USB3.0_Protocol_Test

1、USB 3.0 Basic Information and Test IssuesMonster.HuProtocol Solution GroupLeColn Corporation Company什么是USB3.0 USB(Universal Serial BUS)是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的通用串行總線協(xié)議。經(jīng)歷多年發(fā)展，2.0規(guī)格已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。USB3.0技術(shù)是由英特爾，以及惠普、NEC、NXP半導(dǎo)體以及德州儀器等公司共同開發(fā)。 USB3.0又稱SurperSpeed，物理層傳輸可達5Gb(byte)/s，應(yīng)用層理論吞吐量在300Mb

2、(byte)/s以上。 下圖即可清晰知道USB3.0在傳輸上的優(yōu)勢。例如在傳輸25Gbyte的Media時將會花費至少14分鐘時間完成全部傳輸 例如在傳輸25Gbyte的Media時僅需要70秒就能完成所有數(shù)據(jù)傳輸5GUSB3.0接口及線質(zhì)A USB 2.0所采用的纖細的、非屏蔽的雙絞線(Unshielded Twisted Pair),而USB3.0采用多核SDP(Shielded Differential Pair, 有遮蔽差分訊號對)線。USB 1.1和USB 2.0規(guī)格的數(shù)據(jù)傳輸線最大長度分別為3和5米，而USB 3.0數(shù)據(jù)線的最大長度在3米以下。 由于USB3.0線質(zhì)中多了二對SS傳

3、輸線，一對為UpStream,一對為DownStream，這樣可以使Device異步傳輸HandShake PacketUSB3.0接口及線質(zhì)B USB3.0 A USB3.0 BUSB2.0 portionUSB3.0 portionUSB2.0 portionUSB2.0PHYUSB3.0PHY USB3.0 Micro-BUSB3.0與USB2.0的基本規(guī)格比較類型類型USB3.0USB2.0數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率Super Speed (5Gbps)High Speed (480Mbps)Full Speed (12Mbps)Low Speed (1.5Mbps)High Speed

4、 (480Mbps)Full Speed (12Mbps)Low Speed (1.5Mbps)總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)USB 3.0采用了對偶單純形四線制差分信號線，進采用了對偶單純形四線制差分信號線，進行點對點全雙工通信通信行點對點全雙工通信通信USB 2.0基于半雙工二線制總線，進行廣播基于半雙工二線制總線，進行廣播模式的通訊模式的通訊線質(zhì)線質(zhì)SS數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 ： ： 4 (Transmit X2、 、receive X2)HS/FS/LS 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 ： ： 2Power/Ground ： ： 3HS/FS/LS數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 ： ： 2Power/Ground ： ： 2總線拓展總線拓展為層

5、疊的星型拓撲結(jié)構(gòu)（最高支持到七層）為層疊的星型拓撲結(jié)構(gòu)（最高支持到七層）為層疊的星型拓撲結(jié)構(gòu)（最高支持到七層）為層疊的星型拓撲結(jié)構(gòu)（最高支持到七層）線上承受線上承受最高電流最高電流900 mA500 mA電源管理電源管理多級電源管理，支持待機，休眠，暫停及啟用多級電源管理，支持待機，休眠，暫停及啟用端口電源模式，支持待機，啟用模式端口電源模式，支持待機，啟用模式USB3.0與2.0的比較表說明在線材材質(zhì)上，USB3.0除了跟USB2.0共用電源線(VBus)，地線(GND)，傳輸信號線(D+/D-)外，還多了二對SS信號線，完成DownStream及UpStream的兩信道的全雙工通信。線上電

6、壓方面，USB3.0鏈路電壓由USB2.0的500mA提高到900mA，這樣使USB設(shè)備能更快速的充電。電源管理方面：USB 3.0引入了新的電源管理機制，支持待機、休眠和暫停等狀態(tài)。在USB2.0的啟用/待機模式間增加了新的電源模式休眠。當設(shè)備處于休眠模式時不向其發(fā)送指令以減少電源消耗。所以，在啟用/休眠模式間切換要比在啟用/待機模式間切換來的快得多。 在總線結(jié)構(gòu)方面：USB 3.0采用了對偶單純形四線制差分信號線，進行點對點全雙工通信（同步雙向通信），而非USB2.0的半雙工通信（異步雙向通信）。USB3.0用兩信道將數(shù)據(jù)傳輸(Transmission)及確認(ACKnowledgemen

7、t)過程分離，來產(chǎn)生更高速度。USB3.0與2.0的比較表說明 在總線拓展方面，USB3.0與USB2.0均采用階層星型拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖：USB3.0與USB2.0傳輸方式比較表特征特征USB3.0USB2.0SOF (Start Of Frame)無無一次一次 / 125S控制傳輸控制傳輸 (EP0 默認默認)允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 512Byte允許的突發(fā)變化次數(shù)允許的突發(fā)變化次數(shù) ： ： 1序號序號 ： ： 031支持流控制支持流控制 (ERDY)允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 64Byte允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 不支持不支持序號序號 ： ： 不

