新一代接口一统江湖？USB 3.0全面剖析

“拿出闪盘插在机箱USB接口上，拷贝数据，拔下闪盘”，这样的动作我们几乎每天都要重复。在进入USB 2.0时代后，用户往往只在意闪盘本身的容量，而对它的接口不大关注。但是当数据越来越大，通过USB接口传输需要更长时间等待时，人们开始着急了：速度能快一点吗？换成eSATA或IEEE 1394会不会好一些呢？别急，USB 3.0已经来了！

USB接口可算是常见、常用的数据传输接口，无论是闪盘、读卡器、摄像头、移动硬盘甚至是声卡、充电器等设备，大多数都使用USB接口来传输数据、获取电能。但随着电脑文件的日渐增大，在传输数据时对移动设备的速度要求也越来越高，即使是USB 2.0接口的速度也开始让人觉得不够用。例如，一部高清影片文件的容量往往高达30GB，传输这么大的数据，十几二十分钟的等待可不是什么令人愉快的事情。于是，更快更先进的USB 3.0标准应运而生，高速度、高标准、省电、易用，这将是新一代USB 3.0给我们带来的全新感受！

USB接口的发展史

USB，全称为Universal Serial Bus，即通用串行总线，它是由康柏（后被惠普收购）、DEC、IBM、英特尔、微软、NEC以及Northern Telecom等公司于1994年11月共同提出，其完整规格于1996年推出。第一代USB接口速度很慢，USB 1.0仅支持Low Speed，也就是1.5Mbps的速度；随后推出的USB 1.1支持Full Speed，即12Mbps的传输速度——这在今天看来无疑是蜗牛爬行，慢得让人难以忍受。

USB 1.0和USB 2.0之间存在质的变化

很快USB组织的成员们就意识到了这个问题。在1999年，英特尔率先在IDF上发布了USB 2.0的消息，并且许诺速度将会提升至USB 1.1的10～20倍。事实上，USB 2.0的理论速度提升到了USB 1.1的40倍，即480Mbps，这是一个非常惊人的数据，几乎接近5400rpm硬盘的持续传输速度。USB 2.0的大优势是向下兼容、速度快、使用要求低，这也是USB快速发展的重要因素，让它迅速拉开了与IEEE 1394等其它高速接口的差距。简单易用又省钱的东西永远是用户的爱，这点在USB的发展上表现得尤为清楚。

谁制定了USB 3.0？

USB 3.0是继USB 1.0、USB 1.1和USB 2.0之后，全新发展而来的一个新的高速传输接口标准。它的另一个名称是SuperSpeed USB，本文为了描述方便，全部称为USB 3.0。

SuperSpeed USB可算是一个全新的标准

USB 3.0标准是全新的。从2008年11月12日发布的USB 3.0正式标准白皮书来看，此次参与制定USB新标准的公司变了不少（当然，英特尔、微软、NEC这种业界常青树是不会轻易退出的）。新加入的公司有ST-NXP Wireless和Texas Instruments，还有自动继承康柏席位的惠普。退出或者消失的公司有IBM、DEC、Northern Telecom。IBM专注于服务和基础技术的研究，退出USB组织情有可原。DEC经营不善，被康柏收购，消失于无形。新加入的公司中，ST-NXP Wi reless是由飞利浦公司和意法半导体合资的有关无线和移动传输的公司，而Texas Instruments就是老牌企业德州仪器。

从参与公司的变动不难看出，USB 3.0恐怕有心觊觎无线传输技术，未来发展的领域也更宽广。有了英特尔的鼎力支持，USB 3.0很快将出现在英特尔下一代主板芯片组的支持清单上，而微软肯定在操作系统中提供对USB 3.0设备的原生支持。英特尔支持硬件，微软支持软件，惠普、NEC和德州仪器给予应用和设备支持，ST-NXP提供无线解决方案，USB 3.0几乎得到了方方面面的完整支持，想不兴盛都困难。

USB 3.0的架构构成

有了业界巨头的扶持，USB 3.0还需要拿出一些“硬通货”才能服众。我们先从USB 3.0的设计方案中挖掘一下，看有没有什么新东西。在USB 3.0标准的双总线架构设计图中，我们可以清晰地看出，USB 3.0标准为了保持对USB 2.0标准的向下兼容，设计了双总线架构。其中标为SuperSpeed的实线线路是用于USB 3.0设备的，而标为Non-SuperSpeed的虚线线路适用于USB 2.0以及以下设备。USB 3.0的物理总线架构是和USB 2.0的物理总线完全平行的，通过图3分析我们可以得出如下结论：

