USB技术的推出，可能是近代来计算机技术最重要的发展，因为USB的出现让IT产业的接口产生很大的革命，后来的影响不仅在IT产业，连消费性电子产业也到处可见USB的接口，因此USB的成功是无庸置疑的。除了在个人计算机、笔记本电脑、小笔电都是100%的标准配备外，我们也可以轻易在手机、LCD TV 、打印机、复印机等消费性电子产品上发现USB的踪迹，笔者甚至看过连瑞士小刀上都有USB界面，由此可知USB真是无所不在。就这一点，我们不得不佩服Intel与Microsoft在IT产业强大的影响力，在这两家厂商的连手之下，USB硬是把另一个接口-1394给比下去，成为主导IT设备与消费性电子产品通讯接口的标准。

 

　　虽然USB目前有很高的应用范畴与Installation base (估计自1996推出USB 1.0规格，已有60亿的installation base，而且以每年20亿的数目持续增长)，但是当初USB-IF规划USB的规格时并未很有规划的将USB接口的技术蓝图整个揭橥于世，并未像后来的SATA-IO于2001年规划SATA的技术发展蓝图时，一开始就将SATA 分为1.5 Gbps、3.0 Gbps与6.0 Gbps三个世代（请参考表1之比较表），感觉上比较像是在且战且走；所以自2000年推出USB 2.0规格后，虽然将USB 2.0的带宽大幅从12Mb/s提升至480Mb/s，但是我们都知道IT产业的发展定律是带宽永远不嫌多，储存容量也永远不嫌多，所以很快的大家就觉得USB 2.0已经不敷使用，也因此一直有公司力主要持续推出USB 3.0的规格，但是这些声音也仅止于大家的讨论，USB-IF一直未正式回应是否有USB 3.0的规划，一直到2007年9月18日在美国举办的IDF， Pat Gelsinger说明了USB 3.0的规划，USB 3.0的发展才确定下来。

　　

 

　　当初USB-IF在1994年规划USB技术时，因为将其定位在较低速的周边界面，所以带宽仅订在1.5Mb/s(Low Speed)与12Mb/s(Full Speed)；其中Low Speed主要用于人机接口装置（Human Interface Devices，HID）例如键盘、鼠标、游戏杆，High Speed主要用于大量数据传输的需求，这就是USB 1.0的规格，并于1996年正式公布此一规格。当USB 1.0相关产品陆续上市后，随着使用USB的数量越来越大，市场上也发现关于USB 1.0规格的问题，所以USB 1.1的规格在1998年正式公布，修正1.0版已发现的问题，其中大部分是关于USB Hub的项目。

 

　　虽然自USB 1.1规格公布后，USB接口规格算是逐渐完整，但是与IEEE 1394比较起来，在传输效能上就完全被比下去(请参考表2之比较)，也正因为如此，在USB接口设备不断地被广泛应用后，许多的装置，如视频会议的CCD，或是像nand flash随身碟(U盘)、外接式硬盘、光盘刻录机、扫描仪、卡片阅读机便成为USB界面的一个非常流行的应用。随着市场上厂商与消费者对USB产品的接受度越来越高，希望USB传输效能可以更好的呼声也越来越大。因此在这样的背景之下，USB-IF开始着手USB 2.0规格的制定，并于2000年正式公布USB 2.0规格。在USB 2.0规格中，最重要的是增加更高的数据传输速率 480 Mb/s (又称Hi-Speed)，USB规格至此确立了３种数据传输速率，并维持至今，３种速率分别是：

 

　　● 1.5Mb/s(Low Speed)

　　● 12Mb/s(Full Speed)

　　● 480Mb/s(Hi-Speed)

 

　　正如前言所提，在USB 2.0规格推出后，的确暂时解决了带宽落后IEEE 1394的问题，但是随着USB的应用范畴月来越广，与其他界面技术的不断的进步之下，当然更重要的是-档案的容量也越变越大，尤其是影音数据，所以USB 2.0的窘境也益加明显。这其中又以Nand Flash随身碟产品、硬盘外接盒产品及卡片阅读机(CardReader)产品影响最大。我们分别简述如下：

