你所了解和不了解的USB2.0、USB3.0结构与测试那些事

USB 2.0历史

通用串行总线已经被公认为连接个人电脑和其它外围设备的事实上的标准。USB 2.0于2000年问世，其速度较传统USB 1.1规范提高了40倍。这一规范对数据更加密集的应用打开了大门，改善了用户体验。尽管低速(1.5 Mb/s)和全速(12 Mb/s)速率对键盘或鼠标之类的设备已经足够了，但高速速率(480 Mb/s)支持多媒体应用、数据存储和传送应用及其它高速输入/输出应用领域的开发工作。
USB 2.0结构、测试战略和解决方案USB 2.0是一种串行总线，它采用4线系统：VBUS、D-、D+和接地。D-和D+是信息的主要载体。USB的实现主要有三组：主机、设备和集线器。USB 2.0设备既可以自行供电(有自己的电源)，也可以通过总线供电(通过主机获得电力)。
USB实现者论坛(USB-IF)概括了产品认证要求的一系列一致性测试，以保证强健性和互操作能力。满足USB-IF一致性方案最低性能要求的产品会被添加到Integrators List (集成商名单)中。本应用指南重点介绍执行电接口测试，并为调试和解决测试问题提供指引。
图1. TDSUSB2高速一致性测试软件。
图2. TDSUSB2测试报告。
图1显示了DPO7254示波器上选项USB一致性测试套件的操作。这个测试套件全面自动实现信号质量测试过程，允许设计人员简便地测试设计。用户必须选择特定信号速度(低速、全速或高速)要执行的测量。测试套件消除了耗时的手动示波器设置、光标放置过程，可以自动比对测试结果与USB 2.0规范。测试结果自动作为详细报告和摘要的一部分显示，如图2所示。
                                     USB 3.0            USB 2.0        
                    数据速率            5.0 Gb/s            480 Mb/s        
                    信令            8b/10b编码，AC耦合，扩频时钟(SSC)            NRZI编码，DC耦合，没有SSC        
                    总线功率            未配置电源为150mA，配置电源为900 mA            未配置设备及挂起设备为100 mA，配置设备最高为500 mA        
                    即插即用/热插拔            异步事件处理            设备轮询        
                    电源管理/链路控制            优化电源管理，支持空闲状态、睡眠状态和挂起状态            端口级挂起，进入/退出时延        
                    电缆/接口            2个差分对，半双工，非屏蔽双绞线            3个差分对，全双工，屏蔽双绞线        
    图3. USB 2.0和3.0之间的物理层差别。
USB 3.0和物理层测试挑战USB 2.0技术的采用和接受速度表明这是一种成功的高带宽总线。计算应用和数据存储应用的持续演变既带来了新机遇，也带来了新挑战。内存容量不断提高、视频性能(如实时视频流)不断加速、图形处理单元(GPU)不断增强、便携式电子器件与PC快速同步等行业趋势，使USB 2.0性能面临着发展瓶颈。
USB 3.0满足了提高的带宽需求，以支持应用提供更加实时的体验。全世界目前正在使用的USB设备已经达到数十亿，因此USB 3.0 (称为SuperSpeed USB)还提供了必要的向下兼容能力，支持传统USB 2.0设备。图3列明了USB 2.0和3.0之间的物理层差异。
除多种新功能外，SuperSpeed USB也带来了新的设计和测试挑战。USB 3.0拥有与现有高速串行技术(PCI Express.和串行ATA)类似的特点：8b/10b编码，明显的通道衰减，扩频时钟。熟悉SATA和PCIe测试方法的人可能会更好地准备处理与USB 3.0有关的测试挑战。我们将考察一致性测试方法，以及怎样获得发射机、接收机、电缆和互连的最准确、最可重复的测量。此外，我们将介绍全面检定和调试的其它技术，以提供完整的测试战略。
                        码型            值            说明        
                    CPO            D0.0加扰            伪随机数据码型，相当于没有SKP的逻辑空闲        
                    CP1            D10.2            内奎斯特频率        
                    CP2            D24.3            内奎斯特 / 2        
                    CP3            K28.5            COM码型        
                    CP4            LFPS            低频周期信令        
                    CP5            K28.7            有去加重        
                    CP6            K28.7            没有去加重        
                    CP7            50-2501’s和0’s            有去加重，重复50-2501’s，然后重复50-2500’s        
                    CP8            50-2501’s和0’s            没有去加重，重复50-2501’s，然后重复50-2500’s        
    图4. SuperSpeed USB发射机一致性测试码型。

                        信号特点            最小值            标称值            最大值            单位            注释        
                    眼高            100                         1200            mV            2, 4        
                    Dj                                      0.43            UI            1, 2, 3        
                    Rj                                      0.23            UI            1, 2, 3, 5        
                    Tj                                      0.66            UI            1, 2, 3        
    注：1. 在106个连续UI上测得，然后推断到10-12 BER。2. 在应用接收机均衡功能后测得。3. 在图6-14中TP1的参考通道和电缆末端测得。4. 眼高在最大张开处测得(在眼宽中心± 0.05 UI)。5. Rj指标用14.069 ´ 10-12 BER时的RMS随机抖动计算得出。图5. USB 3.0发射机眼高和抖动要求。