USB30_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

2、(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 USB 2.0所采用的纤细的、非屏蔽的双绞线(Unshielded Twisted Pair),而USB3.0采用多核SDP(Shielded Differential Pair, 有遮蔽差分讯号对)线。USB 1.1和USB 2.0规格的数据传输线最大长度分别为3和5米，而USB 3.0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

3、输线，一对为UpStream,一对为DownStream，这样可以使Device异步传输HandShake PacketUSB3.0接口及线质B USB3.0 A USB3.0 BUSB2.0 portionUSB3.0 portionUSB2.0 portionUSB2.0PHYUSB3.0PHY USB3.0 Micro-BUSB3.0与USB2.0的基本规格比较类型类型USB3.0USB2.0数据传输速率数据传输速率Super Speed (5Gbps)High Speed (480Mbps)Full Speed (12Mbps)Low Speed (1.5Mbps)High Speed

4、 (480Mbps)Full Speed (12Mbps)Low Speed (1.5Mbps)总线结构总线结构USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，进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行点对点全双工通信通信USB 2.0基于半双工二线制总线，进行广播基于半双工二线制总线，进行广播模式的通讯模式的通讯线质线质SS数据线数据线 ： ： 4 (Transmit X2、 、receive X2)HS/FS/LS 数据线数据线 ： ： 2Power/Ground ： ： 3HS/FS/LS数据线数据线 ： ： 2Power/Ground ： ： 2总线拓展总线拓展为层

5、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）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）线上承受最高电流线上承受最高电流900 mA500 mA电源管理电源管理多级电源管理，支持待机，休眠，暂停及启用多级电源管理，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

6、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：USB 3.0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：USB 3.0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(ACKnowledgemen

7、t)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特征USB3.0USB2.0SOF (Start Of Frame)无无一次一次 / 125S控制传输控制传输 (EP0 默认默认)允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 512Byte允许的突发变化次数允许的突发变化次数 ： ： 1序号序号 ： ： 031支持流控制支持流控制 (ERDY)允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 64Byte允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 不支持不支持序号序号 ： ： 不

8、支持不支持仅支持仅支持OUT的流控制的流控制 (PING)批量传输批量传输允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 1024Byte允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 116 序号序号 ： ： 031支持流控制支持流控制(ERDY)允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 512Byte允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 不支持不支持 序号序号 ： ： 不支持不支持仅支持仅支持OUT的流控制的流控制(PING)中断传输中断传输允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 1024Byte (Burst)数据传输速度数据传输速度: 192 Mb/s允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ：

9、 13 序号序号 ： ： 031支持流控制支持流控制(ERDY)允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 0 1024Byte X 3数据传输速度数据传输速度: 192 Mb/s允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 不支持不支持 序号序号 ： ： 不支持不支持流控制流控制 : 不支持不支持同步传输同步传输允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 1024Byte (Burst) X3数据传输速度数据传输速度: 1 Gb/s允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 116 序号序号 ： ： 031支持支持 PING - PING_RESPONSE 允许最大包容量允许最大包容量 ： ： 0 1

10、024Byte X 3数据传输速度数据传输速度: 192 Mb/s允允许许的突的突发变发变化次数化次数 ： ： 不支持不支持 序号序号 ： ： 不支持不支持流控制流控制 : 不支持不支持USB3.0与USB2.0传输方式比较表说明 Burst Size（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 Transaction Packet（事务包）的数量及Burst的描述符有效值。 Flow Control（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US

11、B2.0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。Other Information About USB3.0USB3.0 推广小组推广小组2007成立推广小组 USB 3.0 规规格格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USB3.0 LSI集成芯片集成芯片2011使用使用USB3.0芯片芯片的的PC机的广泛使用机的广泛使用USB3.0发展趋势发展趋势About USB3.0 TestLeCroy USB3.0 Solution Voyager M3i(用

12、来测试链路层，用来测试链路层，传输层及应用层的协议分析仪传输层及应用层的协议分析仪) PERT3 (Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester）（用来测试）（用来测试 RX 的误码率分析仪的误码率分析仪) SDA813 or SDA816Zi (用来测试 TX的示波器）什么是协议什么是协议红灯停红灯停 绿灯行绿灯行请遵守交通法则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，划拳佛祖佛祖/猴子猴子/盒子盒子 这些都是协议；各种语言，如：英语这些

13、都是协议；各种语言，如：英语/法语法语/德语德语这些带有特定约定这些带有特定约定,有固定意义的都叫做协议有固定意义的都叫做协议.包括红灯停包括红灯停/绿灯行等等绿灯行等等.协议分析仪的协议分析仪的Trainer(信号产生器信号产生器)可以介入待测系统可以介入待测系统,充当充当Host或或Device发出协议封包发出协议封包,以期待以期待Device或或Host的回应的回应; Tracer(协议分析仪协议分析仪)则充当监听者则充当监听者,不介入待测系统不介入待测系统,进行协议的翻译并和进行协议的翻译并和相应的协议规范进行比对相应的协议规范进行比对,从而找出错误的部分从而找出错误的部分.什么是协议

