浅谈 USB – Universal Serial Bus

原创声明

作者:GRL实验室 / 曾威华 Wing Tseng

USB – Universal Serial Bus

USB 全名为 Universal Serial Bus,最早的版本在 1996 年问世,至今已成为目前科技产品中最普遍的传输介面,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,成为市场上最广泛被利用的界面。

 

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)。值得一提的是最常被搞混的 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月发布最新一代 USB4规格,支持20Gbps 与40Gbps。

表(一)

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 最多可连接至 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,最常见的为 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 最长可达 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 最长只可达 3 米。将各种接头规格与传输速度所对应到的线缆最长长度整理如表(三):

Plug 1 Plug 2 USB版本 最大线长
Type-A Type-B USB 2.0 5米
Type-A Type-B USB 3.2 Gen1 3米
Type-C Type-C USB 2.0 4米
Type-C Type-C USB 3.2 Gen1 2米
Type-C Type-C USB 3.2 Gen2 1米
Type-A Type-C USB 2.0 4米
Type-A Type-C USB 3.2 Gen2 1米
Type-C Type-B USB 2.0 4米
Type-C Type-B USB 3.2 Gen2 1米
Type-C Micro-B USB 2.0 2米
Type-C Micro-B USB 3.2 Gen2 1米

表(三)

USB Pinout

先从 Legacy 说起,请见表(四):

  1. USB Legacy(Type-A and Type-B)Pinout

表(四)

表(四)中的脚位如表(五)所述:

1 VBUS (5V) 5 SSRx-
2 D- 6 SSRx+
3 D+ 7 GND_DRAIN(讯号接地)
4 GND (Power接地) 8 SSTx-
9 SSTx+

表(五)

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。

  1. USB Legacy(Micro-B)Pinout

表(六)

表(六)中的脚位如表(七)所述:

1 VBUS (5V) 6 SSRx-
2 D- 7 SSRx+
3 D+ 8 GND_DRAIN(讯号接地)
4 ID pin (OTG ID确认脚位) 9 SSTx-
5 GND (Power接地) 10 SSTx+

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。

  1. 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:

Mode SVIDs值
USB 0xFF00
TBT3 0x8087
DP 0xFF01
HDMI 0xFF04

表(八)

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

 

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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。

 

关于Granite River Labs

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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