USB3.0規(guī)范分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u3116USB3.0規(guī)范分析概述 197511.1USB3.0工作模式 2128031.2USB3.0設計框架 359271.2.1物理層 4192471.2.2鏈路層 6189921.2.3協(xié)議層 7USB接口目前在各個設備中都有非常廣泛的使用場景，USB3.0接口能夠完全兼容USB2.0接口，USB3.0接口可以插入USB2.0設備，同樣USB2.0接口也可以插入USB3.0設備。同時USB3.0與USB2.0的機械特性和電氣特性也相互兼容。USB3.0接口保留了USB2.0接口中的原有的差分數(shù)據(jù)線（D+信號和D-信號），來實現(xiàn)對USB2.0的兼容。同時增加了兩對數(shù)據(jù)差分線SSTX+、SSTX-和SSRX+、SSRX-。差分對SSTX+、SSTX-表示超高速模式數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)線，差分對SSRX+、SSRX-表示超高速模式數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)線，USB3.0總線接口信號如圖所示。圖SEQ圖\*ARABIC1USB3.0線纜接口信號USB3.0是USB2.0的衍生版本，除了可以向下兼容，USB3.0也有自己的優(yōu)勢。USB3.0與USB2.0的對比如表2所示。從該表可知，USB3.0相比于USB2.0的主要區(qū)別就是新增了數(shù)據(jù)傳輸信道，改變了信號的傳輸方式，變成了現(xiàn)在的雙向數(shù)據(jù)流與封包路由傳輸方式。雙向數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收分離，主機可以不用等待設備答復就可以開啟下一次傳輸，省去了中間的等待時間；封包路由的方式則是節(jié)省了主機尋找對應數(shù)據(jù)端口的時間，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂蕉皇前凑赵械膶?shù)據(jù)廣播到所有接口，提高了傳輸速度，這兩個改變是USB3.0的主要優(yōu)勢。表SEQ表\*ARABIC2USB3.0與USB2.0比較特性USB3.0USB2.0傳輸速度超速：640MB/S高速：60MB/S；全速數(shù)據(jù)接口雙工；四線差分數(shù)據(jù)；雙向數(shù)據(jù)流，發(fā)送與接收信號信道分離單工；二線差分數(shù)據(jù)；單向數(shù)據(jù)流，發(fā)送與接收信號使用同一信道線纜數(shù)6條，4條用于超速數(shù)據(jù)傳輸，2條用于高速數(shù)據(jù)傳輸2條，高速與全速數(shù)據(jù)傳輸共用信號通道傳輸方式主機主導；異步通信；封包路由方式傳輸主機主導；輪詢傳輸；廣播方式傳輸數(shù)據(jù)傳輸類型4種：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸；支持流能力4種：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸USB3.0工作模式USB3.0的系統(tǒng)架構如圖2所示。該圖展示了USB3.0對向下版本的兼容性以及USB3.0所特有的超高速傳輸模式。將高速傳輸與超高速傳輸模式隔離，在傳輸時使用的是不同的傳輸通道。USB3.0支持系統(tǒng)選擇設備支持的最高信號速度，主機與設備相連時，主機首先采取超速傳輸模式，如果設備不支持，則再采用高速傳輸模式，實現(xiàn)對連接的設備進行傳輸模式的選擇。在高速模式下，依舊是用一對差分信號傳輸數(shù)據(jù)，相當于執(zhí)行USB2.0的功能。當以超高速傳輸模式進行數(shù)據(jù)傳輸時，系統(tǒng)使用的是兩對差分數(shù)據(jù)線SSTX+、SSTX-和SSRX+、SSRX-。差分對SSRX+、SSRX-用于超高速模式接收數(shù)據(jù)，差分對SSTX+、SSTX-用于超高速模式發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸與接收使用獨立的信道有利于使系統(tǒng)不用將時間耽誤在等待設備的回復上，從而大大提升了傳輸?shù)乃俣取DSEQ圖\*ARABIC2USB3.0系統(tǒng)架構USB3.0設計框架USB3.0的協(xié)議框架如圖所示。