2024年1月17日发(作者：)
USB 3.0技术
一、定义
USB 3.0是最新的USB规范，该规范由英特尔等大公司发起。USB 2.0已经得到了PC厂商普遍认可，接口更成为了硬件厂商接口必备，看看家里常用的主板就清楚了。 USB2.0的最高传输速率为480Mbps，即60MB/s。不过，大家要注意这是理论传输值，如果几台设备共用一个USB通道，主控制芯片会对每台设备可支配的带宽进行分配、控制。如在USB1.1中，所有设备只能共享1.5MB/s的带宽。如果单一的设备占用USB接口所有带宽的话，就会给其他设备的使用带来困难。
二、简介
USB 3.0 —— 也被认为是SuperSpeed USB ——为那些与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。从键盘到高吞吐量磁盘驱动器，各种器件都能够采用这种低成本接口进行平稳运行的即插即用连接，用户基本不用花太多心思在上面。
新的USB 3.0在保持与USB 2.0的兼容性的同时，还提供了下面的几项增强功能：
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● 极大提高了带宽——高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mbps半双工）
● 实现了更好的电源管理
● 能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB——充电电池、LED照明和迷你
风扇等应用。
● 能够使主机更快的识别器件
● 新的协议使得数据处理的效率更高
USB 3.0可以在存储器件所限定的存储速率下传输大容量文件（如HD电影）。例如，一个采用USB 3.0的闪存驱动器可以在15秒钟将1GB的数据转移到一个主机，而USB 2.0则需要43秒。
受到消费类电子器件不断增加的分辨率和存储性能需求的推动，希望通过宽带互联网连接能够实现更宽的媒体应用，因此，用户需要更快速的传输性能，以简化下载、存储以及对于多媒体的大量内容的共享。USB 3.0在为消费者提供其所需的简易连接性方面起到了至关重要的作用。
当用于消费类器件时，USB 3.0将解决USB 2.0无法识别无电池器件的问题。主机能够通过USB 3.0缓慢降低电流，从而识别这些器件，如电池已经坏掉的手机。
对于系统和ASIC开发者而言，USB 3.0芯片和IP的广泛的实用性保证了每个设计要求都可以及时得到满足。这种全方位的支持对于像USB 3.0这样的标准而言特别重要，因为速度、高级协议和各种电缆长度（从几英寸到几米）使得设计和标准兼容性成为一项挑战。
三、USB3.0外观
USB3.0与USB2.0外观区别，观察USB（本身）的插口和电脑上USB插口，中间的- 2 -
塑料片颜色：USB3.0——蓝色；USB2.0——黑色。当然，现在的一些设备颜色区分并不规范，比如一些主控芯片支持的非原生usb3.0就有可能不是蓝色的，一些usb2.0的设备比如MP3，数据线等有可能是黑色或白色塑料片。
四、USB 3.0 规范
传输速率 这款新的超高速接口的实际传输速率大约是3.2Gbps（即400MB/S)。理论上的最高速率是5.0Gbps（即625MB/S）。
数据传输 USB3.0 引入全双工数据传输。5根线路中2根用来发送数据，另2根用来接收数据，还有1根是地线。也就是说，USB 3.0可以同步全速地进行读写操作。以前的USB版本并不支持全双工数据传输。
电源 USB 3.0标准要求USB3.0接口供电能力为1A，而USB 2.0为0.5A。
电源管理 USB 3.0 并没有采用设备轮询，而是采用中断驱动协议。因此，在有中断请求数据传输之前，待机设备并不耗电。简而言之，USB 3.0支持待机、休眠和暂停等状态。
物理外观 上述的规范也会体现在USB 3.0的物理外观上。但USB 3.0的线缆会更“厚”，这是因为USB 3.0的数据线比2.0的多了4根内部线。不过，这个插口是USB 3.0的缺陷。它包含了额外的连接设备。
已支持的操作系统 Windows Vista、Windows 7 SP1和Linux已支持USB 3.0。苹果最新发布的苹果Mac book air和Mac book pro也支持。虽然Windows XP的“年龄”有点大，但它也能支持USB 3.0。
