《电子技术应用》

USB 3.0为移动设备带来超快的连接速度

2012/8/3 0:00:00

要点

 

1,移动设备上多媒体内容的增长要求有更大的存储容量和更快的连接速度。

 

2,USB 3.0 5Gbps原生信号速率可以承担大容量多媒体内容的传输,以及高清视频流。

 

3,USB 3.0微型连接器小于USB 2.0和HDMI微型连接器之和,从而节省了移动系统设计中的资源。

 

4,虽然Wi-Fi有无线的便利,但USB 3.0具有电池充电能力和超高的数据速率,使之成为最万能的连接选择。

 

移动手持设备逐渐成为我们生活中不可缺少的一部分,开发人员每天都在发明新的应用,以支持我们忙碌的生活方式。例如,智能手机和平板电脑都越来越多地用于媒体的回放。但是,增加内容及其传送速度已成为最具挑战性的工作之一。因此,提高存储容量和数据传输速率都是移动系统设计中的关键。尽管移动设备的存储容量每年翻番,能跟上内容的增长,但数据传输速率却一直上不去。

 

USB 3.0的诞生

 

据In-Stat的数据,2015年,厂商将交付2.8亿部有USB 3.0功能的手机。USB 3.0的带宽较USB 2.0增长了10倍,实现了5Gbps的原始吞吐率,约600MB/s,考虑到20%的协议开销后,这近乎于480MB/s的实际数据吞吐率。由于USB3.0是与数据无关的,因此可以传送任何类型的内容,包括高清视频。USB 3.0亦提高了电源供应与管理的门槛。它允许设备在工作时从PC拉出最多900mA电流,并且仍然保持了即插即用的能力。USB 3.0有多种节能模式,如空闲、睡眠与挂起,优化了电池供电移动设备的使用寿命。

 

现在已有60多亿部设备有USB功能,并且在移动手持设备中几乎有100%的占有率,USB成为最普及的接口。由于USB 3.0与USB 2.0反向兼容,消费者应能毫无困难地理解并使用它。

 

消费者和平板电脑设计者对USB 3.0一样熟悉。当移动计算转向平板电脑这种尺度时,存在着两种设计哲学。传统笔记本电脑制造商(包括华硕、宏基和东芝)都选择从上至下的微型化,而手机制造商(包括苹果、三星和HTC)则采用自下至上的方案。因为两种方法都已存在了USB 2.0固件,因此无论是笔电背景还是手机背景的平板电脑设计者,都会把转向USB 3.0看作一个简单直接的过程。

 

连接器问题

 

虽然USB 3.0的标准A型连接器与USB 2.0尺寸相同,但对于手机、平板电脑和其它手持设备上使用的USB 3.0微型连接器则存在着一些问题。USB 3.0微型连接器有独特的结构,USB 3.0线要从USB 2.0连接器穿过(图1)。制造商在为系统增加其它大型连接器方面持谨慎态度。USB 3.0微型连接器的总宽度为12.85mm (图2)。这种连接器的外形要大于USB2.0,而对渴望获得极小尺寸的移动设备制造商而言,这就带来了问题。

 

 

 

图1,在USB 3.0微型连接器中,USB 3.0线要通过USB 2.0连接器。该连接器尺寸大于USB 2.0连接器,从而引发了移动设备制造商的关切。
图1,在USB 3.0微型连接器中,USB 3.0线要通过USB 2.0连接器。该连接器尺寸大于USB 2.0连接器,从而引发了移动设备制造商的关切。

 

 

 

图2,连接器总宽为12.85mm,大于USB 2.0连接器(数字来自USB 3.0规格)。
图2,连接器总宽为12.85mm,大于USB 2.0连接器(数字来自USB 3.0规格)。

 

 

除了USB 2.0微型连接器以外,今天大多数高清手持设备都有一个HDMI(高清晰度多媒体接口)微型连接器,用于传送高清视频流。但是,制造商可以省略掉微型HDMI接口,而代之采用MHL(移动高清链接)接口传送高清视频,MHL是一个新提出的移动音/视频接口,可将移动设备直接连接到高清电视机和外接显示器上。由于MHL与连接无关,因此USB 3.0可以替代它承载音视频信号,从而避免了对其它HDMI微连接器的需求。

 

