強化傳輸效能與電源管理優勢的USB 3.0介面設計

USB 3.0主控晶片可以達到較舊式介面設計更具效率的電源應用形式。renesas

USB(Universal Serial Bus)可以說是目前使用最普遍的傳輸介面之一，在因應外接產品的效能升級需求，USB 3.0版本相較2.0版本有10倍以上的效能提升，而以往USB 2.0版本的電源管理設計方向，也在新版3.0規範中進行了多項強化...

USB介面在各式應用設備相當常見，USB介面除了用來作為傳輸資料的橋樑，透過USB讓終端裝置取用Host設備電源進行產品充電，也是相當重要的一項應用形式，呼應Universal Serial Bus的「Universal」應用形式，最佳的介面設計應該不管是在傳輸或是電源傳送方面，都能達到最佳化的設計，才能滿足USB的應用需求。

USB 3.0自規格底定後，介面設計又有Superspeed USB稱號，在USB 3.0介面最吸睛的改變項目即自原有480Mbit/s提升為5Gbit/s！USB 2.0介面僅有5V/500mA的單埠輸出能力，規格大幅提升之後，USB 3.0對於外部裝置的驅動能力具有更多優勢。

尤其是傳輸效能大幅強化，在控制晶片方面，為達到高速傳輸的功能，晶片的功耗肯定面臨更多設計挑戰，如何在維持高速傳輸的同時，維持最佳化的電源功耗表現，是目前USB 3.0產品設計的最大困難點。

為了達到目前行動裝置對於運行功耗的極致要求，USB 3.0 Promoter Group制定標準，已針對高頻傳輸造成的功耗問題，必須達到的電源效率，與USB介面回溯相容的要求，進行諸多改善。

USB 3.0高效傳輸、耗電表現更低

基本上，USB 3.0應用設計的最大改善，是比USB 2.0更優異的電源效率升級設計方案，3.0介面可有助於系統裝置達到更優異的電源管理品質，例如，新規格在開發應用時，已有多項技術作法可以減低產品功耗。原有在USB 2.0設計中，主機(Host)端控制晶片，會採取連續性的輪詢樹枝狀結構，依序輪詢各個銜接裝置狀態，檢查這些接續裝置是否有傳送資料至主機系統的使用需求，而採行裝置輪詢機制也代表著銜接的所有裝置必須處於可運作型態，同時必須維持可持續傳輸資料的運行狀態。

在USB 2.0的傳輸機制下，即使接續的相關裝置都處於無資料可傳輸的狀態，整個系統架構仍需對主機(Host)系統詢問傳輸無資料回應(Negative AcKnowledge；NAK)狀態，但整個運行過程即便沒有傳遞資料，系統仍須為了維持USB 2.0連接裝置運行，讓整個系統持續耗用電力，甚至會讓裝置、主機端因應休眠狀態的相關設計增加不少難度。

USB 3.0大幅改變應用機制 達到節能需求

因為USB 3.0已將封包傳輸方式，從原有的廣播，改變成導向(Directed)形式，這對於降低USB 3.0介面與相關連接裝置的功耗表現，相當有助益！USB 3.0介面取消了Device Polling、Broadcasting Packets機制，這可減少因輪詢、廣播造成的無謂操作，節省有限的電力，同時在新介面重新定義了Intermediate Idle States，讓系統電源應用更有效率。

最有趣的是，USB 3.0介面超過10倍的效能助益，讓資料傳輸所花的時間僅原有10分之1，這代表USB主控晶片在高峰運行的時間減少10倍，主控晶片耗能也相對減低。USB 3.0將封包導向至預定目標，僅需在Host端晶片設計進行部分變更，即可實現應用。

在傳統USB 2.0設計方案中，設備會有ACTIVE、SUSPEND兩種狀態，而在新式USB 3.0介面，除ACTIVE(U0)、SUSPEND(U3)狀態外，另增加FAST EXIT IDLE(U1)與SLOW EXIT IDLE(U2)設備狀態，這可以降低設備或裝置處在不傳輸、接收資料時的整體功耗。設備在FAST EXIT IDLE模式時，設備的連線會處在閒置狀態，但實際上裝置本身之運行時脈依舊持續運行。SLOW EXIT IDLE狀態中，裝置的連結與時脈都會關閉，因此裝置重新連接會較為耗時，才能啟動資料高速傳輸模式，此外，USB 3.0的ACTIVE與SUSPEND模式，則與USB 2.0規範相同。

再來，USB傳輸速度增加10倍，實際上也會讓設備與連接方的整體耗能降低，即便是Host與設備處於5Gbit/s高速傳送狀態所需的峰值電流，為USB 2.0晶片的2~5倍，但主控晶片僅相當短的時間耗用峰值電流，也因傳輸工作可以花更少的時間，因此主控晶片並非全時都以全速運行所需的高電流耗用，實際運作時間約較舊介面節省10倍，如果以固定的傳輸量來評估，USB 3.0的整體功耗僅為USB 2.0一半或更低。

換用全雙工架構 提升匯流排使用效率

另外，USB 3.0介面的另一個重點是如何以更有效率的方式應用匯流排資源。前述曾經提過，USB 3.0採取不用輪詢機制來節省介面耗用電力，這個設計方案同時也具備提升匯流排使用效率的優點，USB 3.0採全雙工架構，可允許同時進行雙向資料傳送，但實際上要達到雙向傳輸、全雙工的應用機制，在取消主機輪詢機制後，USB 3.0勢必要另尋一個主機與裝置端的互動機制，才能達成高速傳輸的設計目的。

在USB 2.0架構中，系統會透過輪詢來確認接續產品的傳輸需求，基本上輪詢會持續、不斷地進行，才能在終端裝置發出需求的同時讓主機端確認有裝置進行傳輸，過程中會從第一個裝置問到最後一個裝置、週而復始。而USB 3.0新介面的設計架構，終端裝置僅在需要進行傳輸時才提出請求，主機端確認後即進行針對終端裝置的高速雙向傳送，同時採行非同步通知的方法，令周邊裝置在有資料傳輸時才執行相關處理程序。