根據市調機構In-Stat預計，USB 3.0的外圍應用出貨量在2011年大約為7000萬(wàn)部，到了2014年將蓬勃發(fā)展并飆破10億部。同時(shí)他們也預估在2015年時(shí)，筆記本電腦將成為USB 3.0接口的最大載具，屆時(shí)將約有50億個(gè)外圍應用可搭載不同形式的USB接口，包含電腦、手機、主機外殼、消費性電子以及影音多媒體等產(chǎn)品。

換言之，隨著(zhù)消費性電子產(chǎn)品的功能特性不斷升級，市場(chǎng)規模也隨之起舞與擴張，越來(lái)越多應用都需要高帶寬的傳輸速度來(lái)滿(mǎn)足消費者的使用情境與體驗，而USB 3.0即是目前所提出的最佳解決方案之一。除了數據傳輸速度比USB 2.0快上10倍外，更向下兼容目前已廣泛被使用的傳統USB產(chǎn)品，進(jìn)階后的電源管理系統不但能提高80%的供電率以提升充電效能外，更能以低功耗的狀態(tài)執行作業(yè)以延長(cháng)電池的使用時(shí)間。In-Stat更指出，Intel推出的Ivy Bridge處理器將首次內建并原生支持USB 3.0功能，再搭配Microsoft新一代操作系統Windows 8的推出，將成為普及USB 3.0的一大動(dòng)力，也意味著(zhù)USB 3.0未來(lái)全面滲透市場(chǎng)的無(wú)限可能。

圖1：In-Stat針對USB 3.0的預測

不可否認地，USB技術(shù)已然成為鏈接個(gè)人電腦/手機與外部設備的規范標準。為了滿(mǎn)足不斷成長(cháng)的數據帶寬傳輸速度與需求，USB-IF在2008年正式公布了USB 3.0的技術(shù)規格，同時(shí)也帶來(lái)新的設計/測試的挑戰；在經(jīng)過(guò)4年時(shí)間的市場(chǎng)探索與技術(shù)磨合，越來(lái)越多支持USB3.0產(chǎn)品上市，大家都期許能有更高速、更節能的USB產(chǎn)品。而為了達成這項技術(shù)規格的質(zhì)量穩定與效能保障，從促進(jìn)規范的標準化入手，建立一套完整的測試解決方案絕對是各家廠(chǎng)商在驗證或推出USB 3.0應用產(chǎn)品的必經(jīng)之路。因此，百佳泰特別針對在實(shí)際驗證USB 3.0兼容性測試時(shí)，比較常遇到的問(wèn)題跟分析做一些分享，希望可以提供廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)一個(gè)參考準則。

USB 3.0的兼容性測試主要分為兩個(gè)類(lèi)別，裝置端（device）與主機端（host）。在裝置端的部分，必須通過(guò)“互操作性測試”（xHCI Interoperability test）的檢驗，其主要是針對所有USB 3.0的產(chǎn)品架構所作的裝置互操作性測試，讓各種USB 3.0產(chǎn)品能與其他裝置有效地互通并協(xié)同運作，不會(huì )因為軟、硬件版本的不同而失效。在主機端部分，除了作互操作性測試外，還得進(jìn)行另一項名為“向后兼容測試”（xHCI Backwards compatibility test）的驗證，其測試標的除了整個(gè)USB產(chǎn)品架構外，xHCI controller還必須與現不同的USB產(chǎn)品（known good device）作測試，以確保不同的USB產(chǎn)品在這個(gè)主機端上能夠正常的運作。我們可以發(fā)現，USB 3.0的推出除了代表速度與效能的技術(shù)提升外，為了確保與前代技術(shù)與裝置的兼容性，類(lèi)似的互操作性與向后兼容測試勢必非常重要，才能讓原本的USB技術(shù)維持零落差的技術(shù)條件與使用情境。與USB 2.0測試不同的是，某些測試上的問(wèn)題肇因是單單發(fā)生在USB 3.0測試當中，這也意味著(zhù)即使USB 2.0已高普及化，但在實(shí)際驗證USB 3.0時(shí)還是會(huì )遇到許多新的難題，值得廠(chǎng)商與我們去一一克服和疑難解答。

