看懂 USB 3.0：為什麼很快？架構完整大介紹

快速目錄：

1、USB 3.0 為什麼速度快？
2、USB 3.0 應用架構解說
3、USB 3.0 電源管理與常見連接器 

真要說USB 3.0普及之路何以如此平坦，高畫質影片絕對是最佳推銷員。HD數位內容的發展，為各式儲存裝置帶來新挑戰，容量是最根本的條件，其次是資料傳輸頻寬需求。高達3TB容量的硬碟已經量產多時，加上能夠無限更換碟片的藍光燒錄器，儲存容量自然不成問題。然而動輒超過10GB的HD內容，如何在各式儲存裝置之間快速傳輸，就是USB 3.0這類新一代高速傳輸介面的使命。

USB 2.0不合時宜

USB 3.0理論頻寬達5Gbps，相當於USB 2.0高速模式480Mbps的10倍快，也比同性質競爭對手SATA 3Gbps快1.65倍。

以大家最熟悉的USB 2.0為例，礙於先天架構缺陷，資料實際傳輸速度很少超過30MB/s。可用來搭配的儲存媒體，哪怕是傳統硬碟，資料傳輸速度老早就超過50MB/s 水準，最新產品則是已經突破140MB/s速度。在這組合下，USB 2.0介面傳輸一部50GB藍光影片，起碼得花上30分鐘，但是USB 3.0可以將時間縮短到6分鐘，任誰都會對它產生興趣。

3倍快絕對過癮

寬頻網路的普及，讓人產生傳輸介面頻寬提升不是那麼迫切的假象。但這能夠代表USB 3.0無路用嗎？其實不然，在其他裝置上仍有發揮空間。

像是人手一台的數位相機，影像感光元件普遍達到1000萬畫素以上。特別是單眼採用RAW格式記錄，每張照片容量約25∼30MB，想製造出數GB檔案輕而易舉。使用USB 2.0讀卡機傳輸照片進電腦，動輒得花費2∼3分鐘以上的時間，改用USB 3.0機種，30秒搞定也並非不可能，至少能達到USB 2.0機種3倍速。

升級USB 3.0值得嗎？答案是肯定的，就看你想要的裝置是否已推出，只要價格和USB 2.0機種相比不算太貴，就值得衝了。

USB 3.0 vs. USB 2.0傳輸效率比較

核心進化，成就高速USB 3.0

USB規範的提升，從研擬到規範制定完成，前進步伐踏的相當快速。USB 3.0發展於2007年，當時又稱為SuperSpeed USB，並且在2008年火速的誕生草案（Version0.9），首批USB 3.0主控制器與應用產品，在2009年底陸續現身市場。

火速定案迎戰對手

從草創到最終定案，USB 3.0這趟旅程花不到4年時間，而且早在1年前就已經遍地開花。其中佔有關鍵位置的設計規範之一，是由Intel在2010年正式公開的xHCI（Extensible Host Controller；xHCI）標準1.0版本，等於敲開了USB 3.0普及之路的大門。

USB 3.0最吸引人的變革，莫過於理論資料傳輸頻寬一舉提升到5Gbps，除了是USB 2.0的10倍快，也僅以1Gbps之差落後於SATA 6Gbps。對這樣的泛用型外接傳輸介面而言，5Gbps頻寬規格算是驚人，現階段只有Intel自家的Thunderbolt技術，以怪獸般的10Gbps頻寬領先超前。不過這2項技術目標市場有所區隔，即便Intel面對市場主流標準USB有惻隱之心，都還沒到短兵相接的時候。

Tips:什麼是Thunderbolt？

Thunderbolt傳輸介面是由Intel主導開發，早先稱做Light Peak。其特點是可以兼容PCI Express匯流排與DisplayPort介面訊號，除了高達10Gbps的理論傳輸頻寬，匯流排電源供應量也達10W之多，較USB 3.0典型的4.5W高出不少。這項技術已經獲得Apple採用，應用在Mac Book Pro、iMac等少數幾款產品上，且Promise等廠商也陸續推出儲存裝置 系統。

