2.0到3.0 的四大進展

USB 3.0採用了對偶差動信號線，使得傳輸速率增加10倍，來到5 Gbps，且支援全雙工（dual-simplex）傳輸，效能的提升程度相當明顯。

從傳輸速度到實體層編碼

其次，如圖1-1所示，USB 3.0實體層採用了8b/10b的傳輸編碼（定義於ANSI X3.230-1994, clause 11），可以提供在實體層傳送之位元串有足夠的訊號轉換頻率，使接收端能從中復原時序 （clock recovery），也提高電氣的直流平衡性（DC Balance），提供偵錯能力，降低位元錯誤率（bit error rate）。

《圖一　USB 3.0實體層編碼與序列對應》

從時脈展頻到電源管理

USB 2.0採用位元層級的時間同步機制（bit-level timing synchronization），接收端需要使用鎖相電路。USB 3.0使用展頻時脈調變（Spread Spectrum Clocking / SSC modulation），也就是刻意在時脈訊號（Clock signal）中添加抖動（jitter），將特定造成電磁干擾的能量由特定頻率打散，進而減輕其干擾程度。

在電源規範上，USB 3.0電力的最大供應能力提高至900mA，組態電流也放寬至150mA。而在供電電壓的要求，主機端的根連接埠（root hub）的最低規範電壓降低至4.45V。另外，USB 3.0還加入多層級鏈結（multi-level link）電源管理機制，支援待機、休眠、喚醒和暫停等模式。USB 3.0的電源管理含括了鏈結（link）、裝置（device）以及功能（function）等層級，相較於USB 2.0僅提供裝置層級的電源管理，進步許多。

突破速限的全新架構

USB 3.0使用了雙匯流排的架構，包含了USB 3.0特有的超高速匯流排（SuperSpeed bus）以及現有的USB 2.0匯流排，相容於現有的USB 2.0。架構中除了包含既有的USB 2.0主控器OHCI（Open Host Controller Interface）、UHCI （Universal Host Controller Interface）及 EHCI （Enhanced Host Controller Interface）之外，更加入了USB3.0專用的XHCI （Extensible Host Controller Interface），用於支援最新的USB 3.0匯流排通信標準。此外，USB 3.0主控器支援SuperSpeed以及non-SuperSpeed （USB 2.0 speeds）二種傳輸模式同時運作。

《圖二　USB 3.0雙匯流排架構》

匯流排執行作業

主機端與裝置端的對偶差動信號線都採用交流偶合（AC-coupled）的方式來傳遞信號，用二個獨立通道作為資料的傳送與接收，藉此達到超高傳輸速率。

在匯流排執行作業的協定上，USB 3.0使用封包路由（packet-routing）技術，集線器（hub）會根據路由資訊（routing information），直接傳遞到指定的連接埠。透過USB 3.0採用單點直播（unicast）以及多點組播來取代USB 2.0慣用的廣泛廣播，最明顯好處就是可以節省下游端裝置以及集線器的耗電量，下游端裝置不需要對所有的封包進行解碼動作，僅需要處理跟自己有關的封包即可。集線器也因此可使用較少的能量，便能把封包有效傳送到所指定的連接埠。

實體層電氣腳位與纜線

USB 2.0介面採用半雙工（half-duplex）的傳輸結構，同一時間內，只允許主機把資料傳輸至裝置或是裝置傳輸資料至主機。而在USB 3.0的規範中則採用了全雙工的傳輸結構，擁有獨立的資料傳送線路以及資料接收線路，因此，主機與裝置可以同時進行傳送與接收資料。

USB 3.0的纜線如圖3所示，主要由三個群組所形成：

不具遮蔽之雙絞線

相容於既有USB 2.0傳輸所需之訊號針腳。

具遮蔽之差動訊號對

由於USB 3.0的傳輸速率高達5Gbps，好的遮蔽可以確保訊號在纜線中傳導的完整性，且降低電磁干擾。纜線在實做上，除了採用雙絞線的纏繞方式，也在每組SDP內多納入一根訊號接地線，纜線的最外圍也要求使用具遮蔽效果的金屬繞帶保護。

電源與接地線

USB 3.0的標準A或B型連接器擁有9根訊號針腳（表一），針腳1~針腳4依序分別是供電（VBUS）、USB 2.0的數據負端（D-）、USB 2.0的數據正端（D+）與電源接地（GND），針腳5~針腳9則是SuperSpeed特有的一組差動傳輸對（SSTX+/SSTX-）、差動接收對（SSRX+/SSRX-）以及訊號接地（GND）。