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問(wèn)題一：最低SSC延展幅度不符合規范（±300 PPM）

在Electrical Test的部分，由于USB 3.0的傳輸速率高于USB 2.0有十倍之多， EMI（Electromagnetic interference）的影響也相對嚴重；因此，在USB 3.0的規范中加入了SSC（Space Spectrum Clock）技術(shù)規范，其目的即是透過(guò)SSC來(lái)降低EMI所帶來(lái)的效應，以確保USB 3.0的訊號質(zhì)量不會(huì )受到影響。在USB 2.0時(shí)期，由于屬較低的傳輸速率，受到EMI的干擾也較輕，因而未將SSC技術(shù)納入規范；然而，隨著(zhù)USB 3.0的高速傳輸能力上升，間接地越容易受到EMI的干擾。因此，在USB 3.0的測試規范中，也特別去測試其SSC此技術(shù)來(lái)驗證電子訊號的質(zhì)量。

根據SSC技術(shù)規范的標準指出，其量測出的triangle訊號圖，其上下展幅為: ±300 ppm(Min)；-3700 ~ -5300 ppm(Max)。我們可以從圖一的案例發(fā)現，其最低的展幅為333 ppm，并不在正常規范內。緊接著(zhù)，我們著(zhù)手進(jìn)行疑難解答的動(dòng)作，發(fā)現在這個(gè)情境中的問(wèn)題肇因即為不正確的負載電容振蕩電路的輸出頻率偏移，進(jìn)而造成SSC展幅偏移。因此，通過(guò)改變負載電容來(lái)調整輸出頻率，從16pF調成20pF，其最低的展頻幅度為204 ppm，已符合SSC技術(shù)規范要求。換言之，其問(wèn)題肇因即是晶體振蕩電路的電容負載值。

圖2：triangle訊號圖


圖3：最低的展頻幅度為204 ppm

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問(wèn)題二：LFPS低頻周期信號的振幅不符合規范（800 mV<= X <=1.200mV）

在驗證USB 3.0的過(guò)程中，另一項重要的測試LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號，目的為驗證LFPS在經(jīng)過(guò)一定的傳輸信號長(cháng)度后，其衰減值是否仍在規范之內，以確保USB 3.0的傳輸速度與質(zhì)量。

首先，根據USB 3.0的規范指出，其LFPS差分訊號的正常范圍應屬800 mV至1200mV之間。在測試我們選用的USB3.0產(chǎn)品時(shí)發(fā)現，其差分訊號測得604.4mV，并不符合協(xié)會(huì )規范。因此，我們從訊號的衰減因素著(zhù)手進(jìn)行解決方案，發(fā)現原因是由訊號復元組件也就是Repeater（Redriver）所造成，現今許多裝置為了方便消費者使用，外嵌許多USB接口，但不是每個(gè)接口都直接建置在主機版上，為了讓更多的USB接口可以延伸到各個(gè)位置，需要透過(guò)額外加的Cable來(lái)延長(cháng)，這時(shí)訊號的傳遞就可能受到Chip與接口傳輸距離過(guò)長(cháng)造成訊號質(zhì)量嚴重衰減。此時(shí)透過(guò)Repeater可讓原始訊號在經(jīng)過(guò)延長(cháng)后的傳輸距離后作一個(gè)重整與還原的動(dòng)作，使訊號維持一定的強度。但Repeater的參數(EX: Gain)若調整不正確，將會(huì )造成錯誤的行為及振幅，而在我們重新更換過(guò)Repeater之后，立即發(fā)現如圖四的結果，其差分訊號下降至1080.4mV并符合協(xié)會(huì )規范。

