看懂 USB 3.0：為什麼很快？架構完整大介紹

雙核架構飆速度

這樣的架構差異，等同宣告USB 3.0無法向下相容舊型裝置，對以廣泛相容性聞名的USB而言，自然是不允許發生的事。因此在實體層架構裡，實際上是包含了USB 3.0與USB 2.0這2個匯流排，以解決向下相容性問題。基於這項特性，USB 3.0主控制器與集線器控制器，允許USB 3.0和其他USB規範裝置同時運作。

換言之，USB 3.0是延續USB 2.0架構設計，並堆疊新的功能進來，將它想像成雙核心處理器，就不會太難理解。好處是能夠降低設計複雜度與開發時程，並確保高速的USB 3.0能夠發揮傳輸性能，不至於被低速裝置拖累。因此將USB 3.0裝置插入USB 2.0主控制器電腦系統，裝置與系統都能順利以USB 2.0模式運作。相對的，USB 2.0裝置接到USB 3.0主控制器時，也不會出現不相容的情況。

USB 3.0應用完整架構圖（按縮圖可放大）

▲ 包含實體、鍊結、通訊等3個層級，採用8bit/10bit編碼傳送資料，並且強化電源管理設計。

封包處理架構大翻新

USB匯流排中傳遞了資料、狀態、控制訊號和定址等多種訊號，除了USB 2.0架構中基本的數據封包（data packet）和交易封包（transaction packet），USB 3.0新增了鏈結管理封包（link nanagement packet）與同步時戳封包（isochronous timestamp packet），負責管理鍊結、控制流量、配置設備與集線器，以及資料傳送、活動連繫等作用。

除了更高的訊號傳輸速率外，還著手改善封包傳輸架構，才能有效傳遞這麼多的資訊量。以往的USB 2.0，主控端會向已啟動的裝置廣播傳送封包，所有裝置都得對接收到的封包進行位址解碼處理，這樣的輪詢（polling）和共通時脈機制對效率影響頗深。USB 3.0則是將路由資訊包進封包內，主控端能以單點廣播的方式，向目標裝置傳送封包，除了整體架構運作更有效率，還有降低耗電量的效果。

新增串流傳輸模式

至於在通訊協定層部分，USB 3.0支援大容量傳輸（bulk transfer）、控制傳輸 （control transfer）、等時傳輸（isochronous transfer），以及中斷傳輸（interrupt transfer）4種資料傳輸方式。雖然表面上和USB 2.0一樣，但是傳輸的基本單位「封包」，USB 3.0的傳輸協定與封包處理架構大不同，整體傳輸效率還是能明顯勝出。唯一新增的，是大容量傳輸支援串流（streams）模式，且通訊層支援多串流運作。

串流模式特點是在主控端與裝置，大量傳輸（bulk）的輸入或輸出端點上，建立數個資料緩衝區，並且以多工模式傳輸串流。每個串流都擁有獨立的串流識別ID，主控端具備指令排程能力，不必等待執行中的指令完成，就能發出內嵌串流ID的新指令。此外主控端和裝置，在缺乏端點緩衝區這類情況時，也能拒絕來自另一方建立的串流通訊協議。

USB 3.0資料線架構圖

▲ USB 3.0具備額外的SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-等4 條資料傳輸線路，支援雙單工模式可同時雙向傳輸。加上接地線路後，實際腳位總數為9pin，較USB 2.0多出5pin。

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