五、USB 3.0速度
USB 2.0为各式各样的设备以及应用提供了充足的带宽，但是，随着高清视频、TB（1024GB）级存储设备、高达千万像素数码相机、大容量的手机以及便携媒体播放器的出现，更高的带宽和传输速度就成为了必须。每秒480Mb的传输速度可能都已经不算快了，更何况没有哪个USB 2.0设备能够达到这个理论上的最高限速。在实际应用中，能够达到每秒320Mb的平均速度就已经很不错了。
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同样，其实USB 3.0同样达不到5.0Gb的理论值，若只能达到理论值的5成，那也是接近于USB 2.0的10倍了。USB3.0的物理层采用8b/10b编码方式，这样算下来的理论速度也就4Gb/s，实际速度还要扣除协议开销，在4Gb/s基础上要再少点。
新的“Superspeed USB”将比现有的USB2.0速度快10倍，USB3.0规范已经进入最后的完成阶段。USB推广小组主席Jeff Ravencraft称，Superspeed USB的最高传输速度将是USB 2.0的10倍，最低传输速度达到300Mb/s.他将给闪存产品带来更高的速度，使用固态硬盘，如果接口从USB2.0升级到3.0，那么就是螺旋桨飞机到喷气式飞机的飞跃。Superspeed
USB的线缆和端口将采用向下兼容模式，intel已经弃用之前光纤互连的方式作为传输方式，据了解，此举是节约成本，而目前USB3.0的速度也达到了“令人满意的效果”，而无需在这方面深入开发。USB3.0的接口分为两部分，一部分采用和USB2.0一致的针脚；另外增加了一系列电气接口供USB3.0信号传输使用。目前已有不少USB3.0的产品问世、比如USB3.0的移动硬盘、U盘、读卡器，等等。
我们说的5Gb/s，指的是位（bit），而不是字节（Byte）。由于8位等于1字节，就像你拉一条4Mbps的网线，实际下载速度只能达到512KB/S一样。USB 3.0的理论数据传输速率是5Gbps/10=500MB/s。要达到500MB/s的理论速度，必须突破两个瓶颈：主板接口、存储介质。你兴冲冲跑到电脑城，买了个USB 3.0的移动硬盘回来试，发现还是USB 2.0的速度，这瓶颈很可能出在主板接口上。庆幸的是，Intel已经在最新的7系列芯片组中原生支持USB3.0，你也可以通过第三方USB 3.0主控芯片来桥接出两个蓝色的USB 3.0接口，从而解除主板速度瓶颈。
受限于硬盘的机械结构，主流的3.5寸7200转500G硬盘的内部传输速度不会超过150MB/S，2.5寸5400转500G移动硬盘的内部传输速度更低。所谓的USB 3.0优盘，速度瓶颈在于所采用的主控和FLASH芯片上。
抛开USB3.0的理论速度不谈，USB3.0接口产品的实际传输速度分别为：读速度为60MB/s到140MB/s，写速度为50MB/s到90MB/s。市场上很多所谓的USB3.0优盘、硬盘、其读速度比较快，但写速度可能很低。
六、USB 3.0工作原理
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USB 3.0之所以有“超速”的表现，完全得益于技术的改进。相比目前的USB 2.0接口，USB 3.0增加了更多并行模式的物理总线。 可以拿起身边的一根USB线，看看接口部分。
USB3.0接口尺寸标准
在原有4线结构（电源，地线，2条数据）的基础上，USB 3.0再增加了4条线路，用于接收和传输信号。因此不管是线缆内还是接口上，总共有8条线路。正是额外增加的4条（2对）线路提供了“SuperSpeed USB”所需带宽的支持，得以实现“超速”。显然在USB 2.0上
的2条（1对）线路，是不够用的。
此外，在信号传输的方法上仍然采用主机控制的方式，不过改为了异步传输。USB 3.0利用了双向数据传输模式，而不再是USB 2.0时代的半双工模式。简单说，数据只需要朝一个方向流动就可以了，简化了等待引起的时间消耗。其实USB 3.0并没有采取什么鲜有听闻的高深技术，却在理论上提升了10倍的带宽。也因此更具亲和力和友好性，一旦SuperSpeed
