USB 3.0為移動(dòng)設(shè)備帶來超快的連接速度

要點(diǎn)

1,移動(dòng)設(shè)備上多媒體內(nèi)容的增長(zhǎng)要求有更大的存儲(chǔ)容量和更快的連接速度。

2,USB 3.0 5Gbps原生信號(hào)速率可以承擔(dān)大容量多媒體內(nèi)容的傳輸，以及高清視頻流。

3,USB 3.0微型連接器小于USB 2.0和HDMI微型連接器之和，從而節(jié)省了移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的資源。

4,雖然Wi-Fi有無線的便利，但USB 3.0具有電池充電能力和超高的數(shù)據(jù)速率，使之成為最萬(wàn)能的連接選擇。

移動(dòng)手持設(shè)備逐漸成為我們生活中不可缺少的一部分，開發(fā)人員每天都在發(fā)明新的應(yīng)用，以支持我們忙碌的生活方式。例如，智能手機(jī)和平板電腦都越來越多地用于媒體的回放。但是，增加內(nèi)容及其傳送速度已成為最具挑戰(zhàn)性的工作之一。因此，提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率都是移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。盡管移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)容量每年翻番，能跟上內(nèi)容的增長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)傳輸速率卻一直上不去。

USB 3.0的誕生

據(jù)In-Stat的數(shù)據(jù)，2015年，廠商將交付2.8億部有USB 3.0功能的手機(jī)。USB 3.0的帶寬較USB 2.0增長(zhǎng)了10倍，實(shí)現(xiàn)了5Gbps的原始吞吐率，約600MB/s，考慮到20%的協(xié)議開銷后，這近乎于480MB/s的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐率。由于USB3.0是與數(shù)據(jù)無關(guān)的，因此可以傳送任何類型的內(nèi)容，包括高清視頻。USB 3.0亦提高了電源供應(yīng)與管理的門檻。它允許設(shè)備在工作時(shí)從PC拉出最多900mA電流，并且仍然保持了即插即用的能力。USB 3.0有多種節(jié)能模式，如空閑、睡眠與掛起，優(yōu)化了電池供電移動(dòng)設(shè)備的使用壽命。

現(xiàn)在已有60多億部設(shè)備有USB功能，并且在移動(dòng)手持設(shè)備中幾乎有100%的占有率，USB成為最普及的接口。由于USB 3.0與USB 2.0反向兼容，消費(fèi)者應(yīng)能毫無困難地理解并使用它。

消費(fèi)者和平板電腦設(shè)計(jì)者對(duì)USB 3.0一樣熟悉。當(dāng)移動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)向平板電腦這種尺度時(shí)，存在著兩種設(shè)計(jì)哲學(xué)。傳統(tǒng)筆記本電腦制造商(包括華碩、宏基和東芝)都選擇從上至下的微型化，而手機(jī)制造商(包括蘋果、三星和HTC)則采用自下至上的方案。因?yàn)閮煞N方法都已存在了USB 2.0固件，因此無論是筆電背景還是手機(jī)背景的平板電腦設(shè)計(jì)者，都會(huì)把轉(zhuǎn)向USB 3.0看作一個(gè)簡(jiǎn)單直接的過程。

連接器問題

雖然USB 3.0的標(biāo)準(zhǔn)A型連接器與USB 2.0尺寸相同，但對(duì)于手機(jī)、平板電腦和其它手持設(shè)備上使用的USB 3.0微型連接器則存在著一些問題。USB 3.0微型連接器有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，USB 3.0線要從USB 2.0連接器穿過(圖1)。制造商在為系統(tǒng)增加其它大型連接器方面持謹(jǐn)慎態(tài)度。USB 3.0微型連接器的總寬度為12.85mm (圖2)。這種連接器的外形要大于USB2.0，而對(duì)渴望獲得極小尺寸的移動(dòng)設(shè)備制造商而言，這就帶來了問題。

圖1，在USB 3.0微型連接器中，USB 3.0線要通過USB 2.0連接器。該連接器尺寸大于USB 2.0連接器，從而引發(fā)了移動(dòng)設(shè)備制造商的關(guān)切。

圖2，連接器總寬為12.85mm，大于USB 2.0連接器(數(shù)字來自USB 3.0規(guī)格)。

除了USB 2.0微型連接器以外，今天大多數(shù)高清手持設(shè)備都有一個(gè)HDMI(高清晰度多媒體接口)微型連接器，用于傳送高清視頻流。但是，制造商可以省略掉微型HDMI接口，而代之采用MHL(移動(dòng)高清鏈接)接口傳送高清視頻，MHL是一個(gè)新提出的移動(dòng)音/視頻接口，可將移動(dòng)設(shè)備直接連接到高清電視機(jī)和外接顯示器上。由于MHL與連接無關(guān)，因此USB 3.0可以替代它承載音視頻信號(hào)，從而避免了對(duì)其它HDMI微連接器的需求。

