2.0到3.0 的四大进展

USB 3.0采用了对偶差动信号线，使得传输速率增加10倍，来到5 Gbps，且支持全双工（dual-simplex）传输，效能的提升程度相当明显。

从传输速度到物理层编码

其次，如图1-1所示，USB 3.0物理层采用了8b/10b的传输编码（定义于ANSI X3.230-1994, clause 11），可以提供在物理层传送之位串有足够的讯号转换频率，使接收端能从中复原时序 （clock recovery），也提高电气的直流平衡性（DC Balance），提供侦错能力，降低位错误率（bit error rate）。

《图一 USB 3.0物理层编码与序列对应》

从频率展频到电源管理

USB 2.0采用位层级的时间同步机制（bit-level timing synchronization），接收端需要使用锁相电路。USB 3.0使用展频频率调变（Spread Spectrum Clocking / SSC modulation），也就是刻意在频率讯号（Clock signal）中添加抖动（jitter），将特定造成电磁干扰的能量由特定频率打散，进而减轻其干扰程度。

在电源规范上，USB 3.0电力的最大供应能力提高至900mA，组态电流也放宽至150mA。而在供电电压的要求，主机端的根端口（root hub）的最低规范电压降低至4.45V。另外，USB 3.0还加入多层级链结（multi-level link）电源管理机制，支持待机、休眠、唤醒和暂停等模式。USB 3.0的电源管理含括了链结（link）、装置（device）以及功能（function）等层级，相较于USB 2.0仅提供装置层级的电源管理，进步许多。

突破速限的全新架构

USB 3.0使用了双总线的架构，包含了USB 3.0特有的超高速总线（SuperSpeed bus）以及现有的USB 2.0总线，兼容于现有的USB 2.0。架构中除了包含既有的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专用的XHCI （Extensible Host Controller Interface），用于支持最新的USB 3.0总线通信标准。此外，USB 3.0主控器支持SuperSpeed以及non-SuperSpeed （USB 2.0 speeds）二种传输模式同时运作。

《图二 USB 3.0双总线架构》

总线执行作业

主机端与装置端的对偶差动信号线都采用交流偶合（AC-coupled）的方式来传递信号，用二个独立信道作为数据的传送与接收，藉此达到超高传输速率。

在总线执行作业的协议上，USB 3.0使用封包路由（packet-routing）技术，集线器（hub）会根据路由信息（routing information），直接传递到指定的端口。透过USB 3.0采用单点直播（unicast）以及多点组播来取代USB 2.0惯用的广泛广播，最明显好处就是可以节省下游端装置以及集线器的耗电量，下游端装置不需要对所有的封包进行译码动作，仅需要处理跟自己有关的封包即可。集线器也因此可使用较少的能量，便能把封包有效传送到所指定的端口。

物理层电气脚位与缆线

USB 2.0接口采用半双工（half-duplex）的传输结构，同一时间内，只允许主机把数据传输至装置或是装置传输数据至主机。而在USB 3.0的规范中则采用了全双工的传输结构，拥有独立的数据传送线路以及数据接收线路，因此，主机与装置可以同时进行传送与接收数据。

USB 3.0的缆线如图3所示，主要由三个群组所形成：

不具遮蔽之双绞线

兼容于既有USB 2.0传输所需之讯号针脚。

具遮蔽之差动讯号对

由于USB 3.0的传输速率高达5Gbps，好的遮蔽可以确保讯号在缆线中传导的完整性，且降低电磁干扰。缆线在实做上，除了采用双绞线的缠绕方式，也在每组SDP内多纳入一根讯号接地线，缆线的最外围也要求使用具遮蔽效果的金属绕带保护。

电源与接地线

USB 3.0的标准A或B型连接器拥有9根讯号针脚（表一），针脚1~针脚4依序分别是供电（VBUS）、USB 2.0的数据负端（D-）、USB 2.0的数据正端（D+）与电源接地（GND），针脚5~针脚9则是SuperSpeed特有的一组差动传输对（SSTX+/SSTX-）、差动接收对（SSRX+/SSRX-）以及讯号接地（GND）。