USB产品问世，可以让更多的人轻松接受并且做出更出色的定制化产品。
七、USB 3.0标准的正式发布
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter
Group 2008-11-18 宣布，该组织负责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。 制定完成的USB 3.0标准已经移交给该规范的管理组织USB Implementers
Forum(简称USB-IF)。该组织将与硬件厂商合作，共同开发支持USB 3.0标准的新硬件，不过实际产品上市还要等一段时间。
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第一版USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mbps；两年后升级为USB 1.1，速度也大大提升到12Mbps，至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；2000年4月，目前广泛使用的USB 2.0推出，速度达到了480Mbps，是USB 1.1的四十倍；如今10个年头过去了，USB 2.0的速度早已经无法满足应用需要，USB 3.0也就应运而生，最大传输带宽高达5.0Gbps，也就是640MB/s，同时在使用A型的接口时向下兼容。
IEEE组织最近也批准了新规范IEEE1394-2008，不过新版FireWire的传输速度只有3.2Gbps，相当于USB 3.0的60%多一点。难怪苹果等业界厂商普遍对该技术失去了兴趣。
USB 2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。
除此之外，USB 3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。
测量仪器大厂泰克(Tektronix)第一家宣布了用于USB 3.0的测试工具，可以帮助开发人员验证新规范与硬件设计之间的兼容性。
Standard-A型公口、母口实物模拟图
USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”，顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。支持新规范的商用控制器在2009年下半年面世，消费级产品在2010年上市。
八、USB 3.0产品
USB 3.0相关的线缆，接口以及集线器等产品在2009年下半年的时候推出，而支持USB 3.0的消费型设备也会紧随其后。而批量的外设产品推出则到2010年。来自微软的消息是，微软会从2010年开始逐步的推进USB 3.0设备的研发工作。之所以没有大批量的厂商跟进，主要原因是开发相关USB 3.0的总线控制芯片以及设备产品需要时间，另外厂商- 6 -
也需要等待USB 3.0相关规范最后杀青，厂商才能放心的去进行设计。从原型产品到评估版再到最后的开发版，拿到厂商手里再去做研发已经耽误了一定的时间，因此不会看到第一版的规范一出来就出现一夜之间普及的态势。市场的接受和采纳度还是需要逐步展开的。
1、USB3.0 硬盘座
由于HDTV高清影片片源的日益丰富，时常要进行大容量的数据拷贝传输，因此插拔式硬盘座或者抽取式硬盘盒等产品应运而生，方便了消费者进行拷贝或者传送数据。SATA
HDD DOCKING STATION，其最本质的作用就是将2个 3.5和2.5的SATA硬盘转换为USB3.0接口(向下兼容USB2.0)，以此提升其读写速度。作为一款外置转换产品，对于那些有特殊需求的用户以及玩家来说的确是非常不错的选择! 其市场上代表产品主要是orico硬盘座
2、USB3.0 硬盘盒
usb3.0硬盘盒，不管您是台式机电脑使用者，还是笔记本电脑使用者，您都可以购买一个或是多个3519系列外接盒，一方面它可扩充原本计算机不足的硬盘空间，更重要的是您可以使用3519外接硬盘盒系列作为备份数据的工具。当然，您也可以用来存储各种高清电影，大容量文件!