14、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信号的截取及信号的快速锁存 USB 3.0 链路层的测试链路层的测试 电源管理 链接命令 错误校正 事务层的处理设置事务层的处理设置 事件触发LeCroy USB3.0协议分析仪完美测试的原因 无干扰：无干扰： 最小化链接的干扰 准确性：准确性： 记录每 bit 有效和无效的数据都将被记录有效和无效的数据都将被记录 数据包被规则的整理排序数据包被

15、规则的整理排序 总线事件的完美记录总线事件的完美记录 非Data数据的记录 (LFPS-Low Frequency Periodic Signaling, 逻辑状态处理) 数据分析处理报告数据分析处理报告 错误及其时间状态的报告 USB 3.0: 信号快速锁存 5Gbyte/s的传输速率的传输速率 类似于类似于 PCI Express 2.0 包含8b/10b编码,会有数据的不规则性 (LFSR), 扩展时钟（SSC-Spread spectrum clock）, 及极性的不同。 链接初始化链接初始化 低频周期信号 (LFPS) 信号频段范围之外信号频段范围之外 训练周期对均等化处理 (TSE

16、Q) 训练周期 (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

17、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

18、.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Link Training Status State Machine (LTSSM)(LTSSM)此为我们分析仪所显示的LTSSM状态Link Polling Sub-state (LTSSM)Exit Polling to U0Detect Logical Idl

19、e 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) Training Sequence Equalization 外设必须发送 65,536 TSEQLFPS Polling Low Frequency Periodic Signaling LFPS 会自动转换至 RX_EQRX Detect 侦测Far-End 的结束状态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 链路层链接训练链接训练 链接双方的同步处理链接电源状态转换链接电源状态转换 为低电源管理 进入/ 退出状态复位复位 处理并管理复位状态流管制和缓存区管理流管制和缓存区管理 Header Packet (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主动链接主动链接N/AU1链接空闲，快速退出链接空闲，快速退出RX & TX 电路无响应电路无响应s ran

21、geU2链接空闲，慢速退出链接空闲，慢速退出同步脉冲电路无响应同步脉冲电路无响应Low ms rangeU3悬挂悬挂将无效的外设电源分离将无效的外设电源分离Higher ms rangeU0 转到 U1状态需要的条件 Downstream 端的静止时间 Port_U1_TimeOut ( 低于 10us ) 外设硬件的插入 在上述二个条件下在上述二个条件下 允许链接命令允许链接命令 LGO_U1 - LAU电源追踪图电源追踪图电源管理测试 电源管理在每个层级都有很多的规则 物理层 (远程唤醒) 链路层 (LGO_Un) 协议层 (EP Busy,) 外设 (悬挂) 集线器 (电源响应Upstr

22、eam的状态)LTSSM View 同步追踪图的观测 显示所有LTSSM状态变化 记录所有LTSSM状态变化次数 链接时间追踪图 显示显示Up/DownStream的状态变化时间的状态变化时间为每个协议分析仪记录的信号进行自动记录并可进行分析允许简易的时间上的测试（如上图）链接命令 (LCs) 格式链接命令链接命令 使链路层的所有功能得已完成使链路层的所有功能得已完成链接电源管理 (ie: LGO_U1, etc)成功传输包 (ie: LGOOD _n)链接流控制 (ie: LCRD_x)在链接到U0时信号的出现 (ie: LUP, LDN)链接命令的强有力设计链接命令的强有力设计以 4个 S

23、LC(Start Link command)的标识符为开始 链接命令字 (LCMD)将被发送二次接收端只需要收到四个SLC标识符中的三个及一个链接命令字便可完成所需功能Header 确认和流控制 LCs LGOOD_n : HP ACK LC 同相发送 必须按一定次序进行 Where n = HSEQ number 只有 ACK Headers (not data) LGOOD_等待时间: 3us LCRD_x : HP 流控制流控制 LC Send 1 Buffer Credit for each HP Rcvd. LCRD_Pending_Timer: 5msLGOOD_2HP; Hseq

24、:2LCRD_AHP; Hseq:3LGOOD_3HP; Hseq:4LCRD_BLGOOD_4LCRD_CPacket Header 的格式Route String 设置一个目标端口来为由Hub出来的Downstream接收EndPointSeqence Num 会暗中确认处理中的包的序列号HSEQ Num 由链路层进行同步处理 LGOOD_n ?Header and Data Packet 结构Bulk_In 处理举例主机发送: TP_ACK (确认没问题并发送数据)外设发送:LGOOD 确认收到TP_ACK主机发送:LGOOD 确认数据包头及数据包的有效性Setup Transaction w/ CRC16 error Example主机发送: 数据包Header 和 Payload外设发送:LGOOD 确认数据包Header Device Sends为确认数据包有效的处理包，其中含有错误的CRC16 检验码主机发送: LBAD 错误的处理包外设发送:重试并且重新发送处理包的验重试并且重新发送处理包的验证信息证信息主机发送:LGOOD 确认没问题Flow Contro