這項問(wèn)題肇因即可說(shuō)明，如果USB 3.0主機芯片和連接器之間的距離太長(cháng)，就會(huì )出現訊號幅度明顯衰減的狀況。若為了改善此情況而加入Repeater，其參數必須調整至一個(gè)最適當的值。Repeater所重整還原出來(lái)的訊號不一定符合系統或規范要求，有時(shí)候訊號經(jīng)過(guò)Repeater的重整還原之后，雖然訊號強度得到了補償；但因參數調整不正確，使其訊號振幅過(guò)大超出規范，所以Repeater的使用需要經(jīng)過(guò)精密的設定與驗證，才能得到最正線(xiàn)的傳輸訊號的穩定質(zhì)量。

圖4：LFPS低頻周期信號的振幅不符合規范

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問(wèn)題分享三：從hybrid sleep恢復后，系統會(huì )發(fā)生重置動(dòng)作或USB裝置無(wú)法續傳

不同于前兩項屬于electrical或硬件端的問(wèn)題，我們觀(guān)察到也有因為軟件設定而導致測試失敗。這次我們用USB協(xié)會(huì )定義使用的三項USB產(chǎn)品（known good device）來(lái)作主機軟件端的兼容性測試時(shí)發(fā)現，其中一項產(chǎn)品在從睡眠模式（hybrid sleep）中恢復后，會(huì )產(chǎn)生系統reset或USB傳輸中斷的狀況。根據協(xié)會(huì )規范，當USB正在傳輸檔案時(shí)，即使進(jìn)入睡眠模式后再重新啟動(dòng)，應要做續傳的動(dòng)作，如果發(fā)生停止或reset的狀況即為測試失敗。

因此，我們從這個(gè)問(wèn)題肇因可以發(fā)現USB傳輸效能與系統供電的關(guān)聯(lián)性。其他兩項USB產(chǎn)品皆是屬于Self -Power的產(chǎn)品，因此在系統進(jìn)入hybrid sleep后在重新復蘇啟動(dòng)OS時(shí)，由于產(chǎn)品自我供電的特性，使產(chǎn)品不會(huì )因為所連接的Host中斷V_BUS供電而在回到操作系統時(shí)做reset的動(dòng)作，使原本的傳輸中斷。反之，在這個(gè)測試出現失敗的產(chǎn)品中，因為是屬Bus-Power產(chǎn)品，其供電接來(lái)自于所連接的Host，因此從hybrid sleep蘇醒時(shí)，其產(chǎn)品會(huì )因Host供應的V_BUS不足(或中斷)導致來(lái)不及在回到操作系統前完成resume的動(dòng)作，造成reset或中斷傳輸的動(dòng)作?；旧?，我們推測其為產(chǎn)品BIOS的問(wèn)題，因此在我們更換過(guò)產(chǎn)品的BIOS后，即可解決此供電狀況的問(wèn)題。特別的是，我們發(fā)現現今許多USB產(chǎn)品為了主打省電的功能，各家的BIOS都不盡相同；但為符合協(xié)會(huì )規范，其最低要求是系統從hybrid sleep的狀態(tài)恢復時(shí)，至少要能來(lái)得及反應并啟動(dòng)OS，才不會(huì )造成其他裝置動(dòng)作出現中斷或系統發(fā)生reset的情況。

圖5：更換過(guò)產(chǎn)品的BIOS即可解決

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問(wèn)題四：USB 3.0兼容性測試時(shí)最常遇到的問(wèn)題之一，韌體不兼容造成藍屏（BOSD，Blue Screen of Death）狀況

