解析USB3.0系統(tǒng)可靠性

相反，如果信號(hào)的路徑靜止不變，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器就不需要使用再適應(yīng)功能。在這種環(huán)境中，例如從來不需要移除任何線纜的服務(wù)器中，再適應(yīng)功能有可能造成負(fù)面影響。在一個(gè)類似這種穩(wěn)定的應(yīng)用中，可配置的信號(hào)均衡功能是最好的選擇。

表1：滿足USB3.0規(guī)范的最大線纜長(zhǎng)度

　　3 高信號(hào)質(zhì)量推動(dòng)成本的降低

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器在接收器增加6dB的信號(hào)均衡度，可以大幅增加信號(hào)在SDP線纜的傳送距離，因此可以幫助解決線纜方面的困擾。如果在發(fā)送器也放置轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，總共可以增加12dB的信號(hào)均衡度，可以確保信號(hào)在超過3米的34AWG線纜中傳送，并通過認(rèn)證測(cè)試（表1）。

　　增加信號(hào)均衡度可以讓信號(hào)在較長(zhǎng)且便宜的線纜中傳送，可以讓消費(fèi)者使用低價(jià)、有彈性、美觀和較細(xì)的線纜，而無需為減少信號(hào)損耗而購(gòu)買較粗且昂貴的高質(zhì)量線纜。因此，如果考慮線纜的成本，使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器不但可確保產(chǎn)品按照預(yù)期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器會(huì)增加一個(gè)板上元件，但轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器只占極小的PCB面積（4平方毫米），這在便攜式設(shè)備中非常重要。

　　靜電釋放（ESD）是使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)考慮。為降低系統(tǒng)的成本，USB接口很有可能被集成到主要的芯片組中，這樣不但USB接口控制器件對(duì)ESD沒有防備，而且整個(gè)芯片組都有可能被損壞，造成整個(gè)系統(tǒng)無法使用。因?yàn)檗D(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器芯片位于連接器與發(fā)送器/接收器之間，所以可以隔絕內(nèi)置USB接口的芯片組。如果有ESD事件發(fā)生，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以保護(hù)系統(tǒng)的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個(gè)USB接口，讓系統(tǒng)的其他功能正常工作。

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器必須有認(rèn)知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號(hào)平衡功能。由于轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器沒有設(shè)備身份識(shí)別ID，所以無法像USB終端設(shè)備一樣中止信息傳遞。如果轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以辨識(shí)通訊協(xié)議，便可支持接收器偵測(cè)和電氣閑置等功能，而不僅是回復(fù)和傳送信號(hào)。理想情況下，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器將支持USB3.0規(guī)范定義的連續(xù)時(shí)間線性均衡技術(shù)，該技術(shù)與發(fā)送器期望遠(yuǎn)端終端設(shè)備用來均衡信號(hào)的技術(shù)是相同的。最后，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器必須在不被察覺的情況下工作，否則轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器之后的根設(shè)備（root device）將不會(huì)被辨認(rèn)，即使這種情況在實(shí)驗(yàn)室中可以工作，但在實(shí)際應(yīng)用中則不行。

　　4 雙向信號(hào)調(diào)節(jié)

　　實(shí)現(xiàn)消費(fèi)應(yīng)用是使用者期待USB3.0的價(jià)格于USB2.0一樣。USB2.0的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮是能以很便宜的價(jià)格進(jìn)行生產(chǎn)，因此許多制造廠商會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設(shè)備。此外，必須降低成本的壓力將使制造商考慮使用低質(zhì)量線纜，或是讓接收器解決信號(hào)調(diào)節(jié)問題等快捷方式。因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)低價(jià)的集線器和周邊設(shè)備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線纜達(dá)到通過認(rèn)證測(cè)試所需要的結(jié)果。但是，一般的使用者卻希望使用任何的USB線纜，系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。

