USB 3.0為移動(dòng)設備帶來(lái)超快的連接速度

要點(diǎn)

1,移動(dòng)設備上多媒體內容的增長(cháng)要求有更大的存儲容量和更快的連接速度。

2,USB 3.0 5Gbps原生信號速率可以承擔大容量多媒體內容的傳輸，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，從而節省了移動(dòng)系統設計中的資源。

4,雖然Wi-Fi有無(wú)線(xiàn)的便利，但USB 3.0具有電池充電能力和超高的數據速率，使之成為最萬(wàn)能的連接選擇。

移動(dòng)手持設備逐漸成為我們生活中不可缺少的一部分，開(kāi)發(fā)人員每天都在發(fā)明新的應用，以支持我們忙碌的生活方式。例如，智能手機和平板電腦都越來(lái)越多地用于媒體的回放。但是，增加內容及其傳送速度已成為最具挑戰性的工作之一。因此，提高存儲容量和數據傳輸速率都是移動(dòng)系統設計中的關(guān)鍵。盡管移動(dòng)設備的存儲容量每年翻番，能跟上內容的增長(cháng)，但數據傳輸速率卻一直上不去。

USB 3.0的誕生

據In-Stat的數據，2015年，廠(chǎng)商將交付2.8億部有USB 3.0功能的手機。USB 3.0的帶寬較USB 2.0增長(cháng)了10倍，實(shí)現了5Gbps的原始吞吐率，約600MB/s，考慮到20%的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)后，這近乎于480MB/s的實(shí)際數據吞吐率。由于USB3.0是與數據無(wú)關(guān)的，因此可以傳送任何類(lèi)型的內容，包括高清視頻。USB 3.0亦提高了電源供應與管理的門(mén)檻。它允許設備在工作時(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有多種節能模式，如空閑、睡眠與掛起，優(yōu)化了電池供電移動(dòng)設備的使用壽命。

現在已有60多億部設備有USB功能，并且在移動(dòng)手持設備中幾乎有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，消費者應能毫無(wú)困難地理解并使用它。

消費者和平板電腦設計者對USB 3.0一樣熟悉。當移動(dòng)計算轉向平板電腦這種尺度時(shí)，存在著(zhù)兩種設計哲學(xué)。傳統筆記本電腦制造商(包括華碩、宏基和東芝)都選擇從上至下的微型化，而手機制造商(包括蘋(píng)果、三星和HTC)則采用自下至上的方案。因為兩種方法都已存在了USB 2.0固件，因此無(wú)論是筆電背景還是手機背景的平板電腦設計者，都會(huì )把轉向USB 3.0看作一個(gè)簡(jiǎn)單直接的過(guò)程。

連接器問(wèn)題

雖然USB 3.0的標準A型連接器與USB 2.0尺寸相同，但對于手機、平板電腦和其它手持設備上使用的USB 3.0微型連接器則存在著(zhù)一些問(wèn)題。USB 3.0微型連接器有獨特的結構，USB 3.0線(xiàn)要從USB 2.0連接器穿過(guò)(圖1)。制造商在為系統增加其它大型連接器方面持謹慎態(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，而對渴望獲得極小尺寸的移動(dòng)設備制造商而言，這就帶來(lái)了問(wèn)題。

圖1，在USB 3.0微型連接器中，USB 3.0線(xiàn)要通過(guò)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(數字來(lái)自USB 3.0規格)。

除了USB 2.0微型連接器以外，今天大多數高清手持設備都有一個(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)設備直接連接到高清電視機和外接顯示器上。由于MHL與連接無(wú)關(guān)，因此USB 3.0可以替代它承載音視頻信號，從而避免了對其它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(cháng)，而USB2.0微型連接器長(cháng)度為7.8mm?？紤]到兩者之間要有一個(gè)間距，則總連接器的長(cháng)度就達到約15mm~16mm，超出USB3.0微型連接器25%以上。因此，移動(dòng)設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計，獲得更快的內容傳輸速度、電池充電速度，以及通過(guò)MHL的高清視頻流。

