalizer) DFE(Decision Feedback Equalizer)
機能 高通濾波器 FIR濾波器 -
特徵 —.在頻率領域設計—.類比—.主動或被動式的Tx/RxEqualization—.電路規模小(低電力消耗) —.在時間領域設計—.利用FIR實現通道頻率響應的改善—.在Tx預增強以及Rx等化器 —.在時間領域設計Forward filter以及Decision feedback電路—.Forward filter與FFE同值—.沒有其他等化方式雜訊增幅的問題點;消除ISI—.主動式接收等化—.電路規模大(電力消耗大)

實際觀看USB 3.0主機卡連接器的輸出波形。晶片到連接器跑線是有點影響。

 
有一點事項,需要略微留意。由於接收器外側的觀測信號與內部實際接收補償後的信號,有所不同。基於這個緣故,測量儀器也必須持有等化器。
 
至於實際的適用方法,會隨著儀器的不同,而略有差異。

當連接了3公尺的連接線,其眼狀圖如下:
 
<<< 通過3米長連接線後之波形。>>>

而通過了參考等化器的波形,信號品質改善,眼狀開口明顯更寬。
 
<<< 通過參考等化器後之波形。>>>

那,原來波形與改善後的波形差異,又是如何呢?看圖形吧。
 
<<< 改善前(紫色)與改善後(橙色)的波形比較。>>>

在EMI的低減方面,USB 3.0是外接介面,非常重要。規範下了兩道藥方。其一,透過Scramble處理。其二,導入了展頻時脈。

「Scramble」就是資料打散的意思,避免某個特定頻率能量過度集中。實際上的做法是將傳送資料與LFSR(Linear Feedback Shift Register)產生的隨機變數做互斥或的邏輯處理。使用的多項式,與PCI Express是一樣的。
 

展頻時脈SSC(Spread Spectrum Clocking)的手法,往往在PC上可以見到。它是一種將EMI峰值分散的手段。USB 3.0乃是5Gbps~4.995Gbps的向下展頻(Down-Spread)方式;利用30KHz~33KHz來變動。
 
<<< 展頻時脈之理念。>>>
 
 
<<< 展頻時脈的正面效用。>>>

另外,串列式介面往往會面臨到的另一個課題。如果,傳送端與接收端的速率有差異時,這個速度差的吸收該用怎樣的策略來克服。一般的做法就是在接收端,安置了一個彈性緩衝器(Elastic Buffer)的空間,來吸收補償掉。

說來也蠻簡單地,USB 3.0或PCI Express規格中會定義了SKIP指令集;藉由插入與消除,來讓接收器維持均衡。USB 3.0的做法是,平均每354個符號,會插入Skip指令集。
 
<<< USB 3.0的Elastic Buffer。>>>

續接下集.

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