看懂 USB 3.0:為什麼很快?架構完整大介紹

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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)

看懂 USB 3.0:為什麼很快?架構完整大介紹

▲ 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

看懂 USB 3.0:為什麼很快?架構完整大介紹

▲ 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>

延伸閱讀:

直上4顆硬碟,CyberSLIM S4-U3S 硬碟座評測

bisheng
作者

前 PCADV 編輯、現 BenchLife 玩票性質打雜工 https://benchlife.info

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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<( ̄︶ ̄)>
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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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