Granite River Labs, GRL
曾威华 Wing Tseng
USB – Universal Serial Bus USB 全名为 Universal Serial Bus，早期的版本在 1996 年问世，至今已成为目前科技产品中相当普遍的传输介面，从桌机、笔记本电脑、屏幕，直至各类电子产品皆能发现其踪影。先从简单的名词定义看起：
- Universal: 普遍，意即开发此接口的初衷是希望可以适用于所有装置
- Serial: 以 Serial 方式来传输，传输时一次传送一个位，较 Parallel 容易维持时间的同步
- Bus: 总线的架构，方便扩充以及使用
从全名的简单定义上可以初步看出此应用的初衷及应用原理，意即拥有了一个统一界面的理想，接下来的演变及进步皆是围绕着此初衷发展，也同时因应市场的需求，逐步增加了传输速度，成为市场上广泛被利用的界面。
传输速度的演进
USB1.0 在 1996 年问世，接着在速度的增长下也不断的出现新的名词定义（详见下表）。值得一提的是常被搞混的 USB3.1 Gen1 及 Gen2。此差异性来自 2013 年 USB3.1 -SuperSpeedPlus 的出现，此时的传输速度达到10Gbps，同时也因为 SuperSpeed （5Gbps）和 SuperSpeedPlus （10Gbps）在念法上有点饶口，故 USB-IF（USB开发者论坛）将 5Gbps 和 10Gbps 更名为 USB3.1 Gen1 以及 USB3.1 Gen2。至现今，有了 USB Type-C 线缆及连接器的加入，USB3.2 利用 USB Type-C 特点，新增支持双信道传输，传输速度可达 20Gbps，又称为 Enhanced SuperSpeed。2019年9月发布新一代 USB4规格，支持20Gbps 与40Gbps。
表（一）
（来源: USB-IF Logo License – Logo Usage Guidelines）
USB 产品种类
USB 的产品种类分有以下几种，Host（System）、Peripheral（Device）、Hub、Compound Device、 Embedded Host、OTG（On The Go）。
举例来说，笔电、桌机为 Host（System）；随身硬盘和打印机等为 Peripheral 也就是 Device；Hub 为一种集线器，近似于一种扩充装置，将 Host 的一个端口连接至 Hub 后可接数个 Device， USB 的 Hub 顶多可连接至 5 个；Compound Device 则为一种挂有 Hub的 Device；Embedded Host 泛指非 Windows 系统的装置，例如 Chrome、 Linux OS 的系统等；OTG 为可当 Host 也可作 Device 的产品，例如手机。
USB 接头种类
USB 的接头以外观来说大致可分为表（二）中的几类：
表（二）
以目前市售的产品中，常见的为 Standard A（Type-A），此规格又分为 Plug 及 Receptacle。Type-A 的Receptacle 用于 Host 端，如桌机、笔电…等等；而 Plug 则用于 Device；Standard B（Type-B）的此种接头多用于打印机、外接硬盘盒等；而 Micro B 则因为接头小巧，适用在较小型的设备，如手机、随身硬盘等……。USB-IF 协会于 2014 年推出了 USB Type-C，就外观而言没有正反面的差异，因此可以正反插，且在 Host 或 Device 端皆适用，进而让 USB 的发展离 Universal 一词又更进了一步，就市场面而言，统一接口的理想将不再遥远，Type-C 也被预言将成为主流。
若以功能性做区分，则 USB 的接口则分为 DownStream Facing Port（DFP） 及 UpStream Facing Port（UFP）两种； DFP 为 Host 上的接口，此端口可向下连接 Device，UFP 为 Device 上的接口，可上接 Host，DFP 和 UFP 连接后才会有传输功能。
在线缆的部分，Type-A to Type-B 线缆在 High Speed 长可达 5 米；但在 USB3.1 因传输速度更快，讯号损失会加剧，所以 Type-A 与 Type-B 线缆在 SuperSpeed 长只可达 3 米。将各种接头规格与传输速度所对应到的线缆长度整理如表（三）：
表（三）
USB Pinout
先从 Legacy 说起，请见表（四）：
表（四）
表（四）中的脚位如表（五）所述：
SuperSpeed 必须向下兼容 USB2.0，那么我们先来看一下连接器如何向下兼容。藉由观察 Type-A 脚位图，及 Type-B 脚位图中多出来的 5 根脚位即为 SuperSpeed 高速讯号的两对差分讯号对及一根接地脚位。其中可以观察到 Type-A 将 5 根脚位藏在既有的连接器规格中，但在 Type-B 就可发现多出来的 5 根脚位使用额外的区域，稍稍增加了连接器大小。