拓展了吞吐量

大多數移動(dòng)設備中的存儲器采用的是SD(安全數字)卡或eMMC(嵌入多媒體卡)閃存技術(shù)。SD 2.0標準支持最大25MB/s速度，而eMMC 4.3標準支持最大52MB/s。兩者均不能有效地利用USB3.0的全部數據帶寬。不過(guò)，新的SD 3.0標準改變了這種局面，新標準將SD性能提高到104MB/s。同樣，最新的eMMC 4.41規范將升級到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幾乎不支持當前的存儲標準(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將很快成為整體數據傳輸路徑上的速率瓶頸。移動(dòng)系統制造商必須在自己的新設計中采用USB 3.0，才能充分利用到這些存儲提升的優(yōu)勢。

圖3，作為接口演化的一部分，USB 2.0勉強支持著(zhù)今天的存儲標準。

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

由于存儲數據量太大，手機和平板供應商都在尋求用RAID(獨立磁盤(pán)冗余陣列)技術(shù)來(lái)提高數據流量。采用RAID-0結構時(shí)，大數據被分成條帶，同時(shí)存儲在兩個(gè)SD或eMMC卡上。RAID-0與USB 3.0同時(shí)使用時(shí)，存儲設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，一臺有最快USB2.0接口的手機要傳送一部8GB的電影，需要花7min，速度是18MB/s。升級到USB 3.0后，拓寬了數據傳輸通路，數據傳輸可以達到當前存儲器的峰值極限，這意味著(zhù)，一個(gè)支持USB 3.0端口和兩個(gè)存儲設備的RAID-0結構的內部橋可以運行在存儲設備的最高性能。這個(gè)速度現在大約為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600MB/s的數據傳輸速率(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，存儲器的速度限制了數據傳輸速率。通過(guò)采用內部橋和RAID-0結構，存儲器的速度可達到150MB/s~200MB/s，因此一個(gè)8GB要花41s。

圖5，Cypress公司Benicia USB 3.0存儲控制器作為內部橋，能夠實(shí)現高效率的便攜設備數據流，并提供RAID-0結構。

USB 3.0還有助于降低設備的制造成本。很多手持設備供應商都會(huì )在出廠(chǎng)時(shí)，通過(guò)USB端口預先在設備中裝入應用程序、音樂(lè )、電影以及其它內容。智能手機的操作系統和預裝內容要大于2GB，制造商采用USB 3.0端口做手機預裝時(shí)，速度是USB 2.0的10倍，這樣提高了工藝效率，能節省更多成本。

同步與移動(dòng)

在云計算時(shí)代，出現了大量的云服務(wù)，如iCloud、微軟SkyDrive，還有Dropbox，用戶(hù)無(wú)需通過(guò)PC就能以無(wú)線(xiàn)方式同步自己的數據。移動(dòng)設備對連網(wǎng)技術(shù)的需求還有爭議。Wi-Fi是今天最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)標準，據IMS Research分析，93%的連接速度是在智能手機和平板電腦上。它有無(wú)需接線(xiàn)的方便，給我們日常生活帶來(lái)了數不清的好處，例如在本地星巴克店上網(wǎng)，在等飛機時(shí)發(fā)送電子郵件，或用一部設備拍照片，并通過(guò)云將其傳送給另外一部設備。

最新修訂版的Wi-Fi 802.11n支持MIMO(多輸入/多輸出)，多天線(xiàn)處理的數據明顯多于單天線(xiàn)。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/醫療)頻段。盡管802.11n的600Mbps理想帶寬仍然無(wú)法匹配USB 3.0的5Gbps帶寬，但已經(jīng)足夠用于移動(dòng)設備與PC之間的內容傳送。

然而，Wi-Fi 802.11n在移動(dòng)設計中的優(yōu)勢正在逐漸消失。它的600Mbps最大帶寬通常只出現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(xiàn)和一個(gè)ADC，因此對移動(dòng)系統供應商而言，把四套全做上是沒(méi)有性?xún)r(jià)比的。為得到效率，各個(gè)天線(xiàn)都需要遠離放置；而緊湊的移動(dòng)設備尺寸嚴重限制了這種要求。此外，在擁擠的2.4GHz ISM頻段上，使用40MHz寬的信道