《图三 USB 3.0缆线剖面》

更有效率的端口状态侦测

对于侦测有无USB装置插入USB端口时候的判别方式，USB 2.0的运作机制为首先侦测出使否有连接的事件发生（connect event），然后再经由一连串的系统软件控制命令去启动（enable）该USB端口。而USB 3.0则是在硬件侦测到有连接的事件发生后，便直接启动该USB端口。

超前瞻！薄型卡市场需求动能充沛

由于USB规格已经在整体传输接口占有90%的普及率，随着高画质多媒体影音数据传输的高带宽需求，现今的USB2.0规格已经不敷使用。因此，USB 3.0的未来的普及是一种必然的需求。面对倍数成长的未来市场，在技术处的支持下，工研院结合国内产业优势、扩大与国际标准化组织互动，进一步为我国孕育具竞争优势的新兴产业技术，这个成果将可为我国信息产业创造达新台币1,000亿元之产值。

于2009年12月，工研院结合台湾向来具备的优秀人才与优势技术，领先推出全球第一张USB 3.0薄型记忆卡。

《图四 全球首张USB 3.0薄型记忆卡》

对消费者而言，面对数字产品的多元化，在不同产品间储存数据的需求日增，USB 3.0记忆卡可支持PC产品，解决了其他储存规格需要多合一转换器的问题。由于USB 3.0薄型记忆卡兼具「轻薄短小」的体积、「高效能、低功耗」实现技术的成熟度高等全面性优势，这让USB 3.0薄型记忆卡有非常大的机会从传统的PC使用扩展至嵌入式系统以及个人化手持装置。

《图五 工研院资通所组长刘智远希望USB3.0薄卡未来能与现行SD记忆卡匹敌。》

在数字合流的趋势越来越明显及快速的浪潮下，未来记忆卡的市场发展也势必得满足4C装置的要求，除了基本必备的体积小、快速、省电，对消费者来说，最好还能够达到「一卡通吃」的境界，一张卡可以直接兼容于生活里所有的数字产品。USB 3.0薄型记忆卡不仅拥有出色的传输速率与容量，而且未来消费者也不再需要透过任何转接卡，就可以在任何4C产品中来去自如的存取数据、音乐与影片。最后，期盼在不久的未来就可看到来自台湾领导推出的USB 3.0薄型记忆卡，在全世界市场发光发热，成为让国人骄傲的「台湾之光」。

USB3.0进攻记忆卡市场的三项心法

《图六 USB 3.0薄型记忆卡未来应用》

计算机端数据交换

人们已经习惯透过USB来搬移大量的数字数据，大容量与高传输速率将是未来记忆卡必备的两项基本条件，USB 3.0薄型记忆卡的支持容量可以到达2TB，可以满足高画质多媒体装置以及计算机系统数据储存的所需的大容量空间；其高达5Gbps接口传输速率也能有效解决消费者以往拥有大容量，却需耗费长时间储存盘案的困扰。

嵌入式系统应用

闪存密度越来越高，且在相同数量的闪存单元下，容量因制程而大增，大大降低成本。其次，透过数据的平行处理技术，以及ONFI组织推动的标准化及高效能闪存存取共同标准，更将可以有效提升新一代的薄型记忆卡的实际存取速率，达到USB 3.0所提供的5Gbit/s超高速带宽。USB 3.0薄型记忆卡本身除了能够快速开关、体积小、更有低功耗以及上述的高度客制化所需的弹性，可以贴合各式各样的嵌入式系统装置应用所需。

手持式装置内存升级

随着高画质影音录放媒体的发展所衍伸对于高存取带宽需求的自然趋势，USB 3.0薄型记忆卡可作为一个提供先进的记忆卡解决方案，其所具备的超低内存访问时间与提供大型多媒体档案的高速存取方面，跨出革命性的一步。像是HD摄录像机、智能型手机、高画质数字相机等应用。

《图七 USB 3.0薄型记忆卡外型与硬币同等轻薄》

参考数据

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