USB Legacy（Micro-B）Pinout
表（六）
表（六）中的脚位如表（七）所述：
表（七）
表中 D+、D-脚位作为 USB2.0 传输数据脚位，由 Host 与 Device 共享。当 Host 与 Device 连接时，一次只能由其中一方传输数据，又称为半双工传输方式。USB3.1 由 SS Tx+/Tx- 和 SS Rx+/Rx-这两对差分讯号传送与接收资料，可以同时间传送资及接收数据，也称作全双工传输方式。
USB Type-C Pinout
图（一）Type-C Receptacle
图（二）Type-C 的 Plug 依上图可观察出相较 Legacy 的接口而言，Type-C 上多出了 CC、VCONN 和 SBU 的脚位。
a. CC 脚位：
比对后会发现在 Type-C Plug 只有单边的 CC 脚位，当 Plug 与 Receptacle 连接时，由 Plug 端的CC 脚位的正反插来决定 Power Delivery 的讯号会透过哪一个 CC 脚位沟通，若连接到的为Receptacle 的 CC1，Power Delivery 的讯号则会由 CC1 做沟通，同时 CC2 将转为 VCONN 的角色（如图（三）所示），而高速讯号则会以 Tx1 与 Rx1 做传输。
图（三） CC 脚位
b. VCONN 脚位:
用以供电给 E-Marked IC 缆线。
c. SBU（Sideband Use）：
脚位在 Alternate Mode 时会使用到，当 USB 功能使用时则用不到此脚位。
USB Type-C Alternate Mode
在 USB-IF 推出 Type-C 接口之后，除了使用于 USB 应用本身之外，同时也因为其小巧的接头以及无正反差的规格特性使得 ThunderBolt3 以及 Display Port 等技术也相继采用 Type-C 做为传输接口，进而定义出了 Alternate Mode，如 TBT3、DP、VirtualLink 等……。针对 Alternate Mode，以下列举 Thunderbolt3 及 DisplayPort 的 Type-C 为例：
- Thunderbolt3：
在 Thunderbolt3 的脚位如图（四）所示，两对高速讯号可同时使用，SBU 脚位则是用于低速讯号的沟通（LSTx 及 LSRx）。
- DPC：
脚位分配如下，DisplayPort 讯号以两对高速讯号对传送，SBU 脚位则用来 AUX+及 AUX-沟通。
图（五）
了解脚位的分配后，接下来讨论 Type-C 是如何进入 Alternate Mode 的。首先请见表（八）：每个 Alternate Mode 都有他所对应的 SVIDs 值。
当 Host 与 Device 连接上之后，Device 或线缆会回传所支持的 SVIDs 值给 Host，沟通目前所支持的模式为何，此时若要进入 USB 以外的模式则会先进入 USB Safe State，用以确保 USB 的讯号完整性，而后才会开始进到Alternate Mode，详细的沟通过程可见图六：
图（六）：Discover SVIDs → Discover Mode → USB Safe State → Enter Mode
USB 3.2
USB3.2 将原 USB3.1 Gen2 的传输速度翻倍进而达到 20Gbps，而翻倍基础其实是使两对高速讯号可以同时传送 10Gbps 的资料。对此，在 USB3.2 的规范中有提到，当 DFP 和 UFP 连接起来后，决定使用 1 Lane 高速差动信号通道，还是 2 Lanes 高速差动信号信道来传输。这里将 LBPM PHY Capability 的 8 个位设置意义整理成如下表（九）。
表（九）
其中 USB3.2 Gen2x2 代表传送速度为 Gen2 的 10Gbps，故使用两通道（Lane）同时传 10Gbps 的数据速率，即可将传输速度提升到 20Gbps。
关于USB4技术解析，请点击：https://graniteriverlabs.com.cn/article-usb4-tech-application/
参考文献：
- Universal Serial Bus 3.2 Specification, September 22, 2017
- Unibersal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, July 14, 2017
作者
GRL 测试工程师曾威华 Wing Tseng
擅长 USB、PCIe、SATA 接口测试。GRL 技术文章作者及讲师。希望帮助大家顺利测试拿到接口 Logo，彼此互相交流共同成长飞翔。
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2019/05/20 AN-190501-TW
