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USB 3.2規格正式宣布,以Type-C端子搭雙通道模式讓速度倍增至20Gbps

T客邦 標誌 T客邦 2017/10/3 國寶大師 李文恩

日前USB開發者論壇(USB Implementers Forum)正式宣布USB 3.2的規格,除了將傳輸速度從10Gbps倍增至20Gbps,也建議各裝置統一採用Type-C型式端子為主。此外USB 3.2也能向下相容於較舊的規範,無論是將USB 3.2裝置插入舊端子,或是將舊裝置插入USB 3.2端子,仍能以較低的速度正常運作。

簡單方便統一天下

USB的開發理念就是希望能提供對使用者親合的操作方式,讓外接裝置能夠輕鬆連接至電腦,並發揮隨插即用的功效。由於USB能夠支援各種不同類型的裝置,一改先前各裝置採用不同規格端子的麻煩,所以很快地取代了各種傳統端子,成為電腦上最主要的連接端子。

隨著時間的推進,USB不但成為如印表機、攝影機等裝置連接至電腦的方式,許多行動裝置也採用USB連接鍵盤、滑鼠,甚至汽車、電視、機上盒等裝置也都採用USB,甚至是自動化工業等非傳統應用情境,也能見得到USB的蹤影。

USB除了能傳輸資料之外,還能用於傳輸電力,這對許多耗電量較低的小型裝置來說相當方便,使用者只需連接單一纜線,就能滿足裝置運作的需求,省下不少麻煩。至於後期甚至發展出Power Delivery規範,讓傳輸功率可以高達100W,連筆記型電腦的充電都可透過USB達成。

© 由 T客邦 提供

▲USB能夠連接多種不同類型的裝置,用途相當多元。

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▲USB Power Delivery規範讓USB纜線也能進行高功率電源傳輸。

速度不斷攀升

起初在USB 1.0規範中,USB具有12Mbps與1.5Mbps等2種不同速度,但是隨著電腦的效能越來越高,能夠處理的資料量也不斷上升,同時儲存設備的單位價格也持續下降,所以進出電腦的檔案也就越來越大。於是USB開發者論壇便在2000年推出USB 2.0時,將傳輸速度制定為480Mbps,並不忘維持支援舊版USB的相容性。

在2006年時,2件重大的因素促成USB規範再次升級,首先是硬碟的資料傳輸速度可以超越100MB/s,已經超過USB 2.0實際使用約32MB/s的速度,再者傳輸資料的容量也越來越龐大,因此USB 3.0便將傳輸速度一舉提升到5Gbps,而且同樣維持向下相容的特性。

到了2013年,使用者對容量更大、速度更快的儲存設備的需求依然持需發展,例如更高解析度的高畫質影片,以及為筆電設計的USB擴充底座等產品,促成了USB 3.1將速度再次提高,藉由將資料傳輸率加被的方式,讓傳輸速度來到10Gbps。

而在最新推出的USB 3.2規範中,則是活用日漸普及的Type-C型式端子,透過內部成對的腳位與線芯,達到雙通道運作的效果,將資料傳輸速度翻倍至20Gbps。

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▲USB的速度從最初的12Mbps,一路攀升到USB 3.1 Gen2的10Gbps,最新推出的USB 3.2則上看20Gbps。

(下一頁還有Type-C特色介紹)

 

Type-C正反都可插

在討論USB 3.2之前,我們要稍為複習一下USB發展的另一個趨勢,就是主、客端都逐漸轉為採用不具方向性的Type-C端子。

在USB 2.0與先前規範中,主控端(通常是電腦)的連接端子採用Type-A型式,而裝置端(如外接裝置)則有Type-B、Mini Type-B、Micro Type-B等不同尺寸的型式,其內部主要具有4條內芯,分別為負責傳輸資料的D+、D-,以及傳輸電源的Vbus與接地端Gnd。

USB 3.0則保留USB 2.0原有的4條內芯,並加入SSRX+、SSRX-、SSTX+、SSTX-等高速資料傳輸通道,以及額外Gnd_Drain接地端(用於降低雜訊干擾)等5條內芯。在端子型式方面,主控端採用USB 3.0 Type-A型式,它將傳統Type-A的4個接點放至於原本位置,並將其餘5個接點放置於後方,因此插入USB 2.0裝置的時候,能夠直接連通原本的D+、D-、Vbus、Gnd等腳位,達到向下相容的目的,而裝置端則採USB 3.0 Type-B、USB 3.0 Mini Type-B等型式。

至於2014年8月完成的Type-C規範,則一改上述設計,不分主控端、裝置端皆統一採用Type-C型式,端子本身也沒有方向性,正反雙面都能插入並正常運作,不再需要分辨線材主客方與端子正反向,使用起來更加方便。

Type-C端子的匯流排可以分為12組、共24支成對腳位,如A1、B1是同樣的定義,但是分別為於左上與右下的位置,A2、B2……A12、B12等腳位則依序排列,讓定義相同的角位呈線點對稱的布局。