USB 3.0标准的双总线架构设计

1.USB 3.0的外围设备（也就是设备接口）在设计了兼容于USB 2.0/1.1/1.0的触点的同时，额外布置了关于USB 3.0的触点。

2.USB 3.0的HUB设计中，SuperSpeed HUB和USB 2.0 HUB并行设计，互不干扰。

3.USB 3.0独立使用一组总线，连接至USB 3.0的控制中心（USB 3.0 HOST）；此控制中心中还为老版本的USB设备设计了另外的信号处理设备，用于处理Hi-Speed（即USB 2.0）、Full-Speed（即USB 1.1）、Low-Speed（即USB 1.0）的信号。

USB 3.0采用的双总线架构设计，能够非常出色地兼容旧有USB标准，而独立设计的USB 3.0总线则可以降低数据传输中的干扰。若设备和接口不完整支持USB 3.0，还可以退而求其次，采用USB 2.0甚至1.1/1.0总线来传输数据。这种双总线的设计方案应用非常灵活，使用也极为方便，极大地拓宽了USB 3.0的适用范围。

USB 3.0的接口和线缆

USB 3.0除了架构外，线缆结构和接口构成也有明显变化。USB 3.0正式标准白皮书清楚地向我们展示了USB 3.0的数据传输线缆的设计。每一个USB HOST或者HUB可以连接一个或者多个USB 3.0设备，在所有的USB设备中，只有全部符合USB 3.0标准，才可以启用USB 3.0；只要有一个USB设备无法支持USB 3.0标准，则降低至USB 2.0或者USB 1.1标准。

图4：未来常见的USB 3.0 A型接口设计方案

USB 3.0的线缆设计了8条内部线路。除了Vbus和GND作为电源提供线外，其它的3对线路均用于数据传输。其中D+和D-这对线缆是专门为USB 2.0及更低标准设备传输数据使用，而新添加的SSRX和SSTX两对线路是专门为USB 3.0设备高速传输所设置。

USB 3.0 A型公母接口

USB 3.0在传输中采用两个通道将数据的传输和确认过程分离，同时传输和确认数据，有助于达到更高的速度。为了数据传输的安全性和稳定性，USB 3.0没有采用USB 2.0的轮流检测和广播机制，转而采用封包路由传输技术。这种技术一方面提高了数据传输的稳定性和安全性，另一方面使得终端设备在有数据传输的时候才发送信息进行传输，也成为USB 3.0电能控制的重要方面。

USB 3.0线缆内采用彩色信号线，有助于识别

USB 3.0的A接口设计采用了与USB 2.0完全一样的尺寸方案，如果不仔细查看接口内部触点情况，几乎无法区分USB 3.0和USB 2.0接口。USB 3.0的接口是典型的分层数据结构，如图4所示，靠近接口的开口方向是USB 2.0需要的4个触点，而后方同时布置了5个新触点，交错于前4个下凹式设计的触点，并且采用了凸起式设计。

USB 3.0 Micro接口，多用于移动设备或者手持设备

这5个凸起式触点就是USB 3.0额外添加的接触点。在图4中，1、2、3、4号触点是USB 2.0及以下方案使用的接口，新的USB 3.0的接口编码为5、6、7、8、9。除了对应之前提到的6根数据接线和一对电源接线外，USB 3.0特别增加了7号触点连接额外的信号接地线。

除了A型接口外，USB 3.0还额外设计了A型公母接口、B型公母接口、供电型B型公母接口、Micro-B型公母接口和Micro-A型公口以及Micro-AB型母口。其中，相应的公口和母口设计均完全兼容于USB 2.0的公母口设计，所起到的作用也基本相同。不过在线缆的定义方面，不同的公母口触点定义是不完全相同的。好在USB 3.0采用了更为鲜艳的颜色区分不同的信号线设计，无论是维修还是制造，都不会由于复杂的接线而感到困惑。

USB 3.0的技术改进

USB 3.0的技术改进大家应该已经了解了，不过我们更关心的是：USB 3.0究竟给我们带来了什么好处？下面我们就为大家一一道来。

1.高速度、多功能、全双工

USB 3.0的重要特点就是极高的传输速度。USB 2.0的速度高可以达到480Mbps，而USB 3.0再次将速度提升10倍以上，高可以达到5Gbps，这个速度已经远超绝大多数温彻斯特硬盘的传输速度，也高于大部分SSD硬盘。毫不夸张地说，USB 3.0的速度设计至少可以应付未来三年存储技术发展对带宽的需求。在功能方面，USB 3.0能够像硬盘那样支持原生命令排队（Native Command Queuing，也就是我们常说的NCQ功能），这种模式理论上可以优化数据读取方式，大化加快数据传输速度；并且对重要的数据还可以维持独立的优先级设定，保证重要数据的传输安全。