通道獨立傳輸更快

那麼10倍快感的USB 3.0是如何達成呢？USB 3.0的拓樸與分層結構和USB 2.0相同，但是為了提升傳輸頻寬，架構經過全面性翻新升級。 特別是在資料傳輸線部分，以往的USB 2.0為單向雙工匯流排，2條資料線（D+、D-）由傳送與接收共用頻寬，限制了整體性能表現。

反觀USB 3 .0變更為雙重單工匯流排， 規劃4 條資料傳輸線（SSTX+/-、SSRX+/-），讓傳送與接收擁有獨立通道，更能夠同時雙向傳輸資料，藉此實現5Gbps傳輸頻寬。這也是USB 3.0連接器接頭，雖然有多種規格和USB 2.0相容，但還多出了4pin訊號腳位的原因。

核心架構大升級

除了訊號腳位增加， 核心架構設計也經過大改造。傚法PCI Express這一類的介面，內部畫分成實體層（physical layer）、鏈結層（link）和通訊協定層（protocol）等結構，較USB 2.0只有簡單的實體層和SIE（Serial Interface Engine；序列介面引擎）來得先進。看似複雜的層級架構各司其職，資料傳輸封包都是在鏈結層建立，而且鏈結層同時負責鏈路連結維持工作，透過錯誤碼偵測機制確保傳輸資料完整性，甚至和電源管理有所關聯。

至於通訊協定層的工作單純一些，掌管主控端與裝置間的終端到終端資料傳輸規則，也就是數據封包的交換傳送控制。其中更特別的是，USB 3.0改採用8bit/10bit資料傳輸編碼方式，並且將時脈訊號和通訊訊號整併在一起。由實體層負責處理8bit與10bit訊號解編碼作 業，再將訊號傳遞至鍊結層，同時間還要減少EMI（電磁干擾）對高速傳輸通道的影響。

USB 3.0主控端架構圖

▲ USB 3.0與USB 2.0獨立，等於是將2個主控制器整合封裝在一起，確保向下相容性。

USB 3.0與USB 2.0特性比較

＜後面還有：雙核架構飆速度＞

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雙核架構飆速度

這樣的架構差異，等同宣告USB 3.0無法向下相容舊型裝置，對以廣泛相容性聞名的USB而言，自然是不允許發生的事。因此在實體層架構裡，實際上是包含了USB 3.0與USB 2.0這2個匯流排，以解決向下相容性問題。基於這項特性，USB 3.0主控制器與集線器控制器，允許USB 3.0和其他USB規範裝置同時運作。

換言之，USB 3.0是延續USB 2.0架構設計，並堆疊新的功能進來，將它想像成雙核心處理器，就不會太難理解。好處是能夠降低設計複雜度與開發時程，並確保高速的USB 3.0能夠發揮傳輸性能，不至於被低速裝置拖累。因此將USB 3.0裝置插入USB 2.0主控制器電腦系統，裝置與系統都能順利以USB 2.0模式運作。相對的，USB 2.0裝置接到USB 3.0主控制器時，也不會出現不相容的情況。

USB 3.0應用完整架構圖（按縮圖可放大）

▲ 包含實體、鍊結、通訊等3個層級，採用8bit/10bit編碼傳送資料，並且強化電源管理設計。

封包處理架構大翻新

USB匯流排中傳遞了資料、狀態、控制訊號和定址等多種訊號，除了USB 2.0架構中基本的數據封包（data packet）和交易封包（transaction packet），USB 3.0新增了鏈結管理封包（link nanagement packet）與同步時戳封包（isochronous timestamp packet），負責管理鍊結、控制流量、配置設備與集線器，以及資料傳送、活動連繫等作用。

除了更高的訊號傳輸速率外，還著手改善封包傳輸架構，才能有效傳遞這麼多的資訊量。以往的USB 2.0，主控端會向已啟動的裝置廣播傳送封包，所有裝置都得對接收到的封包進行位址解碼處理，這樣的輪詢（polling）和共通時脈機制對效率影響頗深。USB 3.0則是將路由資訊包進封包內，主控端能以單點廣播的方式，向目標裝置傳送封包，除了整體架構運作更有效率，還有降低耗電量的效果。