USB 3.0微型连接器小于USB和HDMI微型连接器两者之和。HDMI微型连接器尺寸为6.4mm长,而USB2.0微型连接器长度为7.8mm。考虑到两者之间要有一个间距,则总连接器的长度就达到约15mm~16mm,超出USB3.0微型连接器25%以上。因此,移动设备制造商可以用一个多功能USB 3.0微型连接器做出精致的设计,获得更快的内容传输速度、电池充电速度,以及通过MHL的高清视频流。

 

拓展了吞吐量

 

大多数移动设备中的存储器采用的是SD(安全数字)卡或eMMC(嵌入多媒体卡)闪存技术。SD 2.0标准支持最大25MB/s速度,而eMMC 4.3标准支持最大52MB/s。两者均不能有效地利用USB3.0的全部数据带宽。不过,新的SD 3.0标准改变了这种局面,新标准将SD性能提高到104MB/s。同样,最新的eMMC 4.41规范将升级到104MB/s。SD 3.0已面世,micro-SD版随后就到,而符合eMMC 4.41的闪存器件则已量产。

 

USB 2.0几乎不支持当前的存储标准(图3)。到2012年底,基于UHS(超高速)II和UFS(通用闪存)的器件进入市场时,USB 2.0将很快成为整体数据传输路径上的速率瓶颈。移动系统制造商必须在自己的新设计中采用USB 3.0,才能充分利用到这些存储提升的优势。

 

 

图3,作为接口演化的一部分,USB 2.0勉强支持着今天的存储标准。
图3,作为接口演化的一部分,USB 2.0勉强支持着今天的存储标准。

 

伴随高清视频记录功能的渗透,移动设备中数字内容量也在持续增长。一个10分钟的家庭电影可以很容易地占到数吉兆的存储量。今天,用户一般会将这些电影传送到PC上,做编辑、分享和回放。这对USB2.0尚算一个勉强的工作,而USB 3.0 SuperSpeed则可提供几乎无等待的即时感受。

 

由于存储数据量太大,手机和平板供应商都在寻求用RAID(独立磁盘冗余阵列)技术来提高数据流量。采用RAID-0结构时,大数据被分成条带,同时存储在两个SD或eMMC卡上。RAID-0与USB 3.0同时使用时,存储设备的最大吞吐量可以翻番,更有效地使用USB 3.0的可用带宽。今天,一台有最快USB2.0接口的手机要传送一部8GB的电影,需要花7min,速度是18MB/s。升级到USB 3.0后,拓宽了数据传输通路,数据传输可以达到当前存储器的峰值极限,这意味着,一个支持USB 3.0端口和两个存储设备的RAID-0结构的内部桥可以运行在存储设备的最高性能。这个速度现在大约为150MB/s~200MB/s。以此速度,一部8GB电影的传送时间减少

到41s(图4和图5)。

 

 

 

图4,USB 3.0理论上可提供高达600MB/s的数据传输速率(a),因此一个8GB的文件,只需要不到14s的传输时间(b)。而实际上,存储器的速度限制了数据传输速率。通过采用内部桥和RAID-0结构,存储器的速度可达到150MB/s~200MB/s,因此一个8GB要花41s。
图4,USB 3.0理论上可提供高达600MB/s的数据传输速率(a),因此一个8GB的文件,只需要不到14s的传输时间(b)。而实际上,存储器的速度限制了数据传输速率。通过采用内部桥和RAID-0结构,存储器的速度可达到150MB/s~200MB/s,因此一个8GB要花41s。

 

 

 

图5,<a class=Cypress公司Benicia USB 3.0存储控制器作为内部桥,能够实现高效率的便携设备数据流,并提供RAID-0结构。" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/08/04/8066d900-2c29-4c8e-beb5-611936a5f234.jpg" />
图5,Cypress公司Benicia USB 3.0存储控制器作为内部桥,能够实现高效率的便携设备数据流,并提供RAID-0结构。

 

 

 

USB 3.0还有助于降低设备的制造成本。很多手持设备供应商都会在出厂时,通过USB端口预先在设备中装入应用程序、音乐、电影以及其它内容。智能手机的操作系统和预装内容要大于2GB,制造商采用USB 3.0端口做手机预装时,速度是USB 2.0的10倍,这样提高了工艺效率,能节省更多成本。

