USB3.0-Protocol-Test分析

USB3.0BasicInformationandTestIssuesMonster.HuProtocolSolutionGroupLeColnCorporationCompany什么是USB3.0USB(UniversalSerialBUS)是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的通用串行总线协议。经历多年发展，2.0规格已经被广泛应用。USB3.0技术是由英特尔，以及惠普、NEC、NXP半导体以及德州仪器等公司共同开发。USB3.0又称SurperSpeed，物理层传输可达5Gb(byte)/s，应用层理论吞吐量在300Mb(byte)/s以上。下图即可清晰知道USB3.0在传输上的优势。例如在传输25Gbyte的Media时将会花费至少14分钟时间完成全部传输☺例如在传输25Gbyte的Media时仅需要70秒就能完成所有数据传输5GUSB3.0接口及线质AUSB2.0所采用的纤细的、非屏蔽的双绞线(UnshieldedTwistedPair),而USB3.0采用多核SDP(ShieldedDifferentialPair,有遮蔽差分讯号对)线。USB1.1和USB2.0规格的数据传输线最大长度分别为3和5米，而USB3.0数据线的最大长度在3米以下。由于USB3.0线质中多了二对SS传输线，一对为UpStream,一对为DownStream，这样可以使Device异步传输HandShakePacketUSB3.0接口及线质B◎USB3.0A◎USB3.0BUSB2.0portionUSB3.0portionUSB2.0portionUSB2.0PHYUSB3.0PHY◎USB3.0Micro-BUSB3.0与USB2.0的基本规格比较类型USB3.0USB2.0数据传输速率SuperSpeed(5Gbps)HighSpeed(480Mbps)FullSpeed(12Mbps)LowSpeed(1.5Mbps)HighSpeed(480Mbps)FullSpeed(12Mbps)LowSpeed(1.5Mbps)总线结构USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，进行点对点全双工通信通信USB2.0基于半双工二线制总线，进行广播模式的通讯线质SS数据线：4(TransmitX2、receiveX2)HS/FS/LS数据线：2Power/Ground：3HS/FS/LS数据线：2Power/Ground：2总线拓展为层叠的星型拓扑结构（最高支持到七层）为层叠的星型拓扑结构（最高支持到七层）线上承受最高电流900mA500mA电源管理多级电源管理，支持待机，休眠，暂停及启用端口电源模式，支持待机，启用模式USB3.0与2.0的比较表说明•在线材材质上，USB3.0除了跟USB2.0共用电源线(VBus)，地线(GND)，传输信号线(D+/D-)外，还多了二对SS信号线，完成DownStream及UpStream的两信道的全双工通信。•线上电压方面，USB3.0链路电压由USB2.0的500mA提高到900mA，这样使USB设备能更快速的充电。•电源管理方面：USB3.0引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。在USB2.0的启用/待机模式间增加了新的电源模式休眠。当设备处于休眠模式时不向其发送指令以减少电源消耗。所以，在启用/休眠模式间切换要比在启用/待机模式间切换来的快得多。•在总线结构方面：USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，进行点对点全双工通信（同步双向通信），而非USB2.0的半双工通信（异步双向通信）。USB3.0用两信道将数据传输(Transmission)及确认(ACKnowledgement)过程分离，来产生更高速度。USB3.0与2.0的比较表说明在总线拓展方面，USB3.0与USB2.0均采用阶层星型拓扑结构，如下图：USB3.0与USB2.0传输方式比较表特征USB3.0USB2.0SOF(StartOfFrame)无一次/125µS控制传输(EP0默认)允许最大包容量：512Byte允许的突发变化次数：1序号：0～31支持流控制(ERDY)允许最大包容量：64Byte允许的突发变化次数：不支持序号：不支持仅支持OUT的流控制(PING)批量传输允许最大包容量：1024Byte允许的突发变化次数：1～16序号：0～31支持流控制(ERDY)允许最大包容量：512Byte允许的突发变化次数：不支持序号：不支持仅支持OUT的流控制(PING)中断传输允许最大包容量：1024Byte(Burst)数据传输速度:192Mb/s允许的突发变化次数：1～3序号：0～31支持流控制(ERDY)允许最大包容量：0～1024ByteX3数据传输速度:192Mb/s允许的突发变化次数：不支持序号：不支持流控制:不支持同步传输允许最大包容量：1024Byte(Burst)X3数据传输速度:1Gb/s允许的突发变化次数：1～16序号：0～31支持PING-PING_RESPONSE允许最大包容量：0～1024ByteX3数据传输速度:192Mb/s允许的突发变化次数：不支持序号：不支持流控制:不支持USB3.0与USB2.0传输方式比较表说明BurstSize（突发变化次数）是指可以允许处理多少次不带ACK(正确响应的命令)的数据，他是取决于ACK的TransactionPacket（事务包）的数量及Burst的描述符有效值。FlowControl（流控制）是指用来在两个数据传输速度不同的设备中控制数据流量的技术。在SS传输过程中，D+/D-将不会再被使用。当USB3.0向下兼容至USB2.0时，传输速度降到USB2.0的480Mbyte/s，此时SS则不会被使用，会使用D+/D-完成传输。