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。

表 1

（來源:  USB-IF Logo License – Logo Usage Guidelines）

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：

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：

表 3

USB Pinout

先從 Legacy 說起，請見表四：

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

表 4

上表中的腳位如表五所述：

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

表 6

表六中的腳位如表七所述：

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

圖 1：Type-C Receptacle

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。

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）。

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。

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：

表 8

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。

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

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。

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