 

　　Nand Flash随身碟产品

 

　　虽然USB 2.0 Hi-Speed的数据传输速率是480Mb/s，也就是理想状况下应该为80MB/s，但是在Windows based操作系统下，由于default driver的限制，实际的效能大约为30MB/s～35MB/s，与80MB/s有一大段距离，然而以前Nand flash的效能也不够好，从来也用不到30MB/s的USB 2.0带宽，所以也相安无事；但是随着Nand flash技术不断的进步，与RAID 0架构(Data Stripping)导入Nand flash产品设计，Nand flash产品的带宽需求已超越USB 2.0 Hi-Speed所能提供的30MB/s。例如以SATA 接口为主的SSD(solid state disk)产品，sequential read的效能都以超越100MB/s，更显出USB 2.0 Hi-Speed效能的不足。所以不论是高速的大拇哥产品(大陆称为U盘)或SSD都迫切需要更高速的USB 3.0提供更好的效能。虽然SATA接口可以符合SSD的需求，但是USB有提供bus power的优势，这是SATA或eSATA所无法媲美USB的地方。

 

　　硬盘外接盒产品

 

　　除了Nand Flash随身碟产品外，硬盘外接盒也是外面的水管比里面的水管小的状况。由于USB 2.0 Hi-Speed在Windows base OS之下，仅有30MB/s的效能，而硬盘内部的传输速率至少有60MB/s，所以这样的差距相当的大。以前档案容量还不太大的时候，消费者还勉强可以忍受，但是现在各种影音数据动辄数GB以上，BD影片数据更是50GB以上，如果还用USB 2.0 Hi-Speed拷贝数据的话，那么真的会令人捉狂(请参考表3)。所以随着硬盘外接盒出货量年年维持25%以上的年复合增长率之下，提供一个更高效能且普遍性高的接口，是刻不容缓的事情。

 

　　卡片阅读机产品

 

　　与Nand Flash有密切关系的memory card，也面临与nand flash类似的问题；以前的记忆卡，速度还不够快，但是随着新的记忆卡规格的推出，如SDXC，最高可达150MB/s的传输速率，当然不是USB 2.0 Hi-Speed所能满足的，也因此USB 3.0对高速的记忆卡而言，是非常重要的里程碑。

 

　　正如上述产品效能的压力，各界对USB 3.0的需求也愈来愈高。在各界千呼万唤之下2007年9月18日，Intel于IDF上正式宣布USB 3.0的规格将计划于2008年推出，也宣示了USB 3.0的主要应用范围(请参考图1)，正式响应了广大消费者对更快速传输接口的需求；Intel并称USB 3.0最高传输效能为SuperSpeed，有别于传统的Low Speed、Full Speed与Hi-Speed。经过了一年的时间USB-IF终于在2008年11月18日正式对外公布了USB 3.0的规格，宣告了USB另一个崭新时代的来临。

　　

 

　　当初规划USB 3.0的规格时，最重要的就是要解决数据传输速率过低的问题，因此在规划USB 3.0 SuperSpeed架构时，采用新的物理层(PHY)是无可避免的事情，因此从PCIe与SATA等高速IO移转经验是再自然不过的考虑。然而USB-IF还是坚持backward兼容性的问题，所以USB 3.0的规范主轴，包含了以下各点：

 

　　● 比既有的USB 2.0 Hi-Speed快10倍以上的传输速率。

　　● 完整考虑向后兼容性问题，包含既有的Class Driver都可以在新的组件上正常工作。

　　● 相同的USB device model，这包含了PIPE model、USB Framework与Transfer type。

　　● 电源管理的效率，在新规格中，提供了更好的电源效能的管理，特别是在Idle的状况之下，另外也为了取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制，新的规格采用一种封包路由(packet-routing)技术，并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输，提供更佳的电源管理效能。

　　● 架构与技术的延伸性，为了增加技术的scalability，在通讯协议上的规划都已考虑有效率的Scale up and Scale down的问题。

 

