【通信协议解析】USB3.0通信协议解析

USB3.0通信协议解析

一、USB3.0简介

USB 3.0，其USB速率模式称为“Super Speed”，是通用序列总线（Universal Serial Bus，USB）的第三个主要修订版本。其主要技术标准有：支[全双工，并采用发送列表区段来进行数据发包，供电标准为900mA，传输速度为5Gbit/s。USB 3.0的设计兼容USB 2.0与USB 1.1版本，并采用三级多层电源管理技术，可以为不同设备提供不同的电源管理方案。

图1.USB数据线

USB 3.0采用新的数据包路由传输技术，线缆设计8条内部线路，除VBus和GND作为电源提供线外，剩余3对均为数据传输线路——其中保留D+与D-两条兼容USB 2.0的线路，新增专为新版所设的线路SSRX与SSTX，因此USB 3.0比USB 2.0多了数个触点。USB 3.0的Standard-A接口继续采用与早先版本一样的尺寸方案，接头采用蓝色外观（USB 2.0 Standard-A接口采用黑色外观），只是内部触点有变化，新的触点将会并排在目前4个触点的后方。引入扩频时脉技术，降低电磁辐射的逸散。

Intel发表的xHCI规范支持USB3.0的接口，且向下兼容USB 2.0的接口。Windows 8和后续的Windows操作系统都内置本地的USB 3.0支持。

图2.The Super-Speed USB Logo

二、USB3.0功能特点

2.1、USB的功能特点如下：

(1) USB排除了各个设备,如鼠标,调制解调器,键盘和打印机对系统资源的需求,因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用,整个USB系统只有一个端口和一个中断,节省了系统资源。

(2) USB支持热插拔(热插拔)。也就是说在不关闭PC的情况下可以安全地插上和断开USB设备,动态地加载驱动程序。其他普通的外围连接标准,如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备。

(3) USB支持即插即用(PnP)。当插入USB设备的时候,计算机系统检测该外设并且通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置,使其正常工作。

(4) USB在设备供电方面提供了灵活性。USB直接连接到中心或者是连接到主机的设备可以通过USB电缆供电,也可以通过电池或者其他的电力设备供电,或使用两种供电方式的组合,而且支持节约能源的挂机方式和唤醒模式。

(5) USB提供高速12 Mbps的速率和低速1.5 Mbps的速率来适应各种不同类型的

外设。

(6)针对不能处理突然发生的非连续传送的设备,如音频和视频设备,USB可以保证其固定帶宽。

(7)为了适应各种不同类型外围设备的要求,USB提供了4种不同的数据传送类型。

(8) USB使得多个外围设备可以跟主机通信。

(9)具有很高的容错性能,因为在协议中规定了出错处理和差错恢复的机制,可以对 有缺陷的设备进行认定,对错误的数据进行恢复或报告。

总之,作为计算机外设接口技术的重要变革,USB在传统计算机组织结构的基础上引入网络的拓扑结构思想,具有终端用户的易用性,广泛的应用性,带宽的动态分配,优越的容错性能,较高的性能价格比等特点,方便了外设的增添,适应了现代计算机多媒体的功能拓展,已逐步成为计算机的主流接口

图3.USB系列与电脑接口

USB3.0 —— 也被认为是SuperSpeedUSB——为那些与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。只是个硬件设备，计算机内只有安装USB3.0相关的硬件设备后才可以使用USB3.0相关的功能，从键盘到高吞吐量磁盘驱动器，各种器件都能够采用这种低成本接口进行平稳运行的即插即用连接，用户基本不用花太多心思在上面。新的USB 3.0在保持与USB 2.0的兼容性的同时，还提供了下面的几项增强功能：

（1）极大提高了带宽——高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mbps半双工）。

（2）实现了更好的电源管理。

（3）能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB——充电电池、LED照明和迷你风扇等应用。

（4）能够使主机更快地识别器件。

（5）新的协议使得数据处理的效率更高。

USB3.0可以在存储器件所限定的存储速率下传输大容量文件（如HD电影）。例如，一个采用USB3.0的闪存驱动器可以在15秒钟将1GB的数据转移到一个主机，而USB 2.0则需要43秒。

受到消费类电子器件不断增加地分辨率和存储性能需求的推动，希望通过宽带互联网连接能够实现更宽的媒体应用，因此，用户需要更快速的传输性能，以简化下载、存储以及对于多媒体的大量内容的共享。USB 3.0在为消费者提供其所需的简易连接性方面起到了至关重要的作用。

2.2、USB 3.0具有如下优点：

(1) USB 3.0增加了一种新的传输类型,称为超级速度,最高可达5 gbps,相较于USB 2.0最高的传输速率480 Mbps,快了约10倍。

(2) USB 2.0基于半双工二线制总线,只能提供单向数据流传输,而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线,分别使用一对线缆来进行数据的收,发,故而支持双向并发数据流传输,即全双工总线模式,这是USB 3.0传输速度猛增的关键原因。