各代USB规格传输数据所耗时间对比表

另外，借助双线并行设计和设备规格的发展，USB 3.0可以做到全双工运行。具体来讲，USB 3.0标准可以在发送数据的同时接收数据，而USB 2.0只能在同一时间内发送或者接收数据，而不能同时进行。（全双工的优势在于，如果采用USB 3.0接口作为外置声卡等设备的接口，那么设备不需要在一个操作完成之后再进行下一个操作，可以同时进行收发数据处理，在大大加速设备处理速度的同时也为未来更多更强的外置设备挂接于USB 3.0接口提供了可能。

2.优秀的兼容性

USB 3.0采用双总线架构设计的方案，有效解决了技术兼容性问题。对于目前广泛应用的USB 2.0设备来说，USB 3.0良好的兼容性设计可以让过渡更为平滑，不会出现由于设备大量淘汰的情况。对于软件来说，Windows系统只需要新安装一个Mass Storage Device驱动程序就可以充分享受到USB 3.0的高速快感了。在硬件方面，如果未来你购买了支持USB 3.0标准的新型移动硬盘，在支持USB 2.0标准的电脑上使用也完全没有问题，只不过速度稍微慢了一些。

3.更出色的电力供应

很多用户都有这样的记忆，在使用USB接口的移动硬盘等设备时，如果只插入一个USB接口，系统往往会无法识别硬盘。只有将辅助供电USB接口连接，硬盘才能正确识别并正常使用。这种问题主要是由于USB 2.0接口的供电能力较差，遇到耗电稍大的设备，就会无法满足其需求。而根据USB 3.0标准，USB 3.0接口多能提供超过USB 2.0接口80%的电能。比如USB 2.0理论上多只能提供500mA的电流，而USB 3.0理论上能够提供0.9A的电流，甚至更高。更高的电流供应可以让USB 3.0接口更为轻松地应付更高功耗的外置设备。

4.更优秀的电源管理

由于USB 2.0接口本身耗电不高，因此在制定USB 2.0标准时对其电源管理也未做太多要求，主要采用设备轮询模式来提供电力。采用这种模式，即使你没有使用USB 2.0设备，仅仅是把它连接在电脑上，计算机也会定期访问这些设备，检查设备情况。虽然电能耗费不多，不过集腋成裘，时间长了耗电数目也不可小视。

USB 3.0在这方面进行了彻底改进，采用了多层次电源管理系统，支持设备的空闲、睡眠和中断状态。举例来说，多层次电源管理可以为不同需要的设备提供不同的电源管理方案。比如摄像头，在网络聊天时随时可能启用，那么USB 3.0标准可以在其不使用的时候令其进入空闲状态，降低功耗的同时保证能够迅速激活以满足用户需求。

对于一些不太常使用的USB设备，比如USB接口的打印机等，可以直接令其进入睡眠状态，更节省电能。对于一些极少使用的设备，比如USB外置光驱等，直接命令其进入中断状态，不供给电能，直到设备再次启用。对于单一设备而言，USB 3.0标准还设置了链路、设备和功能三级电源管理方式。设备的连接部分、设备以及功能部分都可以申请进入节能状态，大程度地保证电能的有效利用。

5.无线扩展

目前的USB 3.0白皮书中尚未给出无线USB的具体执行方案，仅仅表示USB 3.0可以很方便地扩充其无线标准。不过从目前无线的发展情况来看，Wi-Fi、WiMax等无线方案都更加易用和成熟，无线USB只能作为未来发展的一种补充。目前比较成熟的无线USB方案传输速度和USB 2.0相当。新的消息是，USB无线小组公布的无线USB 1.1方案，将速度由480Mbps（Mbps）提升至3米内1Gbps，不过尚未正式公布方案。而即使是1Gbps，也和USB 3.0的5Gbps相差较远。因此，在USB组织未公布无线扩展标准之前，一切尚不明朗。

6.速度发展潜力巨大

USB 3.0标准并未固定此版本的终传输速度，而是表示目前可以达到高5Gbps的速度。看来在采用铜导线和普通电信号以及接触点设备的情况下，5Gbps的速度也远未达到极限。除此之外，USB 3.0还可以支持光纤数据信号，一旦采用光信号，速度还将进一步上升，达到10Gbps甚至25Gbps以上都是有可能的。

柳暗花明，USB 3.0、IEEE 1394、eSATA三国鼎立！

USB 3.0标准无疑是非常强大的，它在传输速度、模式、兼容性、供电、未来发展等多个方面都展现出了一个未来接口标准应有的水平。不过，只有一家发展总是不够精彩。在USB 3.0发布之前，IEEE 1394b标准的传输速度已经达到800Mbps，并且很快会升级至3.2Gbps；同时eSATA又是以高速著称。面对诸多竞争对手，USB 3.0标准是否有优势呢？