3、USB3.0 磁盘阵列
ORICO 3559是该系列最顶级产品，支持5块3.5寸SATA串口硬盘，支持容量高达5*3TB=15TB，具备多种RAID模式；产品提供USB3.0、eSATA、USB2.0、1394火线接口等多种丰富的超高速输出接口（不同型号的产品接口不同）。支持最新的超高速USB3.0接口技术，理论最大传输速度可达5.0Gpbs，同时向下兼容USB2.0，1394接口更是可以直接配合苹果等其他具备1394高速接口的设备使用。ORICO 3559具备丰富而高速的接口以及便利的机构设计！独有的专业的电路保护+硬盘智能休眠+风扇智能温控调速，可以确保机内硬盘稳定运行，让您的数据更安全。非常适合发烧友、专业人士、普通用户、中小企业、商务人士使用！
4、USB3.0 HUB
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ORICO H7928-U3 USB3.0 7口 HUB，可以让您连接外设超乎寻常地灵活，无论您身在何处。配有七个 USB 3.0 端口，它可轻松实现最快高达 5Gb/s 的 USB 3.0 速度！它还兼容 USB 2.0，可用于几乎所有计算机、笔记本甚至上网本。您可以使用它非常方便地连接各种USB 3.0移动硬盘以及各种外接硬盘盒，（如ORICO热卖的7612sus3免工具硬盘盒）使用ORICO h7928可以给您最舒适的使用并可以体验到H7928 USB 3.0 HUB给您带来的方便，性能，速度、灵活性和兼容性 — 融于一体的HUB! ORICO H7928-U3 USB3.0
7口 HUB,出色的性能，良好的做工将是您最佳的选择！
5、USB3.0 工业相机
顾名思义，就是采用USB3.0接口的工业相机。由于接口速度快，相机拍到的图像可以实时的传输到主机上，这为某些高速实时视觉检测应用提供了机会。
九、世界首款USB3.0扩展卡
这一块USB 3.0扩展卡来自国外品牌ACASIS阿卡西斯，它采用PCI-E 1×总线设计，采用了一颗NEC D720200F1控制芯片，提供两个USB 3.0扩展接口。扩展卡采用绿色PCB，并采用了大量贴片电容和电阻，做工相当豪华（ACASIS阿卡西斯为国际品牌，和NEC等上游半导体厂商建立起良好的合作关系，并在深圳设立公司及生产线）。
USB3.0扩展卡
虽然目前暂时还没有采用USB 3.0规范设备，但作为目前全球采用最为广泛的接口，无论是数据传输还是电力供应，USB 3.0都比当前流行的USB 2.0更有优势。另据悉，ACASIS阿卡西斯即将推出采用USB 3.0规范的移动硬盘等外围设备。
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十、支持USB 3.0的操作系统
在2008年11月举行的，“SuperSpeed”开发者大会上，微软宣布Windows 7能够提供对USB 3.0的支持，但不是最初发布版本，而是稍后放出的Service Pack1补丁中。不仅仅是Windows 7，甚至Vista也有可能支持“SuperSpeed”，当然只要微软愿意。至少来看，微软的很多合作伙伴还是希望Vista能够支持USB 3.0的。而Windows XP不支持USB3.0，XP毕竟已经是10年前的产物了,况且XP已经停止了主流支持。
开源系统方面， Linux明确的表示支持USB 3.0，前提是扩展主控制器界面（xHCI)规范正式发布。非公开版本号为0.95，还是一个待定的草案。
苹果方面，按照“惯例”依旧在MacOS X是否支持“SuperSpeed USB”问题上保持缄默。不过，一旦USB 3.0兑现了如同USB 2.0一样的“即插即用”，市场上大量的“SuperSpeed”设备就会如同雨后春笋一般。
至于对Firewire信号是否存在干扰问题，现在还不得而知，但是不管怎样，苹果需要去支持“SuperSpeed”，如果所有人都看好这个接口标准的话。
起初，在USB 3.0的支持方面，不管是操作系统还是设备，肯定不会一步到位。初期会简单的在小型设备上试用，然后存在这样那样的问题，并且还不会全面发挥USB 3.0的优势。不过，随着时间的推移，这些都会逐步的完善起来。
十一、USB3.0新系统上市
USB应用论坛的主席Jeff Ravencraft表示，“我们预测主机和控制器产品会在2009年中陆续进入市场，基于那些器件的系统产品会在2010年初上市。” 该连接希望能扩展更多的应用，最初是想象比如大的视频文件的传输，长期来说，希望能在目前大范围的系统上进行替代，特别是日益增多的闪存和磁盘存储。
Ravencraft指出一些便携式摄像机保存250Gbyte的数据，甚至一些MP3播放器和手机都增长到内置8到16Gbyte的闪存。 同期于USB 3.0的发布，PCMCIA组织宣布PC设备上的ExpressCard标准的2.0版本，该标准提供比ExpressCard 1.2标准快10倍的传输速率，而且同时支持Express 2.0和新的USB 3.0协议。 “ExpressCard技术与Express和USB规范很相近，而2.0标准的发布充分利用了这两种接口技术进步的优势，”PCMCIA主席Brad