　　在這種情況下，有責(zé)任心的制造廠商不得不面對(duì)市場(chǎng)上充斥著次級(jí)產(chǎn)品的問題：這些產(chǎn)品有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)連接到只有接收器有信號(hào)調(diào)節(jié)功能的設(shè)備時(shí)，可能不能穩(wěn)定地工作。也就是說，這些設(shè)備可以穩(wěn)定地接收信號(hào)，但是當(dāng)向這些次級(jí)產(chǎn)品傳送信號(hào)時(shí)卻出現(xiàn)性能明顯降低甚至出錯(cuò)。舉例來說，一個(gè)外接硬盤因?yàn)椴涣嫉男盘?hào)質(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯(cuò)誤的信息，使用者會(huì)認(rèn)為這是硬盤的問題，而不是用在其它產(chǎn)品時(shí)看起來沒有問題的低質(zhì)量線纜或是集線器設(shè)備的問題，這將導(dǎo)致退貨增加，損失贏利。

　　在每一個(gè)外接的連接器上都裝一個(gè)接收用的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，可以確保信號(hào)在進(jìn)入和離開時(shí)都可以得到正確恢復(fù)。此外，如果也對(duì)傳送出去的信號(hào)做調(diào)節(jié)處理，就算其它設(shè)備沒有在接收器做信號(hào)調(diào)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師也可以確保設(shè)備通過任何長(zhǎng)度的線纜，并與其它設(shè)備互通。

　　市面上的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器在接收和傳送信號(hào)通道都具有信號(hào)調(diào)節(jié)的功能，因此可以確保與沒有接收信號(hào)調(diào)節(jié)功能的低質(zhì)量設(shè)備的連接。單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器具有可以分開調(diào)節(jié)接收和傳送信號(hào)路徑的靈活性。

　　另一個(gè)使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品時(shí)的特點(diǎn)是電源電壓的靈活性。例如，服務(wù)器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個(gè)可以選擇前面任一個(gè)電壓的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品可以滿足兩個(gè)市場(chǎng)，因此可以用更大的整體出貨量來壓低價(jià)格。，此外，其內(nèi)置的LDO功能則可以節(jié)省一個(gè)外接的LDO元件。

　　5 有關(guān)時(shí)鐘和信號(hào)交換的問題

　　USB控制器芯片、器件、終端設(shè)備、集線器和內(nèi)置USB接口的處理器都需要一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘源。時(shí)鐘信號(hào)在保持良好的SuperSpeed USB信號(hào)質(zhì)量方面扮演著非常重要的角色，因?yàn)楫?dāng)時(shí)鐘速度增加時(shí)，可用的抖動(dòng)預(yù)算就減少了。

　　把時(shí)鐘技術(shù)看成一種陳舊的技術(shù)是一個(gè)常見誤解。事實(shí)上，時(shí)鐘技術(shù)（尤其是在高速度時(shí)）是極精密的技術(shù)。由于高速度時(shí)鐘比較昂貴，比較節(jié)省成本的方法是把較低速度的時(shí)鐘信號(hào)以數(shù)倍增加。但是，把低速度的時(shí)鐘信號(hào)數(shù)倍增加到高速度時(shí)，所產(chǎn)生的抖動(dòng)也會(huì)以同樣倍數(shù)放大，從而占用了有限的信號(hào)裕度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是平衡輸入速度（等同價(jià)錢）和產(chǎn)生的抖動(dòng)，因此時(shí)鐘緩沖器只能容許非常低的抖動(dòng)，這樣當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)倍增時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過大的抖動(dòng)。

　　同樣，USB交換器必須提供平滑轉(zhuǎn)換。比如，交換器可以減少擴(kuò)展塢等實(shí)際應(yīng)用中使用的信號(hào)接口，降低成本。通過保持低電阻和低阻抗，交換器可以保持低的輸入信號(hào)損耗，不讓信號(hào)的瑕疵反饋到發(fā)送器，從而保持信號(hào)完整性。

　　6 使用USB管理智能以節(jié)省耗電

　　許多消費(fèi)型USB3.0終端設(shè)備使用電池，因此USB3.0具有幾個(gè)新的省電模式，包括閑置（idle）、睡眠和暫停（suspend）模式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以利用這些新功能，關(guān)閉轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器信號(hào)電路以延長(zhǎng)產(chǎn)品工作時(shí)間。

　　USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨(dú)開關(guān)。發(fā)送器的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的電源管理比較簡(jiǎn)單，當(dāng)沒有信號(hào)傳送時(shí)可以直接進(jìn)入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復(fù)雜，因?yàn)殡S時(shí)都有可能接收信號(hào)，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器必須具有支持復(fù)雜前端信號(hào)偵測(cè)能力的機(jī)制，才能保持器件的透明性。