《圖三　USB 3.0纜線剖面》

更有效率的連接埠狀態偵測

對於偵測有無USB裝置插入USB連接埠時候的判別方式，USB 2.0的運作機制為首先偵測出使否有連接的事件發生（connect event），然後再經由一連串的系統軟體控制命令去啟動（enable）該USB連接埠。而USB 3.0則是在硬體偵測到有連接的事件發生後，便直接啟動該USB連接埠。

超前瞻！薄型卡市場需求動能充沛

由於USB規格已經在整體傳輸介面佔有90%的普及率，隨著高畫質多媒體影音資料傳輸的高頻寬需求，現今的USB2.0規格已經不敷使用。因此，USB 3.0的未來的普及是一種必然的需求。面對倍數成長的未來市場，在技術處的支持下，工研院結合國內產業優勢、擴大與國際標準組織互動，進一步為我國孕育具競爭優勢的新興產業技術，這個成果將可為我國資訊產業創造達新台幣1,000億元之產值。

於2009年12月，工研院結合台灣向來具備的優秀人才與優勢技術，領先推出全球第一張USB 3.0薄型記憶卡。

《圖四　全球首張USB 3.0薄型記憶卡》

對消費者而言，面對數位產品的多元化，在不同產品間儲存資料的需求日增，USB 3.0記憶卡可支援PC產品，解決了其他儲存規格需要多合一轉換器的問題。由於USB 3.0薄型記憶卡兼具「輕薄短小」的體積、「高效能、低功耗」實現技術的成熟度高等全面性優勢，這讓USB 3.0薄型記憶卡有非常大的機會從傳統的PC使用擴展至嵌入式系統以及個人化手持裝置。

《圖五　工研院資通所組長劉智遠希望USB3.0薄卡未來能與現行SD記憶卡匹敵。》

在數位合流的趨勢越來越明顯及快速的浪潮下，未來記憶卡的市場發展也勢必得滿足4C裝置的要求，除了基本必備的體積小、快速、省電，對消費者來說，最好還能夠達到「一卡通吃」的境界，一張卡可以直接相容於生活裡所有的數位產品。USB 3.0薄型記憶卡不僅擁有出色的傳輸速率與容量，而且未來消費者也不再需要透過任何轉接卡，就可以在任何4C產品中來去自如的存取數據、音樂與影片。最後，期盼在不久的未來就可看到來自台灣領導推出的USB 3.0薄型記憶卡，在全世界市場發光發熱，成為讓國人驕傲的「台灣之光」。

USB3.0進攻記憶卡市場的三項心法

《圖六　USB 3.0薄型記憶卡未來應用》

電腦端數據交換

人們已經習慣透過USB來搬移大量的數位資料，大容量與高傳輸速率將是未來記憶卡必備的兩項基本條件，USB 3.0薄型記憶卡的支援容量可以到達2TB，可以滿足高畫質多媒體裝置以及電腦系統資料儲存的所需的大容量空間；其高達5Gbps介面傳輸速率也能有效解決消費者以往擁有大容量，卻需耗費長時間儲存檔案的困擾。

嵌入式系統應用

快閃記憶體密度越來越高，且在相同數量的快閃記憶體單元下，容量因製程而大增，大大降低成本。其次，透過資料的平行處理技術，以及ONFI組織推動的標準化及高效能快閃記憶體存取共同標準，更將可以有效提升新一代的薄型記憶卡的實際存取速率，達到USB 3.0所提供的5Gbit/s超高速頻寬。USB 3.0薄型記憶卡本身除了能夠快速開關、體積小、更有低功耗以及上述的高度客製化所需的彈性，可以貼合各式各樣的嵌入式系統裝置應用所需。

手持式裝置記憶體升級

隨著高畫質影音錄放媒體的發展所衍伸對於高存取頻寬需求的自然趨勢，USB 3.0薄型記憶卡可作為一個提供先進的記憶卡解決方案，其所具備的超低記憶體存取時間與提供大型多媒體檔案的高速存取方面，跨出革命性的一步。像是HD攝錄影機、智慧型手機、高畫質數位相機等應用。

《圖七　USB 3.0薄型記憶卡外型與硬幣同等輕薄》

參考資料

[1] Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0, November 12, 2008