看懂 USB 3.0：為什麼很快？架構完整大介紹

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？
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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＞