8、支持不支持僅支持僅支持OUT的流控制的流控制 (PING)批量傳輸批量傳輸允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 1024Byte允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 116 序號序號 ： ： 031支持流控制支持流控制(ERDY)允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 512Byte允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 不支持不支持 序號序號 ： ： 不支持不支持僅支持僅支持OUT的流控制的流控制(PING)中斷傳輸中斷傳輸允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 1024Byte (Burst)數(shù)據(jù)傳輸速度數(shù)據(jù)傳輸速度: 192 Mb/s允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ：

9、 13 序號序號 ： ： 031支持流控制支持流控制(ERDY)允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 0 1024Byte X 3數(shù)據(jù)傳輸速度數(shù)據(jù)傳輸速度: 192 Mb/s允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 不支持不支持 序號序號 ： ： 不支持不支持流控制流控制 : 不支持不支持同步傳輸同步傳輸允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 1024Byte (Burst) X3數(shù)據(jù)傳輸速度數(shù)據(jù)傳輸速度: 1 Gb/s允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 116 序號序號 ： ： 031支持支持 PING - PING_RESPONSE 允許最大包容量允許最大包容量 ： ： 0 1

10、024Byte X 3數(shù)據(jù)傳輸速度數(shù)據(jù)傳輸速度: 192 Mb/s允允許許的突的突發(fā)變發(fā)變化次數(shù)化次數(shù) ： ： 不支持不支持 序號序號 ： ： 不支持不支持流控制流控制 : 不支持不支持USB3.0與USB2.0傳輸方式比較表說明 Burst Size（突發(fā)變化次數(shù)）是指可以允許處理多少次不帶ACK(正確響應(yīng)的命令)的數(shù)據(jù)，他是取決于ACK的 Transaction Packet（事務(wù)包）的數(shù)量及Burst的描述符有效值。 Flow Control（流控制）是指用來在兩個數(shù)據(jù)傳輸速度不同的設(shè)備中控制數(shù)據(jù)流量的技術(shù) 。 在SS傳輸過程中， D+/D- 將不會再被使用。當USB3.0向下兼容至US

11、B2.0時，傳輸速度降到USB2.0的480Mbyte/s ，此時SS則不會被使用，會使用D+/D-完成傳輸。Other Information About USB3.0USB3.0 推廣小組推廣小組2007成立推廣小組 USB 3.0 規(guī)規(guī)格格200820092010USB3.0初步標準的研發(fā)USB3.0產(chǎn)品的研發(fā)USB3.0最初的步數(shù)USB3.0的廣泛應(yīng)用USB3.0 LSI集成芯片集成芯片2011使用使用USB3.0芯片芯片的的PC機的廣泛使用機的廣泛使用USB3.0發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢About USB3.0 TestLeCroy USB3.0 Solution Voyager M3i(用

12、來測試鏈路層，用來測試鏈路層，傳輸層及應(yīng)用層的協(xié)議分析儀傳輸層及應(yīng)用層的協(xié)議分析儀) PERT3 (Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester）（用來測試）（用來測試 RX 的誤碼率分析儀的誤碼率分析儀) SDA813 or SDA816Zi (用來測試 TX的示波器）什么是協(xié)議什么是協(xié)議紅燈停紅燈停 綠燈行綠燈行請遵守交通法則請遵守交通法則聚會喝酒的時候都會行酒令，例如：兩只小蜜蜂，十五二十，劃拳聚會喝酒的時候都會行酒令，例如：兩只小蜜蜂，十五二十，劃拳佛祖佛祖/猴子猴子/盒子盒子 這些都是協(xié)議；各種語言，如：英語這些

13、都是協(xié)議；各種語言，如：英語/法語法語/德語德語這些帶有特定約定這些帶有特定約定,有固定意義的都叫做協(xié)議有固定意義的都叫做協(xié)議.包括紅燈停包括紅燈停/綠燈行等等綠燈行等等.協(xié)議分析儀的協(xié)議分析儀的Trainer(信號產(chǎn)生器信號產(chǎn)生器)可以介入待測系統(tǒng)可以介入待測系統(tǒng),充當充當Host或或Device發(fā)出協(xié)議封包發(fā)出協(xié)議封包,以期待以期待Device或或Host的回應(yīng)的回應(yīng); Tracer(協(xié)議分析儀協(xié)議分析儀)則充當監(jiān)聽者則充當監(jiān)聽者,不介入待測系統(tǒng)不介入待測系統(tǒng),進行協(xié)議的翻譯并和進行協(xié)議的翻譯并和相應(yīng)的協(xié)議規(guī)范進行比對相應(yīng)的協(xié)議規(guī)范進行比對,從而找出錯誤的部分從而找出錯誤的部分.什么是協(xié)議

