USB 3.0时代如何为接口提速

　　图4：USB 3.0设备控制器结构框图。

　　模块里包含了链路封包传送仲裁器、链路封包接收器、链路封包提取器、链路有序集接收器、链路字节驱动器、链路扰频/解扰器、链路层训练及状态机等功能模块。其中的链路封包传送仲裁器从“协议层传送封包接口”、“标头重试缓冲”以及“传送链路命令模块”等三个地方选择数据来源。基于“链路层训练及状态机”的状态，8b_driver模块会传送诸如TSEQ、TS1、TS2或一般封包等相应数据。扰频器模块将基于从TS2分析而得到的“链路配置字段”来决定是否传送加扰数据到PIPE接口。

　　USB 3.0协议层模块（U3PTL）负责处理从链路层模块送入的SS 封包，并且决定适当的反应，再将数据写入BFM，更新与封包EP有关的上下文。协议层模块决定响应的类型，例如NRDY、ERDY、STALL、ACK以及PING_RESPONSE，该模块还要从BFM的IN EP请求数据传输。如果数据准备好了且标头是所期望的，该模块也会将DP封包数据写到BFM 的OUT EP，整个模块同样也工作在125MHz。

　　USB 3.0电源管理模块（U3PWE）负责处理PowerDown模式以及发送和侦测LFPS信号的类型。基于LTSSM的状态，U3PWE将会依照PIPE的规范来控制PowerDown模式。电源管理模块工作在aux_clk时钟域，该时钟域在cclk和low_power_clk等两个时钟域间切换。在一般模式下，aux_clk就是cclk；在U3/Disabled模式下，aux_clk会被切换到low_power_clk以达到节省功耗的目的。

　　USB3.0产品的PCB布线设计

　　为维持USB 3.0 5Gbps超高速信号传输的信号完整性，在PCB设计考虑时，需要确保特性阻抗的匹配，并采取抑制信号衰减的对策。特性阻抗的整合重点是配线幅度与配线间隔的调整以及通孔的设计；而信号衰减控制所涉及的领域，除了USB 3.0物理层传输电路与接收电路的设计之外，还需要注意PCB的设计。

　　一般消费类产品在进行PCB材料的选择时，基于成本考虑因素会选择普通的FR-4 多层板来设计，PCB 板厂商制造时会有±10%的误差变化。这也是为何需要将差分信号线尽可能靠近的原因。同时，不同的PCB电路板材质会有不同的介电常数，建议在预布线时与PCB板制造商讨论PCB Stack-Up堆栈结构的设计，以符合高速线路阻抗控制条件。在实际设计时，建议可以通过调整走线宽度（Trace Width）来改变Z Diff，不建议调整线距S。通常，PCB线路板供应商会提供线间距（Line-to-Line Spacing）的最小参考。

　　要设计一个具有USB 3.0差分传输线（Differential Signal）架构的PCB，并符合信号完整性的测试要求，两组差分信号高速信号线SSRX+/-及SSTX+/-的走线必须有良好的对称性与合适的PCB Stack-Up堆栈结构设计。PCB电路板的走线可以采用微 带传输线（Microstrip Line）方式来实现，一则阻抗较容易控制，二则可以避免穿过贯孔，造成阻抗不连续。走线布线（Trace Routing）必须考虑走线宽度与PCB电路板介质厚度（H）对于微带传输线特性阻抗的影响。以6层板PCB布局为例：顶层/上层铜泊的高度（t）等于1.7mils时，电路板的介电常数为Er = 4.0，tanδ= 0.023（PCB板FR4材料在高频应用时的典型数值），走线线宽为6mils，线间距为6mils，线路板介质厚度（h）与传输线特性阻抗Z Diff的关系可以参考图5。

　　图5：线路板介质厚度与传输线特性阻抗的关系。

　　在差分传输线架构传输下，USB 3.0物理层传输电路的收发器电路的接收端SERDES电路会存在终端阻抗，而差分传输关注的是SSRX+/-及SSTX+/-两组差分信号两端的差分特性阻抗。差分特性阻抗所需的数值就是终端阻抗的两倍。USB 3.0增加了SSRX+/-及SSTX+/-两组差分信号，不同于D+/-这组信号使用带直流准位的信号，SSRX+/-及SSTX+/-都是用电容隔离直流准位之后的交流差分信号。SSRX+/-及SSTX+/-两组差分信号的方向是固定的，不同于D+/-信号采用半双工模式，SSRX+/-及SSTX+/-两组差分信号属于双单工模式。而差分信号可以降低电磁干扰，抗扰性能较好。
USB3.0完整解决方案通过兼容性测试

智原科技推出的USB 3.0完整解决方案，能够使不同应用的客户都顺利流片。主要的秘诀在于，智原科技的IP能够完全通过USB-IF兼容认证测试，USB-IF所进行的兼容性测试是为了确保所有使用者都能使用正常运作通过测试的USB设备。测试内容包括电气套件（Electrical Suites）、USB Command Verifier（USB CV）、链路层、Gold tree 等测试。电气套件测试是由仪器厂商的电气套件来检测信号是否符合USB3.0规范；USB CV是Windows的应用程序，用来根据检测规格书中第九章所要求的setup命令来检测设备；USB 3.0链路层测试确保了设计符合USB 3.0的通信协议。Gold