【技術文章】淺談 USB – Universal Serial Bus

Granite River Labs, GRL
Wing Tseng 曾威華 

 

          USB 全名為 Universal Serial Bus,最早的版本在 1996 年問世,至今已成為目前科技產品中最普遍的傳輸介面,從桌機、筆記型電腦、螢幕,直至各類電子產品皆能發現其蹤影。先從簡單的名詞定義看起:

  • Universal:普遍,意即開發此介面的初衷是希望可以適用於所有裝置
  • Serial:以 Serial 方式來傳輸,傳輸時一次傳送一個位元,較 Parallel 容易維持時間的同步
  • Bus:匯流排的架構,方便擴充以及使用

          從全名的簡單定義上可以初步看出此應用的初衷及應用原理,意即擁有了一個統一介面的理想,接下來的演變及進步皆是圍繞著此初衷發展,也同時因應市場的需求,逐步增加了傳輸速度,成為市場上最廣泛被利用的介面。

 

» USB 傳輸速度的演進

          USB 1.0 在 1996 年問世,接著在速度的增長下也不斷的出現新的名詞定義(詳見表一)。

          值得一提的是最常被搞混的 USB 3.1 Gen1 及 Gen2,此差異性來自 2013 年 USB 3.1 – SuperSpeedPlus 的出現,此時的傳輸速度達到 10Gbps,同時也因為 SuperSpeed (5Gbps)和 SuperSpeedPlus (10Gbps)在念法上有點饒口,故 USB-IF(USB 開發者論壇)將 5Gbps 和 10Gbps 更名為 USB 3.1 Gen1 以及 USB 3.1 Gen2。至現今,有了 USB Type-C 線纜及連接器的加入,USB 3.2 利用 USB Type-C 特點,新增支援雙通道傳輸,傳輸速度可達 20Gbps,又稱為 Enhanced SuperSpeed。

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表 1

 

» USB 產品種類

          USB 的產品種類分有以下幾種,Host(System)、Peripheral(Device)、Hub、Compound Device、Embedded Host、OTG(On The Go)。

          舉例來說,筆電、桌機為 Host(System);隨身硬碟和印表機等為 Peripheral 也就是 Device;Hub 為一種集線器,近似於一種擴充裝置,將 Host 的一個端口連接至 Hub 後可接數個 Device, USB 的 Hub 最多可連接至 5 個;Compound Device 則為一種掛有 Hub的 Device;Embedded Host 泛指非 Windows 系統的裝置,例如 Chrome、Linux OS 的系統等;OTG 為可當 Host 也可作 Device 的產品,例如手機。

 

» USB 接頭種類

USB 的接頭以外觀來說大致可分為下表中的幾類:

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表 2

 

          以目前市售的產品中,最常見的為 Standard A(Type-A),此規格又分為 Plug 及 Receptacle。Type-A 的 Receptacle 用於 Host 端,如桌機、筆電…等等, Plug 則用於 Device;Standard B(Type-B)的此種接頭多用於印表機、外接硬碟盒等;而 Micro B 則因為接頭小巧,適用在較小型的設備,如手機、隨身硬碟等……。USB-IF 協會於 2014 年推出了 USB Type-C,就外觀而言沒有正反面的差異,因此可以正反插,且在 Host 或 Device 端皆適用,進而讓 USB 的發展離 Universal 一詞又更進了一步,就市場面而言,統一介面的理想將不再遙遠,Type-C 也被預言將成為主流。

          若以功能性做區分,則 USB 的接口則分為 DownStream Facing Port(DFP) 及 UpStream Facing Port(UFP)兩種; DFP 為 Host 上的接口,此端口可向下連接 Device,UFP 為 Device 上的接口,可上接 Host,DFP 和 UFP 連接後才會有傳輸功能。

          在線纜的部分,Type-A to Type-B 線纜在 High Speed 最長可達 5 米;但在 USB 3.1 因傳輸速度更快,訊號損失會加劇,所以 Type-A 與 Type-B 線纜在 SuperSpeed 最長只可達 3 米。將各種接頭規格與傳輸速度所對應到的線纜最長長度整理如表三:

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表 3

 

» USB Pinout

先從 Legacy 說起,請見表四:

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

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表 4

 

上表中的腳位如表五所述:

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表 5

 

          SuperSpeed 必須向下相容 USB2.0,那麼我們先來看一下連接器如何向下相容。藉由觀察 Type-A 腳位圖,及 Type-B 腳位圖中多出來的 5 根腳位即為 SuperSpeed 高速訊號的兩對差分訊號對及一根接地腳位。其中可以觀察到 Type-A 將 5 根腳位藏在既有的連接器規格中,但在 Type-B 就可發現多出來的 5 根腳位使用額外的區域,稍稍增加了連接器大小。

