E99f50ba33b68e6b4a4a8182d78e9ef1 USB 3.0 核心架構經過大改造,高達 5Gbps頻寬,傳輸速度比 USB 2.0 快10倍,拿來傳一部 50GB的藍光影片,只要6分鐘就可以傳完,不但大大節省傳輸時間,而且還更省電。本篇為您深入分析 USB 3. 0 的完整架構,並與 USB 2.0 來做個比較。

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

多媒體檔案類型 MP3音樂 JPEG照片 DVD影片 BD影片
常見容量 5MB 10MB 8GB 50GB
USB 2.0 0.16秒 0.33秒 4分26.66秒 27分46.66秒
USB 3.0 0.01秒 0.03秒 26.66秒 2分46.66秒

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

介紹版本 USB 3.0 USB 2.0
傳輸速率 SuperSpeed 5Gbps High-speed 480Mbps
Full-speed 12Mbps
Low-speed 1.5Mbps
資料介面 雙單工運作模式,
具備4條差分訊號線,
可雙向同時傳輸資料
半雙工運作模式,
2條差分訊號線,
單向傳輸資料
訊號線數量 SuperSpeed專屬4條,
其他規範裝置2條
2條
傳輸通訊協定 主控端單點廣播,
非同步資料封包流量路由
主控端向所有裝置廣播資料封包
匯流排供電量 150mA∼900mA 100mA∼500mA
可連結裝置數量 127個 127個
建議線材長度 3公尺 5公尺

<後面還有:雙核架構飆速度>

延伸閱讀:

Kingston FCR-HS3 USB 3.0 讀卡機實測,2倍速傳檔快感

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凌武
2.  凌武 (發表於 2011年9月05日 11:44)
USB3.0 只能用最標準的插曹
最下面兩個衍生型的拿去插 USB2.0就進不去了XD
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3.  GENE (發表於 2011年9月05日 13:26)
Bulk Stream模式還要有OS支援(要有UASP driver),Device支援才可以使用,目前非常少
CC
4.  CC (發表於 2011年9月05日 14:31)
介紹真詳細(⊙ˍ⊙)
不過U3速度能真的達到顛峰的話,那才是Perfect !!!
八雲紫
1人給推

5.  八雲紫 (發表於 2011年9月05日 21:00)
2.0拿來供應低資料量的周邊使用
如:印表機、滑鼠、鍵盤、桌燈、電風扇(?)
3.0就拿來養一些大傳輸量的裝置
如:行動碟、隨身碟、讀卡機、充電器
各執其職,皆大歡喜<( ̄︶ ̄)>
B82aa2e27ca4842fc382f9fa10423191?size=48&default=wavatar
6.  USB20 (發表於 2011年9月06日 11:14)
講了那麼多為什麼不提USB3.0那熱情如火的溫度?
你知道USB3.0的裝置插上去跑沒幾分鐘
那溫度已經可以把手燙傷了嗎?
在一面倒的好評也該提一下缺點讓那些不長進的廠商修改吧?
bisheng
1人給推

7.  bisheng (發表於 2011年9月06日 18:08)
※ 引述《USB20》的留言:
> 講了那麼多為什麼不提USB3.0那熱情如火的溫度?
> 你知道USB3.0的裝置插上去跑沒幾分鐘
> 那溫度已經可以把手燙傷了嗎?
> 在一面倒的好評也該提一下缺點讓那些不長進的廠商修改吧?

溫度問題是爛梗了,特別是第一代的USB 3.0隨身碟,
那東西說穿了,是SSD加上SATA轉USB 3.0橋接器兜出
來的,因為內部使用晶片數量很多,所以不容易小型化
,而且有嚴重的耐溫能力瑕疵。

事實上在電腦王雜誌和T客邦網站,多位編輯已經提起過
數次,有鑑於原生單晶片USB 3.0隨身碟控制晶片已經
普及,就沒在拿這爛梗出來說。

至於其他類型裝置,由於機體空間充裕,所以溫度不至
於造成太大的影響,甚少聽聞和溫度有關的災情。
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9.  andy (發表於 2011年9月15日 12:43)
USB3 實際拿來傳 速度多是 x3 .. 不過我比較看好 Thunderbolt界面
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10.  snake (發表於 2011年11月29日 14:35)
SuperSpeed速度 5Gbps(610MB/秒)
這種理論值有何用 ?
你的記憶卡或隨身碟有這種速度 ? 軟硬體支援能力?

SanDisk Extreme CF 高速記憶卡讀寫速度也只達 60MB/秒
ultra CF 記憶卡讀寫速度也只達 30MB/秒
用usb 3.0 速度會變 (610MB/秒)?
電腦王不要玩我
11.  電腦王不要玩我 (發表於 2013年4月01日 01:40)
那些條件才會有UASP mode,
首先是您主機板或者筆電一定要有USB3.0 Host controller且硬體要有Support UASP mode.
再來是USB3.0的driver也要有支援UASP mode最後USB3.0硬碟或隨身碟也要有USAP mode.
總之==>
USB3.0 IC(UASP mode) + USB3.0 Driver(UASP mode) + USB3.0 Devices(UASP mode)
只要有一項沒有就無法啟動UASP mode.
只要您的主機板是Intel USB3.0(原生3.0) 或NEC USB3.0的晶片都有支援;
再來是Driver的部分,目前全世界沒有一家IC有Windows 7的UASP Driver,雖然ASmeida(祥碩)
在華碩主機板有提供Tubro modeu有UASP但是在Windows 8卻無法開啟,看來ASmedia自行開發Windows 7 UASP Driver sopport
實際IC硬體並無支援;Windows 8在開發時微軟已經把
UASP這一支Driver放入Windows 8作業系統.
如果您本身是科技業的工程師就應該知道 "In-box driver" 沒錯就是它, "Windows 8 UASP In-box driver"
最後就是您的US3.0硬碟或隨身碟就我所知目前市面可以買的有兩家IC: ASmedia與LucidPort
但是產品包裝上面並不會寫這個產品是用哪一家的,直接看包裝上面是否有寫"UASP"
如果產品上面有寫那就可以買了 ^^
USB3.0的優點有在Copy大檔案如:100GB以上有所幫助,不然其實沒啥優點
市面上的主機板大多有USB3.0 port但是並非所有USB3.0都可以相容市面上所有USB2.0的裝置
在Intel 7系列主機板上市以前很多主機板都是使用外掛式晶片(ASmedia,TI,Etron,VIA,Fresco,NEC)
只有NEC相容性是最佳,其它廠商的的IC都不盡理想,連Intel 7系列原生USB3.0都沒有NEC好,
但是市面上有NEC USB3.0晶片的主機板都是xHCI 0.96版本,並不是xHCI 1.0版本.
現在只有期待Intel 8系列晶片組的USB3.0可以解決7系列一些Bug!
本人現在使用NEC720201晶片,
原因是Windows 8開發及USB-IF協會要過USB3.0裝置認證都是以這個IC為主.

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