从速度来说，USB 3.0无疑是快的。高达5Gbps的传输速度在几种接口中可谓傲视群雄。之前快的eSATA仅有3.0Gbps，大幅度落后于USB 3.0。实际上，除了速度之外，USB 3.0标准还有更多的优势。相比IEEE 1394接口，USB 3.0的应用范围要广得多。

举一个非常简单的例子，谁看到过IEEE 1394接口的闪存盘呢？虽然IEEE 1394接口在多媒体行业中使用广泛，但是离开了厂商的支持，IEEE 1394逐渐衰退甚至退出市场都是有可能的。USB 3.0标准在制定之初，就邀请了IEEE 1394标准的“娘家”—大名鼎鼎的苹果公司参与。苹果并未明确表示对USB 3.0的支持，但目前苹果电脑的大芯片提供商—英特尔是USB 3.0的核心成员，在设备支持上未来可能会影响苹果放弃IEEE 1394或者在IEEE 1394和USB 3.0之间做出平衡。另外，同为全球媒体巨头的索尼公司早已对IEEE 1394接口失去兴趣，索尼一些新款摄像机产品都配备了USB 2.0接口，而不是IEEE 1394接口。

从USB 3.0的发展计划来看，至少要到2010年底我们才能看到USB 3.0设备的大规模普及

不过IEEE 1394标准也留有后手，1394贸易协会曾经表示：USB目前依旧落后于IEEE 1394，因为USB 3.0依旧在纸上，并且USB 3.0 HOST控制芯片更为复杂，因此对USB 3.0在2009年完成大批设备推广上市并不看好。IEEE 1394-2008标准在2008年年中就已经正式完成，高传输速度升级至3.2Gbps，并且1394贸易协会正在制定6.4Gbps甚至10Gbps的相关标准。

在传输距离方面，IEEE 1394也非常自信。USB 3.0也许只能在2米的连接线内实现全速传输，相比之下，IEEE 1394认为他们可以实现100米以内的高速传输。重要的是，IEEE 1394可以脱离PC实现点对点传输，支持同步和异步传输模式，并且可以同时连接63个设备，对数字视频信号和音频信号的实用性也非常出色，这些都是USB 3.0难以超越的。

IEEE 1394和USB 3.0的竞争结果就像三国中期的魏国和蜀国，竞争激烈，结果不明。不过说起三国，还有一个接口标准—eSATA不得不提。正像三国时期的吴国，虽然表面平和，但是实际上却暗流涌动。eSATA的标准脱胎于SATA标准，和硬盘界大红大热的SATA不同的是，eSATA一直不愠不火。

究其原因，主要还是在设计之初，eSATA就不是为频繁插拔设备专门设计的接口，而是作为SATA方案的扩展和补充，充其量也就是个“赠品”。和USB、IEEE 1394这些“嫡子”还是有不小的差距。

eSATA的首要问题是无法提供电能，没有供电部分的设计，就意味着大部分设备不能独立使用。如果使用eSATA接口的移动硬盘，就需要从USB接口取电或单独由电源供电。这样还不如直接使用USB 3.0接口，速度更快更方便。

除此之外，eSATA接口“天生孱弱”，接口本身比较脆弱，插拔次数过多相对容易受损。不过，eSATA也有自己的优势。首先eSATA接口来自于硬盘方案，只要SATA升级了，eSATA就是近亲，是容易也快兼容于SATA方案的接口。也就是说只要电脑能用SATA硬盘，就能使用eSATA，成本低、容易布置。

其次，eSATA有专门集成在主机内的SATA芯片，具备系统引导启动的功能。USB和IEEE 1394实现起来相对麻烦一些。虽然这两点优势不足以让eSATA和USB接口争锋，但是自保总算没有问题。乐观的估计是，伴随计算机的发展，eSATA接口会长久的持续下去，但是并不会红火起来，而是作为一个附加功能普遍存在于配置清单中。

总结：快速连接未来

实际上，无论是USB还是IEEE 1394亦或是eSATA，都是为了我们使用更方便、更轻松而发展出来的数据接口。随着人们对大数据操作的需求越来越急迫、越来越普遍，各种各样的高速接口还将会进一步发展下去。互联互通，终究是电脑发展的大趋势。而这互联互通的一部分，就是由小小的USB、IEEE 1394、eSATA来完成的。而在三种接口当中，作为目前占据主导地位的USB接口的更新版本，USB 3.0虽说不能独霸天下，但是维持甚至强化统治地位看来完全不成问题！