(3) USB 3.0引入了新的电源管理机制,因此最大能够提供约900毫安的电力,比USB 2.0提高了约80%。最小工作电压从4.4v降到4 v,还能够在待机时间切断电力,不仅对智能手机充电有更佳的优势,同时能增强笔记本产品的电池续航能力。

(4) USB 3.0采用双总线架构,具有USB 2.0和USB 3.0两者的物理结构,允许USB20(全速、低速或高速)和USB 3.0(超高速)同时进行,从而提供向后兼容性。因为结构据扑相同,所以能够在USB 2.0端口上运行USB 3.0设备。

(5) USB3.0对USB设备的电源管理进行了优化,采取智能型设定,支持待机,休慨和暂停等状态,摒弃了USB 2.0的轮询广播工作模式,采用中断驱动协议。它采用封包路 由方式进行数据传输。该方式仅在接口上有数据传输时才需要为设备供电,而当设备空闲时,设备将处于空闲、睡眠和中断状态,这样更加省电。

图4.USB与Thunderbolt的速度比较表

三、USB3.0结构特点

3.1、USB3.0数据传输信号

USB使用差分信号进行资料传输，以USB 2.0为例，要达成480Mbps的传输率，那么其传输的差分信号运作频率须为240MHz，USB 3.0需要2.5GHz的差分信号频率方能达成5Gbps传输率。而为了降低高运作频率产生的电磁干扰，USB 3.0引入扩频，将原本集中在2.5GHz频率的能量，USB 3.0以2.5GHz为中心呈现正弦函数的绝对值分布，降低2.5GHz集中的能量，这样下次出现能量集中的地方为三次谐波7.5GHz（也因这样所以在USB 3.0线材规范中都有针对7.5GHz制定要求）。

然而，2.5GHz的运作频率与ISM频段（2.412～2.462GHz）靠得太近，加上扩频时脉技术的缘故，原本单一的2.5GHz信号的能量会延展成从直流到数GHz的带宽干扰，令USB 3.0在运作时其电磁波信号的能量会覆盖ISM频段的信号，也无法使用滤波器过滤信号。因此同一电路板上USB 3.0无法与蓝牙、2.4GHz频段的WLAN在相邻不远的情况下一同运作，而USB论坛针对此一现象，也仅能要求制造商将电磁遮蔽做好，从USB插槽、线材、直到外接设备端都需要做屏蔽接地的动作，尽量压低辐射出来的电磁波。而实测表明USB 3.0与蓝牙、2.4GHz的WiFi设备在靠近的情况下，出现了断流、连线中断、传输性能明显下降等情况，而将USB 3.0的连接点做好遮蔽，或者将蓝牙、2.4GHz WiFi等设备使用延长线连接并远离USB 3.0设备，同时运作的干扰问题明显改善。

USB 3.0与ISM频段的电磁兼容性问题，也间接令不少移动设备（如智能手机）等没有考虑对USB 3.0的支持，虽然也有一些智能手机支持USB 3.0（如三星Galaxy Note 3）。

3.2、USB3.0引脚定义

USB 3.0的规格与USB 2.0相似,但有许多改进和替代。早期的USB使用的概念如端点和4个传输类型(批量,控制,同步和中断)被保留,但是协议和电子接口是不同的。

为了向下兼容USB 2.0, USB 3.0采用了9针脚设计,其中4个针脚VBUS,D+、D-,GND和USB 2.0的形状、定义均完全相同,而另外5个(包括两个差分对)是专门为USB 3.0准备的,但是它们的电源线是共用的。这两个额外的差分对是为了高速数据传输和用于全双工高速信号。GND_DRAIN引脚用于地线,还能够控制电磁干扰并保持信号完整。图5是USB 3.0的线缆结构，图6是USB 3.0的信号定义。

图5.USB3.0线缆结构

图6.USB3.0信号定义

数据传输和同步超速事务由主机发起,然后由设备发出响应,设备要么接受请求,要 么拒绝。如果接受,设备发送数据或接收来自主机的数据。如果端点停止,设备将以一个 失速握手回应。如果缺少缓冲区空间或数据,它会用一个未准备好的NRDY信号来告诉主机它不能处理请求。当设备准备好时,它将向主机发送一个端点准备ERDY信号,然后重新调度事务。

图7.USB Type-A（Standard-A）

USB-C接口尺寸为8.3×2.5毫米，小于当前PC的USB接口，但略大于许多手机采用的尺寸6.85×1.8毫米的micro-USB接口。至于电力传输规格，线材标准为直流电5V、5A，而连接器为3A。Type-C由于不兼容现有的任何类型，因此需要额外设计转接设备。全球首套USB 3.1主控端与设备端原型，则由ASMedia于2014年的USB-IF年会中发表。