 

同步与移动

 

在云计算时代,出现了大量的云服务,如iCloud、微软SkyDrive,还有Dropbox,用户无需通过PC就能以无线方式同步自己的数据。移动设备对连网技术的需求还有争议。Wi-Fi是今天最常见的无线标准,据IMS Research分析,93%的连接速度是在智能手机和平板电脑上。它有无需接线的方便,给我们日常生活带来了数不清的好处,例如在本地星巴克店上网,在等飞机时发送电子邮件,或用一部设备拍照片,并通过云将其传送给另外一部设备。

 

最新修订版的Wi-Fi 802.11n支持MIMO(多输入/多输出),多天线处理的数据明显多于单天线。Wi-Fi802.11n还提供40MHz的信道宽度,增加了吞吐量,可以工作在不拥挤的5GHz ISM(工业/科研/医疗)频段。尽管802.11n的600Mbps理想带宽仍然无法匹配USB 3.0的5Gbps带宽,但已经足够用于移动设备与PC之间的内容传送。

 

然而,Wi-Fi 802.11n在移动设计中的优势正在逐渐消失。它的600Mbps最大带宽通常只出现在理想的工作状况下,此时40MHz宽的信道使用了四个空间流。由于每个空间流都需要一根天线和一个ADC,因此对移动系统供应商而言,把四套全做上是没有性价比的。为得到效率,各个天线都需要远离放置;而紧凑的移动设备尺寸严重限制了这种要求。此外,在拥挤的2.4GHz ISM频段上,使用40MHz宽的信道通常是不实际的,这个频段充斥着蓝牙设备、微波炉,以及其它常见的RF设备。总之,对于任何移动设备,实际的Wi-Fi带宽会大幅下降。

 

 

 

图6,移动设备与PC之间的数字内容无线传送会同时消耗设备的电能,除非设备连接了充电器或通过USB连接到PC上(a)。USB 3.0有多用途的连接能力、大带宽,以及电池充电功能,因此在不久的将来很可能与移动设备上的Wi-Fi共存(b)。
图6,移动设备与PC之间的数字内容无线传送会同时消耗设备的电能,除非设备连接了充电器或通过USB连接到PC上(a)。USB 3.0有多用途的连接能力、大带宽,以及电池充电功能,因此在不久的将来很可能与移动设备上的Wi-Fi共存(b)。

 

 

Wi-Fi还缺少了USB 3.0设备的可充电优点。移动设备与PC之间的数字内容传送过程也同时消耗了设备的电池,除非同时接了充电器或通过USB端口连接PC(图6)。因此,移动设备永远不可能采用Wi-Fi方式,做纯粹“无绳”的同步,除非所传输的数字内容量可以忽略不计。Wi-Fi最适合用于上网、发送电子邮件,以及聆听空中收音机;但它不是大量快速内容传送的选择。而由于USB 3.0兼具了多功能连接、大带宽,以及电池充电功能,在可预见的未来,它很可能与Wi-Fi在移动设备上并存。

 

尽管USB 3.0是移动设备的一种有前途的技术,它仍然必须克服一些障碍,才能获得与USB 2.0同等的成功。因为USB 3.0工作在更高的频率,于是就出现了一些新的挑战,如信号完整性和电缆长度。但设计者可通过遵循最佳设计实践,克服这些挑战。

 

现在,只有少数PC带有USB 3.0;因此,移动设备无法通过USB 3.0连到很多PC上,即使移动设备本身具有了这一功能。英特尔下一代支持原生USB 3.0主控的Ivy Bridge CPU已进入市场,更多PC将带有标准的USB3.0端口。另外,早期USB 3.0适配器必须自己开发USB3.0驱动程序,这样就增加了额外开销和设计复杂性。微软已宣布在Windows 8操作系统中提供强大的USB 3.0支持,USB 3.0的无缝支持将遍及整个市场。

 

USB仍然是所有移动设备中最万能的连接选择。USB 3.0有明确的优点,如大带宽和电池充电,因此成为大量数据传输与高清视频流的理想选择。USB 3.0将获得用户从USB 2.0得来的强大认同,从硬件到软件都发展出一个广泛的生态系统。现在正是移动系统制造商在下一代移动设备中引入SuperSpeed USB 3.0的最佳时机。

 

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