USB3.0協(xié)議分為了三個部分，包括物理層、鏈路層、協(xié)議層。三者是層層遞進的，采取下層對上層負責的機制。各層的功能是相互獨立的，各自完成自己的任務，實現(xiàn)USB3.0的功能。USB3.0協(xié)議分層次、相互獨立的設計有利于在開發(fā)設計時減少交叉，降低設計難度。圖SEQ圖\*ARABIC3USB協(xié)議框圖物理層物理層是USB硬件架構的最底層，最主要的功能是連接鏈路層，將從鏈路層接收到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到線纜或將從線纜接收到的數(shù)據(jù)處理后交給鏈路層處理。發(fā)送與接收功能的實現(xiàn)是通過以下方式完成的：如圖4所示，芯片在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，從鏈路層接收到的并行數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)加擾電路對得到的數(shù)據(jù)進行加擾處理，最后再采用8/10B編碼方式對加擾后的數(shù)據(jù)進行編碼，得到新的10bit數(shù)據(jù)并發(fā)送到并串轉換電路，最后通過差分對SSTX+、SSTX-將數(shù)據(jù)傳輸出去。圖SEQ圖\*ARABIC4物理層數(shù)據(jù)發(fā)送與發(fā)送對應的，物理層在接收到數(shù)據(jù)時，接收器會將得到的差分數(shù)據(jù)會先經(jīng)過串并轉換電路進行轉換得到并行數(shù)據(jù)包。然后通過數(shù)據(jù)解擾電路對并行數(shù)據(jù)解擾，再采用8/10B編碼方式解碼，最后將得到的并行數(shù)據(jù)交給鏈路層處理。下文對其中的關鍵步驟做出介紹。數(shù)據(jù)的加擾與解擾數(shù)字通信系統(tǒng)的設計中，都希望數(shù)據(jù)流中的高電平“1”與低電平“0”的個數(shù)相等，并且減少連續(xù)的“1”或連續(xù)的“0”的出現(xiàn)，這有利于維持傳輸信道的性能，提升數(shù)據(jù)恢復的質量。對數(shù)據(jù)進行加擾處理有利于實現(xiàn)這些需求。加擾的基本原理是將預發(fā)送的數(shù)據(jù)與一個隨機序列進行異或運算，由于另一個序列是隨機生成的，那么異或運算后發(fā)送的數(shù)據(jù)流也將變?yōu)閭坞S機的。數(shù)據(jù)加擾功能需要的隨機序列是通過線性位移反饋寄存器生成的。移位寄存器LFSR計算公式如下：G每次在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，移位寄存器都會被重置。在解擾時，同樣是將數(shù)據(jù)與一個隨機序列異或運算，為了保證解擾后的數(shù)據(jù)與加擾前的數(shù)據(jù)完全一致，加擾與解擾使用數(shù)據(jù)序列必須是相同的，一組數(shù)據(jù)的加擾與解擾必須對應的同步使用同一個隨機序列。這樣，預發(fā)送數(shù)據(jù)與通過一組隨機序列進行兩次異或運算，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復。這樣解擾后數(shù)據(jù)的正確性才能得到保障。8/10B編碼規(guī)則USB2.0采用的是NRAI編碼方式，但該方式比較陳舊，且在USB2.0的設計中，收到協(xié)議和其他因素的影響，并沒有展現(xiàn)出優(yōu)勢。USB3.0協(xié)議的物理層采用了新的編碼方式，采用8/10B編碼方式。這個編碼方式的好處是它可以保持數(shù)據(jù)流中高電平“1”與低電平“0”的數(shù)量基本一致，且連續(xù)的“1”或連續(xù)的“0”位數(shù)不大于5位；提供了更加密集的電平跳變，有利于時鐘信號的恢復。8/10B編碼的原理如圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC58/10B編碼該方案是將原有的8位的數(shù)據(jù)劃分為兩組，分別為高3位與低5位。