　　USB-IF在上述前提之下，采用了PCIe的主要PHY架构，以5.0 Gbps为USB 3.0 SuperSpeed的数据传输速率，在传输编码技术的选择上，导入广为在其他高速串行传输技术所采用的8b/10b编码技术，以提高传输位的辨识率并且降低高频信号的电磁干扰。在向后兼容性上，为了与USB 2.0 Low Speed、Full Speed与Hi-Speed共存，采用了Dual-bus架构的设计(请参考图2)，在通信协议上，如上述所提，新的规格采用一种封包路由(packet-routing)技术，并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输，取代目前USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制，这也与SATA Asynchronous notifications有异曲同工之妙。在cable connector方面，USB 3.0新增了5个触点，两条为数据输出，两条数据输入，采用发送列表区段来进行数据发包，新的触点将会并排在目前4个触点的后方。USB 3.0 bus power标准为900mA，并将支持光纤传输。这也就是SuperSpeed技术的雏型(参考表4)。

 

　　有关Cable Connector，USB-IF在制定新规格时，同时考虑了技术与市场的平衡点，这些因素包含了：

 

　　● 必须能support 5.0 Gbps的数据传输

　　● 可完全维持与USB 2.0的兼容性

　　● 将cable & connector的form factor改变控制在最小范围

　　● EMI防护的问题

　　● 维持USB容易使用的传统

 

　　因此CableCon就在这样的指导原则下订出Stand A、Stand B、Micro B与Micro AB的CableCon规范，USB-IF巧妙的将USB3_TX+、USB3_TX-、USB3_RX+、USB3_RX-与GND导入新的CableCon之中(请参考图3,4,5)，并透过Double-Stacked connector的support，让USB 2.0可与USB 3.0共存。

 

　　不过在这里提醒各为，Stand A是完全可以USB 2.0与USB 3.0互相连接没有问题(这意谓着你可以把USB 2.0 Stand A Cable插入USB 3.0 Stand A connector，也可以把USB 3.0 standard cable插入USB 2.0 Stand A connector)，但是Stand B与Micro B就没有办法这样，但是至少维持所有旧的Cable(USB 2.0)都能插入新的connector(USB 3.0)的相后兼容性原则，至于新的Cable要插入旧的connector，在Stand B与Micro B就没有办法了(请参考表5)。

　　

 

　　High Speed Serial Link 产品(如USB、Serial ATA与PCI Express)的发展，已由主板应用出发，逐渐衍生更多应用于外围与消费性电子产品，进入百家争鸣的情况。然而不论是芯片供货商或系统厂商，都面临益形复杂的设计挑战。这些新挑战包含了：

 

　　● 更高的芯片设计进入障碍：与纯数字IC设计相比，High Speed Serial Link从480 Mbps、 1.5 Gbps、2.5 Gbps、3.0 Gbps至目前的5 Gbps与6 Gbps，一次又一次的考验IC设计公司在模拟设计与mixed-mode的能力。这也是为什么台湾只有少数公司能提供从Serial ATA到PCI Express与USB 3.0完整的产品与IP解决方案。

　　● 为系统厂商考虑Design Margin问题：对于系统厂商而言，采用一颗IC上自己的系统产品，最担心的是PCB Layout的design margin过小或是design rule太过复杂。因此IC设计公司必须为系统厂商考虑到这些设计上的问题，也加深了高速IO芯片设计的难度。

　　● IC量产良率：由于高速IO有物理层(PHY)部分的设计，因此对于IC良率的影响甚为重大，通常将PHY包入SoC内，往往是量产良率最大的杀手。所以如何透过模拟设计design margin的综合考虑，维持量产良率，对IC设计公司而言是相当大的挑战。

　　● IC量产测试方法：通常480MHz以上，往往需要使用较贵的测试机台；但是如果厂商能使用较便宜的测试机台，完成高速IO的相关测试，那就是相当重要的know how，对于IC的成本也有很的的帮助。

　　● 兼容性议题：USB兼容性问题，众所周知，所以才有USB-IF logo验证制度的产生。目前USB 3.0 logo certification program尚未完成，因此如何克服硬件兼容性的问题，是相当据挑战性也令人感到繁琐的问题。