USB 3.0 Promoter Group主席Brad Saunders在接受采访时表示：“虽然USB技术在设备连接和设备充电中是最受欢迎的，但是我们仍然意识到我们需要开发一个新的接头来满足不断发展的设计趋势，比如设备尺寸和可用性的进步。新的USB-C接头将迎合市场的需求并为未来的USB版本奠定一个基础。

图8.USB Type-B（Micro-B）

图9.USB Type-C # 四、USB帧结构

四、USB帧结构

4.1、帧：

时间概念，在USB中，一帧就是1MS，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动作，USB将1帧分为好几份，每一份中是一个USB的传输动作。

4.2、域：

是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

1、同步域（SYNC），八位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步

2、标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种，具体分类请看

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。

4、端点域（ENDP），四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

5、帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。

6、数据域（DATA）：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度

7、校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

4.3、包：

由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下

1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的）

其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）

帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

PID:

0x01 输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号

0x09 输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号

0x05 帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号

0x0d 设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化

2、数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发 送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是DATA0，那第二个数据包就DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中 之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

PID:

0x03 偶数据包（DATA0），

0x0b 奇数据包（DATA1）

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下

SYNC+PID

PID:

0x02 确认接收到无误的数据包（ACK）

0x0a 无效，接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息

0x0e 错误，端点被禁止或不支持控制管道请求

特殊包 0x0C 前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输

4.4、事务：

分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：

1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务

2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据

3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。

1、 IN事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；

数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）

1） 设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；

2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；

3） 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。

握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

2、 OUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，DATA0与DATA1交替；

握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应；

1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；

2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；

3） 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。

3、SETUP事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令

握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）

4.4、传输：

传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中。

2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。如U盘。

3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0，如视频音频传输。

4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。

五、USB接口系列未来发展

2013年1月6日USB IF协会(USB Implementers Forum)宣布要推出USB 3.0加强版。

2014年USB 3.1正式推出,最大传输速率比USB 3.0提升了一倍,达到了10 Gbps。USB 3.1共有3种接口,分别是Type-A(标准)、Type-B(Micro-B),Type-C。标准的Type-A类目前应用最为广泛,c型由于其接口尺寸更小,数据线更细更轻,便支持正反双面插入的特性,有望成为未来最受欢迎的连接标准。

5.1、USB Type-C介绍

由图9 - 12可知,VBUS是供电端,共有4个。A6,A7是支持USB2.0功能的差分对,A2和A3, B11和B10, B2和B3,A11和A10则是支持USB 3.0功能的差分对。Type-c的接口是中心对称的,因此可以正反双面插入。

Type-c有24个引脚，两边各12个。

图10. Type-C的24个引脚定义

图11.Type-C公头

图12.Type-C母头

USB 3.0的编码方式为8b/10b编码,每传送10位数据中有8位是有效传输,因此会有高达20%的损耗,而USB 3.1则采用了和PCle 3.0相同的128b/130b的编码方式,传输损耗大幅度下降。

图13.USB Type-B首五针跟USB 2.0相同

相比USB 2.0的500毫安,USB 3.0提供了最高达900毫安的供电电流,但仍未满足需求。USB 3.1将供电的最高电流提升到5了,极大地提升了设备的充电速度。

2017年,USB 3.0 Promoter Group公布了USB 3.2标准,在现有基础上对USB 3.1进行补充,保留了USB 3.1的物理层和编码技术,利用双通道技术,将传输速率提升一倍,达到了20Gbps,理论数据传输速度达到了2GBps。USB 3.2支持主机设备和外设的多通道操作,USB Type-C型线缆已经支持多通道操作,升级至USB 3.2后,允许两条通道5 Gbps或10 Gbps的传输速度,主机设备和外设可以用它来解决多通道问题。为了加快结束多个USB接口类型共存的局面, Type-C型被USB IF组织列为唯一推荐接口。

USB 3.2是2017年7月25日USB开发者论坛（USB Implementers Forum）宣布基于USB 3.1改良推出的USB连接接口的最新版本，除了将传输速度从10Gbps倍增至20Gbps，也建议各设备统一采用Type-C型式端子为主。此外USB 3.2也能向下兼容于较旧的规范，无论是将USB