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Saunders表示。
采用新标准的卡在2010年上市，包括支持固态存储驱动的6Gbit/s SATA接口的适配器，和用于传输视频流的USB 3.0适配器。 超过400个人想参与那个USB 3.0会议，Synopsys在该会议之前宣布将提供USB 3.0控制器和物理层器件的硅IP。 Symwave已经发布了一款USB 3.0物理层器件，Quasar物理层会在展会上得以展示。 USB 3.0开发者小组包括超过200家公司，目前全球已经有100亿颗USB器件售出。 “2007年一年就出货了26亿个USB端口，USB 3.0的市场机会将会大大挤压其他有线接口技术的空间。
十一、USB3.0的前景
USB接口为何流行？USB鼠标、USB键盘、USB摄像头、USB打印机、USB……接触电脑的人就不可能不接触到USB这种大众到极点的接口，但并非所有人都了解USB接口，而正是这种融入生活的忽略从一个侧面验证了USB的成功——我们已经把它当做自然而然理应存在的东西。
很少有人会去考虑一个小小的USB接口标准为什么会成功，USB在刚诞生时的传输速率是最高的吗？显然不是，但USB接口却绝对是最多巨人力挺的——Microsoft和Intel等等行业领头人都对USB青睐有佳（最直接的例子就是Intel将USB控制器直接做到了其ICH南桥芯片当中），而世界上使用Intel和Microsoft产品的用户不说100%也起码有60%以上，而USB成功推广的最重要原因正在于此。
与USB同时期推出的IEEE 1394接口则没有这么好的待遇了，虽然IEEE 1394的理论传输速率比USB要高（IEEE 1394是目前传输速率最快的串行总线），但由于缺少了设备端厂商的支持而完全没有USB那般的普及程度。 于是在今天，我们往往看到这样的情况：一款主板上往往拥有多达六个USB接口而却没有一个1394接口。虽然1394的普及度存在极大问题，但它依然是影像领域不二的传输方式。
有了Intel和微软这些大公司的支持，USB自然是风生水起、不停壮大，但IT行业的规则就是不进则倒，因此21世纪初至今USB也经历了从1.0到2.0的技术革新，现在USB 2.0的理论最高传输速率已经达到了480Mb/s以上（当然在实际的应用中我们很难达到这个数据），看起来这个数据很吓人，但计算机的存储硬件却也同时在不断进步着。看到目前动辄- 10 -
以TB计算的磁盘容量，和动辄以10GB为单位的蓝光视频源，我们不禁苦笑——USB 2.0已然捉襟见肘。好在固步自封这个词已经成为行业禁忌，USB 3.0标准也于08年出台，新的USB 3.0标准能够提供比之前USB 2.0多出10倍以上的传输速率，这俨然已经是串行标准中的顶级水准了。
3.0更高的传输性能提供了更快的数据转换能力，高性能外置显卡成为可能，这意味着游戏爱好者们甚至可以在任何计算机上享受同样的显示待遇，实际上华硕在USB 2.0接口的基础上就已经研发出了这样的产品，而在USB 3.0的支持下，这一产品概念应该会得到迅速落实，毕竟有需求就有市场。
当然了，还有USB连接的显示器也将成为可能，甚至更夸张一些，外置CPU都有可能出现在未来USB 3.0的平台基础上，而各大公司的全力支持则让USB 3.0几乎不存在任何普及方面的问题，或许唯一要考虑的就是价格了。
十二、USB 3.0 对厂商的挑战
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。
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● 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。
结语
今日的电子信息技术日新月异，在PC interface的发展也由传统的并列传输方式，演进至目前的高速串行传输。新的规格与新的技术，也带来新的设计挑战。除了USB 3.0的规格正式问世之外，SATA 6.0 Gbps 的规格也于5月27日正式问世，相关的产品在今年下半年也将陆续于个人计算机、笔记本电脑上出现，配合已经问世且逐渐成为主流的Gigabit Ethernet，高速Serial Link的技术俨然已成为驱动计算机市场持续增长的动力。
参考文献
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【4】梁星辉，谭志明；基于USB3.0的通用PC之间高速通信模块的设计[J]；计算机与数字工程；2012年06期
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【7】陈乃塘著；USB3.0王者界面再临[Z]；碁峰出版社；2009年
【8】Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB
【9】Universal Serial Bus 3.0 Specification；Revision 1.0
【10】LeCroy USB3.0 Datasheet.
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