USB 3.0微型連接器小于USB和HDMI微型連接器兩者之和。HDMI微型連接器尺寸為6.4mm長(zhǎng)，而USB2.0微型連接器長(zhǎng)度為7.8mm。考慮到兩者之間要有一個(gè)間距，則總連接器的長(zhǎng)度就達(dá)到約15mm~16mm，超出USB3.0微型連接器25%以上。因此，移動(dòng)設(shè)備制造商可以用一個(gè)多功能USB 3.0微型連接器做出精致的設(shè)計(jì)，獲得更快的內(nèi)容傳輸速度、電池充電速度，以及通過MHL的高清視頻流。

拓展了吞吐量

大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備中的存儲(chǔ)器采用的是SD(安全數(shù)字)卡或eMMC(嵌入多媒體卡)閃存技術(shù)。SD 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持最大25MB/s速度，而eMMC 4.3標(biāo)準(zhǔn)支持最大52MB/s。兩者均不能有效地利用USB3.0的全部數(shù)據(jù)帶寬。不過，新的SD 3.0標(biāo)準(zhǔn)改變了這種局面，新標(biāo)準(zhǔn)將SD性能提高到104MB/s。同樣，最新的eMMC 4.41規(guī)范將升級(jí)到104MB/s。SD 3.0已面世，micro-SD版隨后就到，而符合eMMC 4.41的閃存器件則已量產(chǎn)。

USB 2.0幾乎不支持當(dāng)前的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)(圖3)。到2012年底，基于UHS(超高速)II和UFS(通用閃存)的器件進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，USB 2.0將很快成為整體數(shù)據(jù)傳輸路徑上的速率瓶頸。移動(dòng)系統(tǒng)制造商必須在自己的新設(shè)計(jì)中采用USB 3.0，才能充分利用到這些存儲(chǔ)提升的優(yōu)勢(shì)。

圖3，作為接口演化的一部分，USB 2.0勉強(qiáng)支持著今天的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

伴隨高清視頻記錄功能的滲透，移動(dòng)設(shè)備中數(shù)字內(nèi)容量也在持續(xù)增長(zhǎng)。一個(gè)10分鐘的家庭電影可以很容易地占到數(shù)吉兆的存儲(chǔ)量。今天，用戶一般會(huì)將這些電影傳送到PC上，做編輯、分享和回放。這對(duì)USB2.0尚算一個(gè)勉強(qiáng)的工作，而USB 3.0 SuperSpeed則可提供幾乎無等待的即時(shí)感受。

由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量太大，手機(jī)和平板供應(yīng)商都在尋求用RAID(獨(dú)立磁盤冗余陣列)技術(shù)來提高數(shù)據(jù)流量。采用RAID-0結(jié)構(gòu)時(shí)，大數(shù)據(jù)被分成條帶，同時(shí)存儲(chǔ)在兩個(gè)SD或eMMC卡上。RAID-0與USB 3.0同時(shí)使用時(shí)，存儲(chǔ)設(shè)備的最大吞吐量可以翻番，更有效地使用USB 3.0的可用帶寬。今天，一臺(tái)有最快USB2.0接口的手機(jī)要傳送一部8GB的電影，需要花7min，速度是18MB/s。升級(jí)到USB 3.0后，拓寬了數(shù)據(jù)傳輸通路，數(shù)據(jù)傳輸可以達(dá)到當(dāng)前存儲(chǔ)器的峰值極限，這意味著，一個(gè)支持USB 3.0端口和兩個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的RAID-0結(jié)構(gòu)的內(nèi)部橋可以運(yùn)行在存儲(chǔ)設(shè)備的最高性能。這個(gè)速度現(xiàn)在大約為150MB/s~200MB/s。以此速度，一部8GB電影的傳送時(shí)間減少

到41s(圖4和圖5)。

圖4，USB 3.0理論上可提供高達(dá)600MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率(a)，因此一個(gè)8GB的文件，只需要不到14s的傳輸時(shí)間(b)。而實(shí)際上，存儲(chǔ)器的速度限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。通過采用內(nèi)部橋和RAID-0結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)器的速度可達(dá)到150MB/s~200MB/s，因此一個(gè)8GB要花41s。

圖5，Cypress公司Benicia USB 3.0存儲(chǔ)控制器作為內(nèi)部橋，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的便攜設(shè)備數(shù)據(jù)流，并提供RAID-0結(jié)構(gòu)。

USB 3.0還有助于降低設(shè)備的制造成本。很多手持設(shè)備供應(yīng)商都會(huì)在出廠時(shí)，通過USB端口預(yù)先在設(shè)備中裝入應(yīng)用程序、音樂、電影以及其它內(nèi)容。智能手機(jī)的操作系統(tǒng)和預(yù)裝內(nèi)容要大于2GB，制造商采用USB 3.0端口做手機(jī)預(yù)裝時(shí)，速度是USB 2.0的10倍，這樣提高了工藝效率，能節(jié)省更多成本。

同步與移動(dòng)