设备插入旧端子，或是将旧设备插入USB 3.2端子，仍能以较低的速度正常运作。

5.2、USB3.2介绍

简单来说，USB3.2就是在USB3.1 Gen2的基础上，将带宽翻了一倍、在现有的USB Type C线上实现双通道，并且能够向下兼容USB2.0和3.1。同时，USB3.2标准将旧的USB3.0和3.1也纳入其中。也就是说，USB3.1 Gen2即USB3.2 Gen2，USB3.0和USB3.1 Gen1即USB3.2 Gen1，而真正的USB3.2则为USB3.2 Gen2x2。USB 3.2继续展示其强大的兼容特性——USB 3.2****兼容USB 3.1及以下标准的主机和存储设备，同时速率轻松实现了翻倍。从USB 3.0 Promoter Group公布的信息来看，USB 3.2仍然采用SuperSpeed USB层数据速率和编码技术，这点和USB 3.1并没有区别；不过USB 3.2标准却对集线器规范进行更新，支持主机设备和外设在单通道和双通道之间无缝切换。USB 3.2支持多通道操作，使用USB 3.2主机连接USB 3.2存储设备时，最高可以实现2GB/s的数据传输速率。不过就目前情况来看，目前只有使用USB-C线缆（通过USB SuperSpeed 10Gbps USB 3.1 认证）时才支持该极限速度。由此看来USB 3.2更像是把两条独立的USB 3.1通道合并，从而对单向传输速率进行了翻倍，原理类似于Thunderbolt 1向Thunderbolt 2进化的过程

规格与USB 3.1比较：

1、使用最新的Type-C传输线，并可向下兼容。速度是USB 3.1Gen2的两倍，允许两条10Gbps传输通道，所以传输速度达到20Gbps，但只能在Type-C传输在线产生效果（并非所有Type-C传输线都支持USB 3.2 Gen2x2，一些Type-C传输线只支持到USB 2.0，或只支持到USB 3.1 Gen2）。

2、借鉴了PCI Express的通道（Lane）设计。USB 3.2 Gen2x2因为使用了两条通道的设计，必须使用Type-C传输线。

3、虽然向下兼容USB 2.0/1.0，但如果要得到20Gb/s的传输速度仍需在主机、目标端同时具备对应的芯片才能达成。

技术突破

USB 3.2成功于现有的USB Type-C传输线上实现双通道，但仍继续使用现有之SuperSpeed USB物理传输率及技术。

图14.USB3.2版本比较

六、个人观点感想

科技的发展日新月异，想不到我们身边非常常见甚至可以算得上是必需品的USB竟然也蕴含着这么多知识，而且和我们的专业，特别是我们今年学的这门《微机原理与接口技术》课程有着很大的联系，很多内容，很多原理都可以用到我们课上所学的知识来解释，比如：“USB 3.0的编码方式为8b/10b编码,每传送10位数据中有8位是有效传输”，这就和《微机原理与接口技术》课本第七章所描述的串行接口芯片8250有着紧密的知识联系，这也让我们在学习探讨课外知识的同时可以将课本知识给应用进来，这无疑加深了我对课本知识的理解，而且也看到了自己的缺点与不足，在未来的日子里我将针对性地去强化学习这些知识点，为大三下的学习打下更加坚实的基础。

七、参考文章及文献

[1]. 正反皆可插，USB 3.1 Type-C 樣式出爐.

[2]. USB 3.1 SuperSpeed standard finalised. bit-tech.链接：https://www.bit-tech.net/news/tech/usb-31/1/

[3].百度百科.链接：[https://baike.baidu.com/item/USB%203.0/7775981?fromtitle=USB3.0&fromid=8640396&fr=aladdin](https://baike.baidu.com/item/USB 3.0/7775981?fromtitle=USB3.0&fromid=8640396&fr=aladdin)

[4].usb3.0和usb3.1什么区别？.链接：https://www.zhihu.com/question/327433732/answer/704888448

[5].USB3.0-工作原理.链接：http://jackwang.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/74509

[6].什么是USB3.0接口？有什么用？.链接：https://www.sohu.com/a/118707577_516875

[7].微机原理与接口技术.戴胜华.第三版.北京：北京交通大学出版社：清华大学出版社，2019,10

[8].什么是USB3.0接口？USB3.0的几大优点.链接：https://www.msdn.hk/dnzs/yjzs/56450.html

[9]. USB Type-C百度百科.链接：[https://baike.baidu.com/item/USB%20Type-C/16565059?fr=aladdin](https://baike.baidu.com/item/USB Type-C/16565059?fr=aladdin)

[10].【科普】USB Type-C是什么？.链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28974787

[11].TYPE-C接口的工作原理.链接：https://jingyan.baidu.com/article/d5c4b52b801f5fda560dc51d.html

[12].USB3.2.链接：https://www.usb.org/usb-32

[13].USB3.1还没分清，USB3.2和USB4就来了？链接：https://www.sohu.com/a/339737662_100293026

[14].旧设备都兼容：USB3.2和USB3.1的区别是什么？速度快了多少？链接：http://pc.poppur.com/peijian/5730.html