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關于usb3.0硬件工程師需要關注的點有那些?

2019-10-01 07:06 ? 次閱讀

本文介紹下USB3.0相關知識,硬件工程師需要關注的點。

文章內容主要來源于USB官方(https://www.usb.org/)協議,協議本身內容太多,本文主要講硬件工程師需要了解的重點做了一個匯總并分享出來。

USB3.0名稱

USB3.0的名稱是一個比較坑的事,歷經USB3.1和USB3.2兩次改名,下面先簡單介紹一下。

在2013年,USB標準聯盟USB-IF將所有的USB 3.X都叫USB3.1,包括USB3.1 Gen 1以及USB3.1 Gen2。USB 3.1 Gen 1就是USB3.0。

最近,USB-IF又將USB3.0和USB3.1并入USB3.2。

如上圖

USB3.1 Gen 1和USB3.2 Gen 1都是USB3.0(5Gbps)

USB3.1 Gen 2和USB3.2 Gen 2都是USB3.1(10Gbps)

Usb3.2 Gen 2x2才是USB彩色文字3.2(20Gpbs)

所有,當我們看到產品標注是USB 3.1和USB3.2時,有可能就是在名稱上面做文章,實際里面就是USB 3.0,需要仔細判斷。

USB3.2將USB3.1和USB3.0收錄之后,官方文檔里面只能下載到USB3.2協議了,USB3.0的協議包含在其中。

USB3.0線纜及連接器規范詳見《USB 3.1 Legacy Cable and Connector Revision 1.0》

USB3.0接口

USB3.0接口有以下幾種:USB3.0 A型,USB3.0 B型,USB3.0 Power-B型,USB3.0 Micro USB等,如下圖所示。

常用的USB A型接頭與USB2.0的A型外觀類似,不過里面的塑料是藍色的,USB2.0的為白色的。如下圖

Micro USB3.0分以下幾種:

USB 3.0 Micro-A型插頭

USB 3.0 Micro-B型插頭

USB 3.0 Micro-B插座

USB 3.0 Micro-AB型插座

如下圖實物照片:

公座與母座對接如下圖:

可以看出,USB3.1 Micro-AB的母座能兼容USB3.1 Micro-A和USB3.1 Micro-B的插頭。

注:上述USB3.1可看作USB3.0,前面已經說過,USB 3.0曾經改名為USB3.1 Gen1。線纜規范在USB-iF官網上面只能找到USB3.1的,并沒有專門的USB3.0的。

USB3.0線纜

USB3.0關鍵信號總共8根,一對兼容USB2.0的差分信號,2對超高速差分信號,分別是發送差分對和接收差分對,如下圖。UTP用于傳輸USB 2.0信號,另外兩對屏蔽雙絞線SDP用于超高速信號。

協議參考各個線芯的粗細如下圖:

線纜的損耗與線芯的粗細關系如下圖

最大線纜長度

與USB2.0相比,USB3.0協議并未規范USB3.0的線材長度,只要信號符合其規范要求都是可以的。查看某知名品牌USB3.0線纜,其線纜的最長長度為2m或者3m(光纖傳輸除外)。

因此建議正常使用,保證信號質量的話,用2m以內的長度比較靠譜。

線纜及連接器差分阻抗

USB3.0的線纜和連接器同樣是要做差分阻抗的。

線纜的差分阻抗要求是90Ω±5Ω。

匹配連接器的差分對阻抗要求90Ω±10Ω。

電源供電能力

USB3.0的供電能力為900mA,USB2.0的為500mA。

USB3.0與USB2.0對比

USB3.0傳輸速率

USB3.0包含信號:5V,D-,D+,GND,SSTX+,SSTX-,SSRX+,SSRX-。

D-,D+即為USB2.0的信號線,遵循USB2.0協議,這里不再贅述。

SSTX+和SSTX-為發送通道;SSRX+和SSRX-為接收通道。需要注意,USB3.0對接時,一邊的TX接另外一邊的RX,同UART串口一樣。即SSTX+接到SSRX+,SSTX+接到SSTX-。

協議規定,USB3.0接口理論速度是5Gb/s,算上8b/10b的編碼方式,即只有80%是有效數據,另外20%是協議開銷,換算成Byte,那么理論傳輸速度是500MB/s。再考慮到USB傳輸的幾種方式:控制傳輸,中斷傳輸,批量傳輸,同步傳輸。不同的傳輸方式,協議開銷的代價肯定也不一樣,肯定得相應的再次降低。

USB3.0等效時鐘速率

USB3.0的數據速率為5G/s,其編碼方式為NRZI編碼,等效為一個時鐘周期傳輸2個Bit,因此其SSTX/SSRX通道等效時鐘速率為2.5G/s。

眼圖如下,可以看出,一個bit的周期是200ps:

USB3.0高速通道耦合電容

經常我們會看到USB3.0的接口電路中,是有串聯電容的。這個電容容值在協議中也是有規定的。

如上圖,發送端電容是必須要接的,容值范圍為75nF-265nF之間,通常選用100nF電容。

接收端電容可以選擇是否接入,如果接入的話電容范圍為297nF-363nF,通常選用330nF電容。

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