新增串流傳輸模式

至於在通訊協定層部分，USB 3.0支援大容量傳輸（bulk transfer）、控制傳輸 （control transfer）、等時傳輸（isochronous transfer），以及中斷傳輸（interrupt transfer）4種資料傳輸方式。雖然表面上和USB 2.0一樣，但是傳輸的基本單位「封包」，USB 3.0的傳輸協定與封包處理架構大不同，整體傳輸效率還是能明顯勝出。唯一新增的，是大容量傳輸支援串流（streams）模式，且通訊層支援多串流運作。

串流模式特點是在主控端與裝置，大量傳輸（bulk）的輸入或輸出端點上，建立數個資料緩衝區，並且以多工模式傳輸串流。每個串流都擁有獨立的串流識別ID，主控端具備指令排程能力，不必等待執行中的指令完成，就能發出內嵌串流ID的新指令。此外主控端和裝置，在缺乏端點緩衝區這類情況時，也能拒絕來自另一方建立的串流通訊協議。

USB 3.0資料線架構圖

▲ USB 3.0具備額外的SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-等4 條資料傳輸線路，支援雙單工模式可同時雙向傳輸。加上接地線路後，實際腳位總數為9pin，較USB 2.0多出5pin。

＜後面還有：電源管理聰明化＞

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電源管理聰明化

USB 3.0除了頻寬外，最為人津津樂道的就是匯流排供電能力，基本輸出電流量範圍是150∼900mA之間，較USB 2.0最高500mA增加了80％供應量。充足的電力能夠驅動更多類型裝置，像是USB 2.0介面遇到採用7200RPM轉速機種的2.5吋外接硬碟，往往得使用Y型分接線，多佔用1組USB連接埠才能取得足夠電力。對USB 3.0而言就沒有這樣的困擾，而且也能縮短行動裝置充電時間。

不過提高輸出負載，等同也是增加了系統耗電量，特別不利於筆電這類行動裝置，勢必加強電源管理機制才行。

除了以往的U0（運作狀態，各裝置可立即傳送和接收封包）、U3（休眠模式，由軟體控制），另外新增U1（待機與快速恢復，各裝置在低耗電模式）和U2（待機與緩慢恢復，轉回U0狀態的延遲時間較U1長）2種模式，並且以PLL（Phase Locked Loop；鎖相迴 路）控制運作狀態，增加架構中各環節裝置的省電性能。

高速不一定最耗電

此外，主控端能夠向裝置傳送packet pending、end of burst、last packet等多種旗標訊號，讓裝置不用等待匯流排閒置，就能自行判斷是否進入待機模式。且裝置處於待機狀態時，還能改用LFPS（Low Frequency Periodic Signaling；低頻率週期訊號）與主控端維持通訊，甚至是進行封包傳輸作業。此外，還有function suspend、device suspend、host initiated suspend等多種休眠機制，提供像是暫停裝置的特定功能等作用。

另一個MLT（Latency Tolerance Message；延遲容忍訊息）功能，就像啟動延遲功能，當裝置向主控端回報ERDY狀態，從送出訊號到接收到回應訊號之前，能夠持續向主控端告知可接受的最大延遲。以上的諸多電源管理設計，並不會改變資料傳輸時的耗電量，但是由於USB 3.0資料傳輸速度快，相對的運作時間更短，平均耗電量反而比USB 2.0低。其關係式就像筆電處理器性能，與電池續航力消長的對比。

總結來看，USB-IF（USB Implementers Forum；USB論壇）大幅改造了USB體質，具備 更強大的層級架構，配置獨立單雙工資料傳輸線，並改善資料傳遞廣播模式，以及完善的電源管理功能，因而成就高達5Gbps頻寬的USB 3.0。

常見USB連接器比較（按縮圖可看大圖）

USB 3.0		USB 2.0
Standard-A Plug
Standard-A Receptacle
Standard-B Plug
Standard-B Receptacle
Micro-B Plug
Micro-B Receptacle

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