然后分別將其拓展為高4位與低6位，再組合成新的10位數(shù)據(jù)發(fā)送。編碼過程中，低5位數(shù)據(jù)EDCBA經(jīng)過5/6B編碼成為6bit數(shù)據(jù)abcdei；同樣的，高3位數(shù)據(jù)HGF經(jīng)過3/4B編碼成為4bit數(shù)據(jù)fghj，將二者組合成10bit數(shù)據(jù)abcdeifghj。發(fā)送時按照先低位后高位的原則發(fā)送。由于二進制的十位數(shù)能表示1024個數(shù)據(jù)，而八位數(shù)只包含256個數(shù)據(jù)需要，遠小于10位數(shù)據(jù)容量。因此編碼過程中，在添加另外兩位數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會根據(jù)原有的八位數(shù)據(jù)中“1”與“0”的個數(shù)，盡量選擇保持“1”與“0”的個數(shù)一致的方案，并保證連續(xù)不變的信號不會超過五位，從而達到保持DC平衡的目的。數(shù)據(jù)流中“1”與“0”數(shù)量有三種情況：“1”比“0”多、“1”比“0”少、“1”與“0”數(shù)量相等。在不同的情況下，每個數(shù)據(jù)都規(guī)定了特定的編碼。具體的編碼方式可查表查詢。鏈路層USB3.0協(xié)議的鏈路層用于維持鏈路連接，確保鏈路間的數(shù)據(jù)傳輸。定義了包和鏈路命令的控制流程，需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在鏈路層被放置在數(shù)據(jù)包之中，數(shù)據(jù)與信息以包的形式在主從設備之間傳輸。包是USB3.0傳輸?shù)淖钚挝?。包的類別USB3.0的包分為四大類：鏈路管理包、數(shù)據(jù)包、時間戳包、傳輸包。鏈路管理包：主要進行鏈路狀態(tài)信息的管理，多作用于相連的兩端口。數(shù)據(jù)包：用于主機與設備的數(shù)據(jù)傳輸，其中定義了DATA0與DATA1實現(xiàn)數(shù)據(jù)驗證重傳機制。傳輸包：包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂沸畔?，有所需要的路由信息。時間戳包：包含時間信息，由主機發(fā)送，告知設備主機的時間信息。設備不需要對此包做出應答。USB都是由主機主導的，一般在傳輸時，主機首先發(fā)送一個包告知設備自己下一步的操作，如向設備發(fā)送數(shù)據(jù)、需要設備返回需要的數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制傳輸?shù)?。設備接收到包信息后，如果沒有準備好，需要向主機返回一個應答數(shù)據(jù)包，告知主機當前無法進行傳輸。等到自己做好準備后再發(fā)送一個應答包，表示可以開始傳輸并調(diào)整自己的狀態(tài)，做好接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)的準備。在數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成后，再發(fā)送一個應答數(shù)據(jù)包，告知對方傳輸是否成功。協(xié)議層USB3.0的協(xié)議層是以鏈路層保證數(shù)據(jù)傳輸完整性為前提對數(shù)據(jù)的傳輸方式進行了定義，加強傳輸可靠性。USB3.0沿用了USB2.0的設計，依舊包含了四種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸。一次完整的傳輸由一個或幾個事務構成，而一個事務的傳輸又通過包來完成?？刂苽鬏斂刂苽鬏斒亲钪匾膫鬏敺绞?，因為它關系到設備與主機連接的成功與否，是其余傳輸方式實現(xiàn)的基礎。在設備第一次接入主機時，主機通過控制傳輸?shù)姆绞絹慝@得設備的信息，完成對設備的識別，并位設備分配一個地址，以后設備都使用該地址。控制傳輸包括三個階段，分別為setup階段、data階段和status階段。每一個階段都相當于一個事務，一次事務包含了主機發(fā)送、設備接收、設備回復應答包，告知主機自己的狀態(tài)。