所以當正向插入的時候,A1腳位就會出現在左上位置,然後向右依序為A2、A3……A12,若反向插入的話,從左上開始的腳位順序就會成為B1、B2……B12。所以無論是正向或反向插入,1號腳位都能連接到A1或是B1的其中1組,其他腳位依此類推,也都可以連接到正確的位置,因此能達到無方向性的效果。

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▲USB有各種不同的端子型式,基本上都能透過轉接線互相支援。(圖片來源:維基百科,本圖採用創用CC姓名標示-相同方式分享,作者為Milos634)

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▲USB 2.0以前的端子具有4條內芯,分別為2條資料傳輸與2條電源傳輸。(圖片來源:維基百科)

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▲其中Mini、Micro等端多了1組ID腳位,用於判斷是否以OTG模式運作。(圖片來源:維基百科)

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▲USB 3.0則具有9條內芯,多出部分為4條高速資料傳輸通道與1條接地端。(圖片來源:維基百科)

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▲Type-C總共有12組內芯,與USB 3.0相比,多出1組Vbus,以及用於偵測組態的Configuration Channel通道,以及具有USB訊號之外彈性用途的Sideband Use通道。(圖片來源:維基百科)

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▲Type-C不但具有無方向性的特色,端子尺寸也與Mini Type-B相近,相當適合應用在行動裝置與筆記型電腦上。(圖片來源:維基百科,本圖採用創用CC姓名標示,作者為Maurizio Pesce)

(下一頁還有USB 3.2的設計要點與雙通道模式介紹)

 

USB 3.2以最小改變達成最大效益

USB 3.2的規格於2017年6月時由USB 3.0推廣組織(USB 3.0 Promoter Group)提出,並於2017年9月25日正式由USB開發者論壇發表。根據USB開發者論壇提供的規格資料,USB 3.2的特性為可使用現有的Type-C纜線進行雙通道模式運作,並延用現有的SuperSpeed USB物理層資料傳輸率與編碼方式,以期能夠在變動最少的前提下,達到提升傳輸效能,以及無縫銜接單通道、雙通道模式的成效。

根據USB開發者論壇提供的USB 3.2規格書提到,USB 3.2的開發目標除了提供頻寬成長之外,也希望能延續使用者過去的習慣,並提供「無痛升級」的體驗,其各項設計關鍵要素如下:

USB 3.2設計關鍵要素

1. 維持USB「智慧主控端、簡單裝置端」的模式。

2. 在現有USB基礎架構上提升效能。現今USB設備以相當普及,其中很大比重的成功因素就是穩定的軟體介面、驅動程式開發容易、通用標準驅動程式(如人機介面裝置、大量儲存設備、音效等等),因此在提升傳輸速度的時候,需維持這些基礎架構以確保現有裝置的相容性。

3. 提升電源管理效率。除了節省運作中裝置傳輸資料所需消耗的電力之外,還能透過更多元的電源管理模式節省閒置中裝置的耗電量。

4. 簡單易用。這永遠是USB的核心目標。

5. 節省花費。目前仍有不少電腦與裝置只支援USB 2.0的連接能力,因此提供向下相容是非常重要的考量。無論電腦與裝置是支援哪一世代的USB規範,都能在較低的速度下彼此相容,Type-A的主控端都能搭配Type-A裝置使用,而Type-C裝置也能透過轉接線材連接至Type-A主控端。

6. 在不改變作業系統的前提下,讓主控端控制器能享有USB 3.2的高速傳輸效能。

以雙通道提升效能

USB 3.2提升傳輸速度的方式相當有趣,並非如從USB 3.1 Gen1過渡到USB 3.1 Gen2時,以提升資料傳輸率的方式達成,而是透過Type-C端子的特性,以雙通道的模式運作。

Type-C端子具有2組高速資料傳輸通道,在USB 3.1的規範下,功能在於讓端子能夠正、反向插入。而在USB 3.2規範中,則會讓2組通道同時運作並傳輸不同資料,如此一來便能資料吞吐能力就能提升2倍,讓傳輸速度從10Gbps提高至20Gbps。

這種做法讓既有的USB 3.1 Type-C纜線,也能支援USB 3.2的雙通道模式,只要主控端與裝置端都支援USB 3.2,就能享有20Gbps的傳輸速度。但是如果其中1端為USB 2.0、USB 3.1 Gen1、USB 3.1 Gen2,或是透過轉接器將Type-C端子轉換為Type-A端子的話,雖然會失去高速傳輸的優勢,但是裝置仍可在較低的速度下正常運作。

由此可知,USB 3.2規範雖然能帶來更高速的傳輸能力,但也需要各方裝置的配合與支援,使用者或許還需要等待一段時間,讓支援USB 3.2的電腦與周邊裝置普及之後,才能享高速傳輸的方便。

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▲USB 3.2規範利用Type-C端子中有2組SSTR、SSTX的特性(圖中A2、A3、B2、B3,以及A10、A11、B10、B11),以雙通道模式提升資料傳輸速度。

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▲根據USB 3.2規格書說明,當插座與插頭符合USB 3.2規範時,才能以雙通道模式(如Gen1 x2、Gen2 x2)模式運作。

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