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面向多媒体应用的超高速USB

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USB 3.0是什么？你能用它来干什么？

USB 3.0推广小组成立于2007年英特尔信息技术峰会。6个成员公司（惠普、英特尔、微软、NEC、ST-NXP Wireless、德州仪器）起草了最初的规范，并与其他参与公司共同成立了由200名业内专家组成的组织，以确保在规范发布时能够获得广泛的支持。这个规范在2008年10月完成，任何希望采用它的公司都可以在2008年11月中旬获得该规范。

图1 超高速USB 3.0的标识

超高速USB与旧版本之间最明显的区别是速度提高了10倍以上：从480Mb/s提高到了5Gb/s。虽然USB 2.0高速，甚至USB全速（12Mb/s）和低速（1.5Mb/s）已经可以满足许多应用，但是USB连接仍然可能成为其他应用中的大瓶颈。

此外，超高速USB将继续激发业界的创新思想，以开发新的应用和设备来利用更好的性能获益。5Gb/s的数据传输率应该能够为未来5年以上的时间提供发展空间。

新的电缆结构

传输速度的增加给现有的USB 2.0电缆带来了挑战。超高速USB需要屏蔽差分对（SDP）电缆来确保信号完整性并最小化电磁干扰。同时，电缆的最大长度也从USB 2.0的5m减少到超高速USB的3m。

物理层的电子信令方案也从简单的双线制转变为一种双单工（dual-simplex）数据通路。这是通过完全分离的连接实现的，而不再是现有USB 2.0中的双线接口。这样做的目的是能够在3m电缆上实现5Gb/s的传输速率。此外，虽然需要为满足电子信令方案而做出更改，但主机却不用提供新的波形因数插头或插座；如果可能，在外围设备上也无须做出更改。

图2 超高速USB电缆横截面显示了与2.0的差别

超高速USB信令方案

为了将风险降至最低，推广小组确定新的信令方案应该与PCI-Express相似。这种连接保留了边带功能而无须额外增加电线，并且给接收端提供了检测连接/断开的功能。

超高速USB和PCI-Express的信令方案存在很大的差别。超高速USB不使用公共时钟架构。它在两个边带上都需要扩展频谱，还需要接收端提供均衡功能。时间抖动的处理也采用了不同的方式。同时，这种方案也没有提供边带引脚用来进行连接/断开检测，链路重置，电源管理控制或唤醒。

另一项关键的改变是提高了总线电源效率。这非常有利于延长便携式设备的电池寿命，这一点同时适用于主机和外围设备。这种规范定义了极好的电源特性，特别是对于空闲链路而言。上行和下行端口都能够使链路进入低功耗状态。本地电源管理控制使用多个链路功耗状态以进一步改善电源效率。另一种节能方法无须再对所有设备进行轮流检测。

超高速USB标准的关键是尽可能地提供对USB 2.0的向上兼容性。如前所述，超高速USB的信令方案是通过不同的导线实现的，这一点不同于USB 2.0。

这一点给电缆和接头工作组带来了极大的挑战：他们需要在插座和插头上新增5根导线，还需要保证现有的USB 2.0插头能够插入超高速USB插座中，超高速USB 3.0插头可以插入USB 2.0插座中，而且在所有情况下链路都能够正常工作。

解决方案：在现有插头和插座的插入面新增5条导线。这样就提供了与USB 2.0相同的机械接口，提供了完整的后向兼容性（见图3～图5）。

图3 超高速USB标准A型插座和插头

图4 超高速USB标准B型插头和插座

图5 超高速USB Micro-B型插座和插头

现有的Micro-B型插座（见图5）无法提供空间用于新增5条导线，因此需要进行较大的更改，用同时提供2.0和3.0接口的方案。这种连接器应该只用于小型的便携式设备。为了避免不正确的插入，超高速USB Micro-A和AB型连接器与Micro-B型连接器在咬合栓和轮廓方面是不同的，但在其他方面则完全相同。

与机械后向兼容性一样，这样做的目的是保留大量的设备驱动基础设施。相同的数据传输类型、中断、块状和等时存储设备都保留了下来。最后，这个标准保留了现有USB的易用性。

应用和获益

更高的传输速率减少了从计算机向便携式消费类设备传输数据时的等待时间。最终用户在使用带有大量内容的设备时，比如音乐播放器、视频播放器、数码相机以及可携式摄像机，希望得到极好的快速同步体验。

文件大小的急剧增加推动了存储容量的增加。10年以前，普通的数码相机的图片大小为1M。5年之后，这个数字变为5M左右。今天，许多照相机都产生14M大小的照片，而照相手机则是8M。推动这种发展的动力是存储容量的增加，以及完美地存储整个一周假期内所有的照片的需求。可携式摄像机也是同样。它们提供照相功能（分辨率通常会低于一般的独立照相机，但是分辨率也同样在增长），以及包括HD MPEG2在内的高品质视频。这两种录制类型都需要频繁地传输，也就是说，需要频繁地将这些文件上传到其他位置以便重新拍摄。

同时，目前存在着一种过渡——要求能够随身携带可播放更加丰富存储内容的设备。DVD正在从标准清晰度电影（5.7GB）向高清晰度电影过渡（25GB）。

越来越多的内容能够随身携带，首先是基于flash存储器的音乐播放器，原来只能播放60min的音乐，现在逐渐过渡到有80GB存储空间（可存放20 000首歌曲）的基于硬盘驱动器的播放器。

接着，这种转变出现在能够随时播放视频的便携式媒体播放器（PMP）上，下一代PMP将能够播放高清晰度电影。最后，新的商业模式（也就是类PVR设备中新视频发布的"本地缓存"，可以下载到便携式播放器中）会使得高速连通性成为大量文件传输的前提条件。

超高速USB会应用到哪些领域？所有需要与计算机执行"快速数据即时同步"的大容量存储设备中。即时同步的目标是不超过90s，超过这个时间，许多最终用户会觉得难以忍受。

许多这种类型的便携式设备使用了flash存储器。容量将继续增长，这是由消费者的需求，flash容量的急剧增长以及成本的降低所引起的。

因此，基于flash的外围设备将受益并最终需要高得多的超高速USB数据传输速率。其中，包括最常见的USB外围设备——无处不在的flash驱动器！表1总结了从USB全速到高速，再到超高速USB的用户体验。