在云計(jì)算時(shí)代，出現(xiàn)了大量的云服務(wù)，如iCloud、微軟SkyDrive，還有Dropbox，用戶無需通過PC就能以無線方式同步自己的數(shù)據(jù)。移動(dòng)設(shè)備對(duì)連網(wǎng)技術(shù)的需求還有爭(zhēng)議。Wi-Fi是今天最常見的無線標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)IMS Research分析，93%的連接速度是在智能手機(jī)和平板電腦上。它有無需接線的方便，給我們?nèi)粘Ｉ顜砹藬?shù)不清的好處，例如在本地星巴克店上網(wǎng)，在等飛機(jī)時(shí)發(fā)送電子郵件，或用一部設(shè)備拍照片，并通過云將其傳送給另外一部設(shè)備。

最新修訂版的Wi-Fi 802.11n支持MIMO(多輸入/多輸出)，多天線處理的數(shù)據(jù)明顯多于單天線。Wi-Fi802.11n還提供40MHz的信道寬度，增加了吞吐量，可以工作在不擁擠的5GHz ISM(工業(yè)/科研/醫(yī)療)頻段。盡管802.11n的600Mbps理想帶寬仍然無法匹配USB 3.0的5Gbps帶寬，但已經(jīng)足夠用于移動(dòng)設(shè)備與PC之間的內(nèi)容傳送。

然而，Wi-Fi 802.11n在移動(dòng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)正在逐漸消失。它的600Mbps最大帶寬通常只出現(xiàn)在理想的工作狀況下，此時(shí)40MHz寬的信道使用了四個(gè)空間流。由于每個(gè)空間流都需要一根天線和一個(gè)ADC，因此對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商而言，把四套全做上是沒有性價(jià)比的。為得到效率，各個(gè)天線都需要遠(yuǎn)離放置；而緊湊的移動(dòng)設(shè)備尺寸嚴(yán)重限制了這種要求。此外，在擁擠的2.4GHz ISM頻段上，使用40MHz寬的信道通常是不實(shí)際的，這個(gè)頻段充斥著藍(lán)牙設(shè)備、微波爐，以及其它常見的RF設(shè)備?？傊瑢?duì)于任何移動(dòng)設(shè)備，實(shí)際的Wi-Fi帶寬會(huì)大幅下降。

圖6，移動(dòng)設(shè)備與PC之間的數(shù)字內(nèi)容無線傳送會(huì)同時(shí)消耗設(shè)備的電能，除非設(shè)備連接了充電器或通過USB連接到PC上(a)。USB 3.0有多用途的連接能力、大帶寬，以及電池充電功能，因此在不久的將來很可能與移動(dòng)設(shè)備上的Wi-Fi共存(b)。

Wi-Fi還缺少了USB 3.0設(shè)備的可充電優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)設(shè)備與PC之間的數(shù)字內(nèi)容傳送過程也同時(shí)消耗了設(shè)備的電池，除非同時(shí)接了充電器或通過USB端口連接PC(圖6)。因此，移動(dòng)設(shè)備永遠(yuǎn)不可能采用Wi-Fi方式，做純粹“無繩”的同步，除非所傳輸?shù)臄?shù)字內(nèi)容量可以忽略不計(jì)。Wi-Fi最適合用于上網(wǎng)、發(fā)送電子郵件，以及聆聽空中收音機(jī)；但它不是大量快速內(nèi)容傳送的選擇。而由于USB 3.0兼具了多功能連接、大帶寬，以及電池充電功能，在可預(yù)見的未來，它很可能與Wi-Fi在移動(dòng)設(shè)備上并存。

盡管USB 3.0是移動(dòng)設(shè)備的一種有前途的技術(shù)，它仍然必須克服一些障礙，才能獲得與USB 2.0同等的成功。因?yàn)閁SB 3.0工作在更高的頻率，于是就出現(xiàn)了一些新的挑戰(zhàn)，如信號(hào)完整性和電纜長(zhǎng)度。但設(shè)計(jì)者可通過遵循最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，克服這些挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，只有少數(shù)PC帶有USB 3.0；因此，移動(dòng)設(shè)備無法通過USB 3.0連到很多PC上，即使移動(dòng)設(shè)備本身具有了這一功能。英特爾下一代支持原生USB 3.0主控的Ivy Bridge CPU已進(jìn)入市場(chǎng)，更多PC將帶有標(biāo)準(zhǔn)的USB3.0端口。另外，早期USB 3.0適配器必須自己開發(fā)USB3.0驅(qū)動(dòng)程序，這樣就增加了額外開銷和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。微軟已宣布在Windows 8操作系統(tǒng)中提供強(qiáng)大的USB 3.0支持，USB 3.0的無縫支持將遍及整個(gè)市場(chǎng)。

USB仍然是所有移動(dòng)設(shè)備中最萬(wàn)能的連接選擇。USB 3.0有明確的優(yōu)點(diǎn)，如大帶寬和電池充電，因此成為大量數(shù)據(jù)傳輸與高清視頻流的理想選擇。USB 3.0將獲得用戶從USB 2.0得來的強(qiáng)大認(rèn)同，從硬件到軟件都發(fā)展出一個(gè)廣泛的生態(tài)系統(tǒng)?，F(xiàn)在正是移動(dòng)系統(tǒng)制造商在下一代移動(dòng)設(shè)備中引入SuperSpeed USB 3.0的最佳時(shí)機(jī)。