USB 3.0时代如何为接口提速?

USB从1996年推出至今已经走过了十几年的历程，最早的USB 1.0速度只有1.5Mbps，两年后升级为USB 1.1，速度也大幅提升到12Mbps，不过，今天此类接口的产品除了鼠标外已近乎绝迹。近年来广泛使用的USB 2.0接口产品，其速度达到了480Mbps，是USB 1.1的四十倍，但是USB 2.0的速度也早已无法满足高清音视频应用的需求。

　　2012年4月底，随着英特尔发布新一代的ivy bridge芯片组的原生支持USB3.0，更让USB3.0走下神坛。成本的降低让消费者买得起、用得起，普及性大为提升。另外，业界龙头微软将于2012年推出全新的Windows 8，其中装载USB3.0原生驱动程序，这使得USB3.0主控芯片的使用者将获得更好的兼容性，也带动计算机、芯片供应商大规模部署USB 3.0相关产品。尤其是USB 3.0接口大幅了提升USB 2.0接口的效能瓶颈，利用PCIe技术重新取得外部高速接口的规格优势，加上多埠支持的Host芯片技术日益成熟，将在PC和笔记本中大量装载，吸引更多厂商支持USB 3.0高速接口，USB3.0接口将迎来全面普及时代。

　　目前，市场上各种USB3.0规格的电子产品及外设众多，USB3.0最大传输带宽高达4.8Gbps，传输速度比USB 2.0提升10倍，其最大优点在于USB 3.0保留了即插即用功能并可充当供电来源，且能与USB 2.0兼容，除了为厂商带来更多利润外，也让使用者能够方便升级，并享受其创新功能。除了台式计算机和笔记本电脑等主机端，USB3.0还将应用于各种计算机外部设备，包括U盘、外接式硬盘等。据研究机构IDC的预测，到2015年，USB3.0出货量将加速倍增至23亿，其中50%将应用在存储功能上，这部分市场规模将达到400亿元。业界认为2012年第二季PC与笔记本装载多埠USB 3.0高速接口的比例将大幅增加，其原因一方面是USB 3.0多埠Host芯片解决方案成本持续压低，另一方面则是USB 3.0的外围产品也不再局限于外接硬盘、U盘等产品，预计将会有移动电话、平板电脑、数码相机等推出。

　　高性能USB3.0物理层IP

　　智原科技在USB3.0物理层IP的第一个产品就是2008年8月USB-IF协会在Intel举办的IDF上展出的全球第一个USB3.0原型。如图1所示，USB3.0 物理层IP主要包含二大部分：PMA（Physical Medium Attachment Sublayer）和PCS（Physical Coding Sublayer）。

　　图1：USB3.0 物理层IP主要包含PMA和PCS。

　　PCS部分主要是进行自动协商（Auto negotiation）及8b/10b编码及解码。自动协商通过两个连接的设备选择常见的传输参数，如速度和流量控制，在这个过程中，所连接的设备首先先各自以自已的最高速传输，再协商找出二边都能支持的最高速作为传输模式。决定传输模式后，PCS即对被传送和接受的信息编码和解码，目的是使接收器更容易恢复信号。

　　PMA部分主要处理模拟的高速信号，该信号速度高达5Gbps。在传输线方面，USB3.0支持长达3米的四线差分信号线及11英寸PCB。如图2所示，5Gbps信号在长线缆上采用的是差分信号方式传输，从而避免信号被干扰及减少电磁干扰（EMI）问题。PMA电路分为以下六个主要模块。

　　图2：5Gbps信号采用差分传输可以减少电磁干扰。

　　并串联（P2S，Parallel to Serial）：将较低速的并行信号转成高速的串行信号。

　　展频频率产生器（SSCG，Spread Spectrum Clock Generator）：如图3所示，在5Gbps的传输速度下往低速进行三角展频。这一展频的动作可使信号在传输线及PCB的信号传输时减少电磁干扰问题。

　　图3：5Gb/ps的传输速度往低速做三角展频。

　　TX Driver：该模块将5Gbps的高速单端信号转换成高速差分信号，并根据USB3.0规格产生3.5dB/6dB去加重（de-emphasis），在TX端口利用3.5dB/6dB去加重来加强高频的能量，避免传输损失使得眼图的开度变小。

　　低频周期信号侦测器（LFPS Detector，Low Frequency Period Signal Detector）：如果链接处于某种闲置状态，则可通过低频周期信号发送低频周期信号（LFPS）进行通信，这种方式的功耗明显低于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。

　　RX Receiver：该接收器包含均衡器模块和时钟-数据恢复模块。均衡器接收高速5Gbps的高速信号，并对因传输损失的高频能量做补偿，使时钟-数据恢复模块在锁存数据时，眼图拥有较大开度。

　　串并联（S2P，Serial to Parallel）：将接收下来较高速的串行信号转成高速的并行信号。

低功耗USB3.0设备控制器IP

　　USB 3.0控制器硬件电路主要处理USB3.0协议的数据与控制路径。接口部分包括两种接口模块：一种是与USB 3.0物理层进行通信的PIPE接口模块，另一种是与SoC芯片内部AHB总线进行通信的AHB总线接口模块，综合结果显示总线速度可以超过266MHz。USB 3.0设备控制器结构如图4所示。USB3.0链路层模块（U3LKL）实现了USB 3.0规范第7章 “Link Layer Specification”所要求的指标，整个模块始终工作在125MHz。

　　图4：USB 3.0设备控制器结构框图。

　　模块里包含了链路封包传送仲裁器、链路封包接收器、链路封包提取器、链路有序集接收器、链路字节驱动器、链路扰频/解扰器、链路层训练及状态机等功能模块。其中的链路封包传送仲裁器从“协议层传送封包接口”、“标头重试缓冲”以及“传送链路命令模块”等三个地方选择数据来源。基于“链路层训练及状态机”的状态，8b_driver模块会传送诸如TSEQ、TS1、TS2或一般封包等相应数据。扰频器模块将基于从TS2分析而得到的“链路配置字段”来决定是否传送加扰数据到PIPE接口。

　　USB 3.0协议层模块（U3PTL）负责处理从链路层模块送入的SS 封包，并且决定适当的反应，再将数据写入BFM，更新与封包EP有关的上下文。协议层模块决定响应的类型，例如NRDY、ERDY、STALL、ACK以及PING_RESPONSE，该模块还要从BFM的IN EP请求数据传输。如果数据准备好了且标头是所期望的，该模块也会将DP封包数据写到BFM 的OUT EP，整个模块同样也工作在125MHz。