　　當(dāng)有連接到其它設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓（electrical idle threshold）來檢查是否有信號(hào)傳輸。當(dāng)信號(hào)在閾值電壓下，表示沒有信號(hào)輸入，可以進(jìn)入深層睡眠模式。這個(gè)閾值電壓一般是100mV，但如果想要增加通過長(zhǎng)距離線纜傳送的低電壓信號(hào)的敏感度，可以將它調(diào)節(jié)到更低的60mV。例如，數(shù)碼電視的USB接口可能連接其它非常遠(yuǎn)的電子裝置，因此需要較高的敏感度來偵測(cè)信號(hào)。服務(wù)器應(yīng)用中的USB3.0接口，因?yàn)槭褂幂^長(zhǎng)的PCB布線，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。

　　7 USB3.0

　　熟悉PCI Express Gen 2的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，可能會(huì)比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設(shè)計(jì)，因?yàn)閁SB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的鏈接初始化、封包結(jié)構(gòu)和錯(cuò)誤修復(fù)方式。此外，這兩種通訊協(xié)議使用完全相同的發(fā)送和接收模塊和單元，包括加擾碼、8b/10b編碼、串行器/解串器等。

　　USB3.0和PCI Express Gen 2的相似之處會(huì)大大減少PCI Express Gen 2的應(yīng)用，特別是因?yàn)閁SB3.0的信號(hào)傳輸量和不需要再次轉(zhuǎn)譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來說，USB3.0已經(jīng)設(shè)計(jì)在擴(kuò)充塢里，因?yàn)閁SB3.0不像PCI Express Gen 2信號(hào)需要再次轉(zhuǎn)換（需要使用HBA 或是PCI-USB控制器）。使用USB3.0擴(kuò)充塢就將有集線器扇出信號(hào)的功能，因此可簡(jiǎn)化整體架構(gòu)并且減少成本。

　　USB是當(dāng)今最普遍的消費(fèi)電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCI Express相比占有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閁SB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設(shè)備，從PCI Express Gen 2平臺(tái)轉(zhuǎn)向USB3.0的供應(yīng)商可以立即進(jìn)入這個(gè)龐大的市場(chǎng)。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設(shè)計(jì)USB3.0產(chǎn)品的難度，但由于USB2.0和USB3.0共享連接器，所以大多數(shù)難題都在芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中。

　　PCI Express Gen 2仍然在明確的芯片外接口占有一席之地，包括處理器的內(nèi)部總線接口和其它的服務(wù)器、儲(chǔ)存、嵌入式應(yīng)用等。當(dāng)然，這現(xiàn)存的優(yōu)勢(shì)的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的內(nèi)置接口。

　　預(yù)計(jì)USB3.0將和其它新的和舊的接口規(guī)格競(jìng)爭(zhēng)，如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等連接監(jiān)視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價(jià)格，當(dāng)集成至芯片組之后，沒有理由不會(huì)用來連接監(jiān)視器。USB3.0不會(huì)完全取代HDMI和DisplayPort通訊協(xié)議，因?yàn)樗鼈兏髯远加性黾幼约旱膽?yīng)用范圍。比如，HDMI因?yàn)榫哂蟹聪蛲ǖ滥芰Χ诒O(jiān)控?cái)z像機(jī)市場(chǎng)具有影響力。但能預(yù)期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個(gè)USB接口的其它通訊協(xié)議應(yīng)用的市場(chǎng)占有率。

　　8 結(jié)語(yǔ)

　　USB3.0在很多方面會(huì)改變電子市場(chǎng)的現(xiàn)狀，但為要達(dá)到高性能和穩(wěn)定性，必須使用信號(hào)調(diào)節(jié)產(chǎn)品來補(bǔ)償PCB、連接器、以及最重要的線纜信號(hào)損耗。消費(fèi)應(yīng)用無法接受用來保持信號(hào)完整性的高價(jià)的高速度元件，但也不能忍受信號(hào)完整性問題帶來的應(yīng)用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量，工程師可以保持良好的信號(hào)裕度，以便用更長(zhǎng)的線纜，或使PCB布線有更高的靈活性。他們也將確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅可以通過嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證測(cè)試，也可以使用低質(zhì)量的線纜并與其它USB3.0設(shè)備具有很好的互操作性。