OtherInformationAboutUSB3.0USB3.0推广小组2007成立推广小组USB3.0规格200820092010USB3.0初步标准的研发USB3.0产品的研发USB3.0最初的步数USB3.0的广泛应用USB3.0LSI集成芯片2011使用USB3.0芯片的PC机的广泛使用USB3.0发展趋势AboutUSB3.0TestLeCroyUSB3.0SolutionVoyagerM3i(用来测试链路层，传输层及应用层的协议分析仪)PERT3(Protocol-enabledReceiverandTransmitterToleranceTester）（用来测试RX的误码率分析仪)SDA813orSDA816Zi(用来测试TX的示波器）什么是协议红灯停绿灯行请遵守交通法则聚会喝酒的时候都会行酒令，例如：两只小蜜蜂，十五二十，划拳佛祖/猴子/盒子这些都是协议；各种语言，如：英语/法语/德语这些带有特定约定,有固定意义的都叫做协议.包括红灯停/绿灯行等等.协议分析仪的Trainer(信号产生器)可以介入待测系统,充当Host或Device发出协议封包,以期待Device或Host的回应;Tracer(协议分析仪)则充当监听者,不介入待测系统,进行协议的翻译并和相应的协议规范进行比对,从而找出错误的部分.什么是协议什么是协议USB3.0与USB2.0传输中的协议从USB3.0与USB2.0通过不同的方式(Tx/Rx与D+/D-)在传送协议（数据）时的图示可以看出，USB3.0在传输方式方面也比USB2.0速度更快。USB3.0的测试信号的截取及信号的快速锁存USB3.0链路层的测试电源管理链接命令错误校正事务层的处理设置事件触发LeCroyUSB3.0协议分析仪完美测试的原因无干扰：最小化链接的干扰准确性：记录每bit有效和无效的数据都将被记录数据包被规则的整理排序总线事件的完美记录非Data数据的记录(LFPS-LowFrequencyPeriodicSignaling,逻辑状态处理)数据分析处理报告错误及其时间状态的报告USB3.0:信号快速锁存5Gbyte/s的传输速率类似于PCIExpress2.0包含8b/10b编码,会有数据的不规则性(LFSR),扩展时钟（SSC-Spreadspectrumclock）,及极性的不同。链接初始化低频周期信号(LFPS)信号频段范围之外训练周期对均等化处理(TSEQ)训练周期(TS1&TS2)LFPSTSEQTS1TS2║LMP║….TimeLinkBringUpSequenceLinkTrainingStatusStateMachine(LTSSM)SSDisabledSSInactiveRXDetectPollingU0–ActiveU1,U2,U3ComplianceRecoveryLoopBackHotReset此为USB3.0白皮书里对LTSSM的标识关于Rx.Detect状态的说明Rx.Detect是在LTSSM中为Downstream端及Upstream端的电源状态，同时也是Downstream与Upstream端在出问题进行热启动时的状态。Rx.Detect的目地是侦测接收者传输时的电阻变化情况从而了解设备是否在工作状态，并且会由Upstream与Downstream端在热重启后同步默认的状态.关于Polling状态的说明Polling是链接训练的状态，在一个Polling状态中,LFPS握手包会出现在SuperSpeed的训练开始前的Upstream端与Downstream端间。Polling状态包括Polling.LFPS，Polling.RxEQ，Polling.Active，Polling.Configuration，Polling.Idle关于U0,U1,U2,U3的状态说明U0是包传送与接收的正常状态，并不包括其它状态。U1是在允许包进入SuperSpeed的低功率连接状态的情况下，包未进行传送的低功率状态。U2是相对U1来能节省更多功率的链接状态，但是退出响应时间会延长。U3是在外设进行悬挂状态时的连接状态。关于U0,U1,U2,U3的状态图LinkTrainingStatusStateMachine(LTSSM)此为我们分析仪所显示的LTSSM状态LinkPollingSub-state(LTSSM)ExitPollingtoU0DetectLogicalIdle–在退到U0状态前必须侦测是否有逻辑空闲(Idle)TS2–Polling设置TS1–主动PollingTSEQ(RX_EQ)–TrainingSequenceEqualization外设必须发送65,536TSEQLFPSPolling–LowFrequencyPeriodicSignalingLFPS会自动转换至RX_EQRXDetect–侦测Far-End的结束状态LinkPollingSubstate(LTSSM)LFPS_PollingPollingRX_EQ(TSEQ)PollingActive(TS1)PollingConfiguration(TS2)ExittoU0LinkTrackerShowsactualbitsUSB3.0链路层链接训练链接双方的同步处理链接电源状态转换为低电源管理进入/退出状态复位处理并管理复位状态流管制和缓存区管理HeaderPacket(HP)完整性测试管理HP的流控制(FC)链路层的错误校正包的处理创建并传输包接收并将包解读电源管理连接状态描述关键特征退出的响应时间U0主动链接N/AU1链接空闲，快速退出RX&TX电路无响应µsrangeU2链接空闲，慢速退出同步脉冲电路无响应LowmsrangeU3悬挂将无效的外设电源分离HighermsrangeU0转到U1状态需要的条件1.Downstream端的静止时间•Port_U1_TimeOut(低于10us)2.外设硬件的插入在上述二个条件下–允许链接命令LGO_U1-LAU电源追踪图电源