Setup階段告知設備傳輸?shù)拈_始以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫類型，data階段則根據(jù)接收到的讀寫類型完成數(shù)據(jù)的讀寫（此過程也可以不包含數(shù)據(jù)，即無數(shù)據(jù)控制傳輸），status階段返回自身狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC6控制傳輸中斷傳輸中斷傳輸多用于傳輸頻率不高，但對傳輸周期有要求的數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸方式多應用在少量的、分散的、不可預測數(shù)據(jù)的傳輸。鼠標、鍵盤都是采用這種方式。由于USB系列都是主機主導傳輸，外設設備無法自行開啟一次傳輸，類似與鼠標鍵盤要將自己的狀態(tài)傳給主機，只能等待主機主動訪問。中斷傳輸方式就是由主機不斷詢問設備端口是否有數(shù)據(jù)需要傳輸傳輸。若需要，則進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，等待設備發(fā)送數(shù)據(jù)；若不需要，則查詢下一個端口，并周期進行。因此，中斷傳輸只有一個data階段。圖SEQ圖\*ARABIC7中斷傳輸同步傳輸同步傳輸針對的是需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大且對傳輸?shù)耐叫杂懈咭?，如即時通話的網(wǎng)絡電話、音視頻的傳輸，這一類的傳輸需求的特點是對同步性有較高要求但允許傳輸存在誤差，對數(shù)據(jù)的正確率要求不如其余的傳輸方式。因此，同步傳輸方式只包含一個data階段。圖SEQ圖\*ARABIC8同步傳輸批量傳輸批量傳輸與同步傳輸一樣，一般都是傳輸大量的，但是批量傳輸對同步性并沒有做出要求。如打印機、掃描儀、USB存儲器等都采取這種傳輸方式設備。批量傳輸?shù)奶攸c是可以占據(jù)所有的剩余帶寬，因為可以占據(jù)所有剩余帶寬，所以該模式的傳輸速度是最快的。該傳輸模式也只有一個data階段。圖SEQ圖\*ARABIC9批量傳輸以上幾種數(shù)據(jù)傳輸模式除了同步傳輸對準確率要求低一點，其余的傳輸方式都需要保證數(shù)據(jù)的正確性。為保證這個問題，USB3.0不僅在傳輸時提出了相應的辦法，在傳輸后也設計了針對錯誤的傳輸?shù)闹貍鳈C制。數(shù)據(jù)重傳除同步傳輸對正確性的要求低一點而對錯誤數(shù)據(jù)重傳沒有要求外，其余的各類傳輸方式都需要數(shù)據(jù)完成后對正確性做判斷，并對錯誤數(shù)據(jù)重新發(fā)送。USB對數(shù)據(jù)重傳的設計是基于DATA0與DATA1來完成的。數(shù)據(jù)正確傳輸而不需要重傳的情況如下：假設主機與設備的狀態(tài)都是0，那么在發(fā)送時主機發(fā)送的數(shù)據(jù)包將會是DATA0型的，設備收到數(shù)據(jù)并確認無誤后，設備的狀態(tài)轉變?yōu)?，然后向主機發(fā)送一個DATA1型的應答數(shù)據(jù)包ACK，告知主機設備接收到數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)無誤，主機在收到應答后，將會把自身的狀態(tài)轉變?yōu)?。下一次傳輸將會以同樣的方式繼續(xù)進行，但是發(fā)送時的起始狀態(tài)將會在0與1之間不斷切換。圖SEQ圖\*ARABIC10正確傳輸重傳機制的出現(xiàn)分為了兩種情況：①發(fā)送的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤；②數(shù)據(jù)正確但是在設備回復過程中出現(xiàn)錯誤。針對這兩種情況，USB3.0都有相應的的處理辦法。對于數(shù)據(jù)錯誤的情況，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，依舊是主機發(fā)送DATA0型的數(shù)據(jù)包，但是設備在接受到數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，不會改變自己的狀態(tài)，而是向主機發(fā)送一個應答數(shù)據(jù)包NAK，告知主機數(shù)據(jù)錯誤，主機接收到這個應