 

2. USB Legacy(Micro-B)Pinout

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表 6

 

表六中的腳位如表七所述:

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表 7

 

          表中 D+、D- 腳位作為 USB2.0 傳輸資料腳位,由 Host 與 Device 共用。當 Host 與 Device 連接時,一次只能由其中一方傳輸資料,又稱為半雙工傳輸方式。USB3.1 由 SS Tx+/Tx- 和 SS Rx+/Rx-這兩對差分訊號傳送與接收資料,可以同時間傳送資及接收資料,也稱作全雙工傳輸方式。

 

3. USB Type-C Pinout

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圖 1:Type-C Receptacle

 

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圖 2:Type-C Plug

 

依上圖可觀察出相較 Legacy 的接口而言,Type-C 上多出了 CC、VCONN 和 SBU 的腳位。

1. CC 腳位:

比對後會發現在 Type-C Plug 只有單邊的 CC 腳位,當 Plug 與 Receptacle 連接時,由 Plug 端的
CC 腳位的正反插來決定 Power Delivery 的訊號會透過哪一個 CC 腳位溝通,若連接到的為 Receptacle 的 CC1,Power Delivery 的訊號則會由 CC1 做溝通,同時 CC2 將轉為 VCONN 的角色(如圖三),而高速訊號則會以 Tx1 與 Rx1 做傳輸。

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圖 3:CC 腳位

 

2. VCONN 腳位:

用以供電給 E-Marked IC 纜線。

 

3. SBU(Sideband Use)腳位:

腳位在 Alternate Mode 時會使用到,當 USB 功能使用時則用不到此腳位。

 

» USB Type-C Alternate Mode

          在 USB-IF 推出 Type-C 介面之後,除了使用於 USB 應用本身之外,同時也因為其小巧的接頭以及無正反差的規格特性使得 ThunderBolt3 以及 Display Port 等技術也相繼採用 Type-C 做為傳輸介面,進而定義出了 Alternate Mode,如 TBT3、DP、VirtualLink 等……。針對 Alternate Mode,以下列舉 Thunderbolt3 及 DisplayPort 的 Type-C 為例:

  • Thunderbolt3:

Thunderbolt3 的腳位如圖四所示,兩對高速訊號可同時使用,SBU 腳位則是用於低速訊號的
溝通(LSTx 及 LSRx)。

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圖 4

 

  • DPC:

腳位分配如下,DisplayPort 訊號以兩對高速訊號對傳送,SBU 腳位則用來 AUX+及 AUX-溝通。

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圖 5

 

          了解腳位的分配後,接下來討論 Type-C 是如何進入 Alternate Mode 的。首先請參考表八:每個 Alternate Mode 都有他所對應的 SVIDs 值。

          當 Host 與 Device 連接上之後,Device 或線纜會回傳所支援的 SVIDs 值給 Host,溝通目前所支援的模式為何,此時若要進入 USB 以外的模式則會先進入 USB Safe State,用以確保 USB 的訊號完整性,而後才會開始進到 Alternate Mode,詳細的溝通過程可見圖六:

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表 8

 

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圖 6:Discover SVIDs → Discover Mode → USB Safe State → Enter Mode

 

» USB 3.2

          USB3.2 將原 USB3.1 Gen2 的傳輸速度翻倍進而達到 20Gbps,而翻倍基礎其實是使兩對高速訊號可以同時傳送 10Gbps 的資料。對此,在 USB3.2 的規範中有提到,當 DFP 和 UFP 連接起來後,決定使用 1 Lane 高速差動信號通道,還是 2 Lanes 高速差動信號通道來傳輸。這裡將 LBPM PHY Capability 的 8 個位元設置意義整理成如下表。

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表 9

 

          其中 USB3.2 Gen2x2 代表傳送速度為 Gen2 的 10Gbps,故使用兩通道(Lane)同時傳 10Gbps 的資料速率,即可將傳輸速度提升到 20Gbps。

 

 

參考文獻

  • Universal Serial Bus 3.2 Specification, September 22, 2017
  • Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, July 14, 2017

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 曾威華 Wing Tseng

擅長 USB、PCIe、SATA 介面測試。GRL 技術文章作者及講師。希望幫助大家順利測試拿到介面 Logo,彼此互相交流共同成長飛翔。

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                        發佈日期 2019/05/20 AN-190501-TW