看懂 USB 3.0：為什麼很快？架構完整大介紹

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＞

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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）

▲ 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

▲ 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＞

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電源管理聰明化

USB 3.0除了頻寬外，最為人津津樂道的就是匯流排供電能力，基本輸出電流量範圍是150∼900mA之間，較USB 2.0最高500mA增加了80％供應量。充足的電力能夠驅動更多類型裝置，像是USB 2.0介面遇到採用7200RPM轉速機種的2.5吋外接硬碟，往往得使用Y型分接線，多佔用1組USB連接埠才能取得足夠電力。對USB 3.0而言就沒有這樣的困擾，而且也能縮短行動裝置充電時間。

不過提高輸出負載，等同也是增加了系統耗電量，特別不利於筆電這類行動裝置，勢必加強電源管理機制才行。

除了以往的U0（運作狀態，各裝置可立即傳送和接收封包）、U3（休眠模式，由軟體控制），另外新增U1（待機與快速恢復，各裝置在低耗電模式）和U2（待機與緩慢恢復，轉回U0狀態的延遲時間較U1長）2種模式，並且以PLL（Phase Locked Loop；鎖相迴路）控制運作狀態，增加架構中各環節裝置的省電性能。

高速不一定最耗電

此外，主控端能夠向裝置傳送packet pending、end of burst、last packet等多種旗標訊號，讓裝置不用等待匯流排閒置，就能自行判斷是否進入待機模式。且裝置處於待機狀態時，還能改用LFPS（Low Frequency Periodic Signaling；低頻率週期訊號）與主控端維持通訊，甚至是進行封包傳輸作業。此外，還有function suspend、device suspend、host initiated suspend等多種休眠機制，提供像是暫停裝置的特定功能等作用。

另一個MLT（Latency Tolerance Message；延遲容忍訊息）功能，就像啟動延遲功能，當裝置向主控端回報ERDY狀態，從送出訊號到接收到回應訊號之前，能夠持續向主控端告知可接受的最大延遲。以上的諸多電源管理設計，並不會改變資料傳輸時的耗電量，但是由於USB 3.0資料傳輸速度快，相對的運作時間更短，平均耗電量反而比USB 2.0低。其關係式就像筆電處理器性能，與電池續航力消長的對比。

總結來看，USB-IF（USB Implementers Forum；USB論壇）大幅改造了USB體質，具備更強大的層級架構，配置獨立單雙工資料傳輸線，並改善資料傳遞廣播模式，以及完善的電源管理功能，因而成就高達5Gbps頻寬的USB 3.0。