14、什么是協(xié)議USB3.0與USB2.0傳輸中的協(xié)議從USB3.0與USB2.0通過不同的方式(Tx/Rx與D+/D-)在傳送協(xié)議（數(shù)據(jù)）時的圖示可以看出， USB3.0在傳輸方式方面也比USB2.0速度更快。USB3.0的測試 信號的截取及信號的快速鎖存信號的截取及信號的快速鎖存 USB 3.0 鏈路層的測試鏈路層的測試 電源管理 鏈接命令 錯誤校正 事務(wù)層的處理設(shè)置事務(wù)層的處理設(shè)置 事件觸發(fā)LeCroy USB3.0協(xié)議分析儀完美測試的原因 無干擾：無干擾： 最小化鏈接的干擾 準確性：準確性： 記錄每 bit 有效和無效的數(shù)據(jù)都將被記錄有效和無效的數(shù)據(jù)都將被記錄 數(shù)據(jù)包被規(guī)則的整理排序數(shù)據(jù)包被

15、規(guī)則的整理排序 總線事件的完美記錄總線事件的完美記錄 非Data數(shù)據(jù)的記錄 (LFPS-Low Frequency Periodic Signaling, 邏輯狀態(tài)處理) 數(shù)據(jù)分析處理報告數(shù)據(jù)分析處理報告 錯誤及其時間狀態(tài)的報告 USB 3.0: 信號快速鎖存 5Gbyte/s的傳輸速率的傳輸速率 類似于類似于 PCI Express 2.0 包含8b/10b編碼,會有數(shù)據(jù)的不規(guī)則性 (LFSR), 擴展時鐘（SSC-Spread spectrum clock）, 及極性的不同。 鏈接初始化鏈接初始化 低頻周期信號 (LFPS) 信號頻段范圍之外信號頻段范圍之外 訓(xùn)練周期對均等化處理 (TSE

16、Q) 訓(xùn)練周期 (TS1 & TS2)LFPSTSEQTS1TS2 LMP .TimeLink Bring Up SequenceLink Training Status State Machine(LTSSM)(LTSSM) SS Disabled SS Inactive RX Detect Polling U0 Active U1, U2, U3 Compliance Recovery Loop Back Hot Reset 此為USB3.0白皮書里對LTSSM的標識關(guān)于Rx.Detect狀態(tài)的說明Rx.Detect 是在LTSSM中為Downstream端及Upstream端的電

17、源狀態(tài)，同時也是Downstream與Upstream端在出問題進行熱啟動時的狀態(tài)。Rx.Detect的目地是偵測接收者傳輸時的電阻變化情況從而了解設(shè)備是否在工作狀態(tài)，并且會由Upstream與Downstream端在熱重啟后同步默認的狀態(tài).關(guān)于Polling狀態(tài)的說明Polling是鏈接訓(xùn)練的狀態(tài)，在一個Polling狀態(tài)中,LFPS 握手包會出現(xiàn)在SuperSpeed的訓(xùn)練開始前的Upstream端與Downstream端間。 Polling狀態(tài)包括Polling.LFPS，Polling.RxEQ，Polling.Active，Polling.Configuration， Polling

18、.Idle 關(guān)于U0,U1,U2,U3的狀態(tài)說明 U0是包傳送與接收的正常狀態(tài)，并不包括其它狀態(tài)。 U1是在允許包進入SuperSpeed的低功率連接狀態(tài)的情況下，包未進行傳送的低功率狀態(tài)。 U2是相對U1來能節(jié)省更多功率的鏈接狀態(tài) ，但是退出響應(yīng)時間會延長。 U3是在外設(shè)進行懸掛狀態(tài)時的連接狀態(tài)。關(guān)于U0,U1,U2,U3的狀態(tài)圖Link Training Status State Machine (LTSSM)(LTSSM)此為我們分析儀所顯示的LTSSM狀態(tài)Link Polling Sub-state (LTSSM)Exit Polling to U0Detect Logical Idl

19、e 在退到U0狀態(tài)前必須偵測是否有邏輯空閑(Idle)TS2 Polling 設(shè)置TS1 主動PollingTSEQ (RX_EQ) Training Sequence Equalization 外設(shè)必須發(fā)送 65,536 TSEQLFPS Polling Low Frequency Periodic Signaling LFPS 會自動轉(zhuǎn)換至 RX_EQRX Detect 偵測Far-End 的結(jié)束狀態(tài)Link Polling Substate (LTSSM)LFPS_PollingPolling RX_EQ (TSEQ)Polling Active (TS1)Polling Configu