在了解整個(gè)問(wèn)題肇因前，我們得先知道在作USB 3.0測試時(shí)，必須手動(dòng)開(kāi)啟“Driver Verifier”此指令，目的為讓這個(gè)指令去監視所有g(shù)old tree上裝置的運作狀態(tài)，這也是協(xié)會(huì )規范所指定的動(dòng)作之一。再者，我們在作USB 3.0兼容性測試時(shí)，只要出現藍屏(BSOD)便會(huì )判定為測試失敗。根據上述，這個(gè)階段的問(wèn)題肇因即是發(fā)生在當待測物裝置在某廠(chǎng)商芯片組的USB 3.0筆記本電腦上時(shí)，接著(zhù)我們再作整個(gè)gold tree的兼容性測試時(shí)，會(huì )不定時(shí)的發(fā)生藍屏狀況。為了解決此問(wèn)題，我們發(fā)現在開(kāi)啟Driver Verifier后會(huì )有一個(gè)預設旗標值（flags），其默認值為“0x7F”，這會(huì )讓USB裝置上的driver與系統controller driver產(chǎn)生沖突情形，因此造成藍屏的現象。而根據與USB協(xié)會(huì )及AMD討論出來(lái)的解決方式，即是把旗標職從“0x7F”改成“0x9ab”，藍屏問(wèn)題集獲得改善。

一般來(lái)說(shuō)，獲得越多環(huán)境資源的driver理當能正常運作，因此建構這個(gè)最低需求環(huán)境的Driver Verifier指令，為的就是讓gold tree上所有的device 及controller driver最嚴苛的環(huán)境之下，還能夠正常的運作。相反地，如果driver在這個(gè)環(huán)境條件下測試會(huì )造成藍屏，就代表這個(gè)裝置不符合規范；能通過(guò)這個(gè)最低資源、環(huán)境條件的測試，才能確保各產(chǎn)品兼容的完整性。

圖6：USB 3.0兼容性測試時(shí)最常遇到的問(wèn)題之一

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問(wèn)題分享五：選配的電纜質(zhì)量也很重要，會(huì )間接影響USB影、音輸出質(zhì)量

我們在作USB 3.0向后兼容測試（backwards test）時(shí)，必須全面檢測gold tree上的所有裝置的兼容性，例如耳機、鼠標、網(wǎng)絡(luò )攝影機或打印機等等。在測試時(shí)，我們一樣透過(guò)Driver Verifier的動(dòng)作來(lái)讓系統運作條件與鏈接環(huán)境保持在最低限度，并藉此觀(guān)察gold tree上所有裝置的運作情況。在此發(fā)現幾項audio與video質(zhì)量問(wèn)題，例如耳機發(fā)生明顯的音頻噪音、網(wǎng)絡(luò )攝影機發(fā)生明顯的影像延遲或視頻噪聲。而這些裝置在軟、硬件測試方面皆沒(méi)有發(fā)生問(wèn)題，卻在作全面兼容性時(shí)發(fā)生問(wèn)題，因此我們把目光聚焦在cable上。也就是說(shuō)，不論是測試和一般用途的USB 3.0 cable，質(zhì)量的良劣是非常重要的，如果選配低質(zhì)量的USB 3.0 cable，會(huì )導致錯誤率提高，造成數據傳輸性能下降、傳輸的時(shí)間不穩定等等狀況。因此，cable的質(zhì)量會(huì )影響影音傳輸，不同廠(chǎng)商的cable也會(huì )有不同的結果，如果cable的帶寬被耗盡，就會(huì )有噪音出現進(jìn)而影響質(zhì)量。

綜合上述，我們這次的目標雖然是在探討USB 3.0驗證的其中幾個(gè)關(guān)鍵議題，但我們也可從中發(fā)現，USB 3.0與USB 2.0除了在傳輸速度有所不同外，在許多的技術(shù)深度上也比USB2.0更進(jìn)階。也就是說(shuō)，相關(guān)USB廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)USB 3.0裝置時(shí)，不能僅秉持過(guò)往USB 2.0的技術(shù)思維，必須透過(guò)更深入的研究、技術(shù)資源與精力投入，才能找出關(guān)鍵的技術(shù)升級模式和相關(guān)問(wèn)題解決方案，才能讓市面上所有的USB產(chǎn)品達到兼容性的理想目標。
 
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