20、ration (TS2) Exit to U0Link Tracker Shows actual bitsUSB 3.0 鏈路層鏈接訓(xùn)練鏈接訓(xùn)練 鏈接雙方的同步處理鏈接電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換鏈接電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換 為低電源管理 進入/ 退出狀態(tài)復(fù)位復(fù)位 處理并管理復(fù)位狀態(tài)流管制和緩存區(qū)管理流管制和緩存區(qū)管理 Header Packet (HP) 完整性測試 管理 HP 的流控制 (FC) 鏈路層的錯誤校正包的處理包的處理 創(chuàng)建并傳輸包 接收并將包解讀電源管理連接狀態(tài)描述關(guān)鍵特征退出的響應(yīng)時間U0主動鏈接主動鏈接N/AU1鏈接空閑，快速退出鏈接空閑，快速退出RX & TX 電路無響應(yīng)電路無響應(yīng)s ran

21、geU2鏈接空閑，慢速退出鏈接空閑，慢速退出同步脈沖電路無響應(yīng)同步脈沖電路無響應(yīng)Low ms rangeU3懸掛懸掛將無效的外設(shè)電源分離將無效的外設(shè)電源分離Higher ms rangeU0 轉(zhuǎn)到 U1狀態(tài)需要的條件1. Downstream 端的靜止時間 Port_U1_TimeOut ( 低于 10us ) 2. 外設(shè)硬件的插入 在上述二個條件下在上述二個條件下 允許鏈接命令允許鏈接命令 LGO_U1 - LAU電源追蹤圖電源追蹤圖電源管理測試 電源管理在每個層級都有很多的規(guī)則 物理層 (遠程喚醒) 鏈路層 (LGO_Un) 協(xié)議層 (EP Busy,) 外設(shè) (懸掛) 集線器 (電源響應(yīng)

22、Upstream的狀態(tài))LTSSM View 同步追蹤圖的觀測 顯示所有LTSSM狀態(tài)變化 記錄所有LTSSM狀態(tài)變化次數(shù) 鏈接時間追蹤圖 顯示顯示Up/DownStream的狀態(tài)變化時間的狀態(tài)變化時間為每個協(xié)議分析儀記錄的信號進行自動記錄并可進行分析允許簡易的時間上的測試（如上圖）鏈接命令 (LCs) 格式鏈接命令鏈接命令 使鏈路層的所有功能得已完成使鏈路層的所有功能得已完成鏈接電源管理 (ie: LGO_U1, etc)成功傳輸包 (ie: LGOOD _n)鏈接流控制 (ie: LCRD_x)在鏈接到U0時信號的出現(xiàn) (ie: LUP, LDN)鏈接命令的強有力設(shè)計鏈接命令的強有力設(shè)計以

23、 4個 SLC(Start Link command)的標識符為開始 鏈接命令字 (LCMD)將被發(fā)送二次接收端只需要收到四個SLC標識符中的三個及一個鏈接命令字便可完成所需功能Header 確認和流控制 LCs LGOOD_n : HP ACK LC 同相發(fā)送 必須按一定次序進行 Where n = HSEQ number 只有 ACK Headers (not data) LGOOD_等待時間: 3us LCRD_x : HP 流控制流控制 LC Send 1 Buffer Credit for each HP Rcvd. LCRD_Pending_Timer: 5msLGOOD_2HP;

24、 Hseq:2LCRD_AHP; Hseq:3LGOOD_3HP; Hseq:4LCRD_BLGOOD_4LCRD_CPacket Header 的格式Route String 設(shè)置一個目標端口來為由Hub出來的Downstream接收EndPointSeqence Num 會暗中確認處理中的包的序列號HSEQ Num 由鏈路層進行同步處理 LGOOD_n ?Header and Data Packet 結(jié)構(gòu)Bulk_In 處理舉例主機發(fā)送: TP_ACK (確認沒問題并發(fā)送數(shù)據(jù))外設(shè)發(fā)送:LGOOD 確認收到TP_ACK主機發(fā)送:LGOOD 確認數(shù)據(jù)包頭及數(shù)據(jù)包的有效性Setup Transaction w/ CRC16 error Example主機發(fā)送: 數(shù)據(jù)包Header 和 Payload外設(shè)發(fā)送:LGOOD 確認數(shù)據(jù)包Header Device Sends為確認數(shù)據(jù)包有效的處理包，其中含有錯誤的CRC16 檢驗碼主機發(fā)送: LBAD 錯誤的處理包外設(shè)發(fā)送:重試并且重新發(fā)送處理包的驗重試并且重新發(fā)送處理包的驗證信息證信息主機發(fā)送:LGOOD 確認沒問題Flow Contr