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實測USB 3.0:那些不得不說的癥結(jié)

發(fā)布時間:2013-01-15 責(zé)任編輯:abbywang

【導(dǎo)讀】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。但在實際驗證USB 3.0時還是會遇到許多新的難題,值得廠商與我們?nèi)ヒ灰豢朔鸵呻y解答。


實測USB 3.0:那些不得不說的癥結(jié)

根據(jù)市調(diào)機構(gòu)In-Stat預(yù)計,USB 3.0的外圍應(yīng)用出貨量在2011年大約為7000萬部,到了2014年將蓬勃發(fā)展并飆破10億部。同時他們也預(yù)估在2015年時,筆記本電腦將成為USB 3.0接口的最大載具,屆時將約有50億個外圍應(yīng)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,隨著消費性電子產(chǎn)品的功能特性不斷升級,市場規(guī)模也隨之起舞與擴張,越來越多應(yīng)用都需要高帶寬的傳輸速度來滿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(shù)據(jù)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(tǒng)USB產(chǎn)品,進階后的電源管理系統(tǒng)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(zhí)行作業(yè)以延長電池的使用時間。In-Stat更指出,Intel推出的Ivy Bridge處理器將首次內(nèi)建并原生支持USB 3.0功能,再搭配Microsoft新一代操作系統(tǒng)Windows 8的推出,將成為普及USB 3.0的一大動力,也意味著USB 3.0未來全面滲透市場的無限可能。

圖1:In-Stat針對USB 3.0的預(yù)測
圖1:In-Stat針對USB 3.0的預(yù)測

不可否認(rèn)地,USB技術(shù)已然成為鏈接個人電腦/手機與外部設(shè)備的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足不斷成長的數(shù)據(jù)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(guī)格,同時也帶來新的設(shè)計/測試的挑戰(zhàn);在經(jīng)過4年時間的市場探索與技術(shù)磨合,越來越多支持USB3.0產(chǎn)品上市,大家都期許能有更高速、更節(jié)能的USB產(chǎn)品。而為了達(dá)成這項技術(shù)規(guī)格的質(zhì)量穩(wěn)定與效能保障,從促進規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化入手,建立一套完整的測試解決方案絕對是各家廠商在驗證或推出USB 3.0應(yīng)用產(chǎn)品的必經(jīng)之路。因此,百佳泰特別針對在實際驗證USB 3.0兼容性測試時,比較常遇到的問題跟分析做一些分享,希望可以提供廠商在開發(fā)產(chǎn)品時一個參考準(zhǔn)則。

USB 3.0的兼容性測試主要分為兩個類別,裝置端(device)與主機端(host)。在裝置端的部分,必須通過“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(gòu)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,還得進行另一項名為“向后兼容測試”(xHCI Backwards compatibility test)的驗證,其測試標(biāo)的除了整個USB產(chǎn)品架構(gòu)外,xHCI controller還必須與現(xiàn)不同的USB產(chǎn)品(known good device)作測試,以確保不同的USB產(chǎn)品在這個主機端上能夠正常的運作。我們可以發(fā)現(xiàn),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,某些測試上的問題肇因是單單發(fā)生在USB 3.0測試當(dāng)中,這也意味著即使USB 2.0已高普及化,但在實際驗證USB 3.0時還是會遇到許多新的難題,值得廠商與我們?nèi)ヒ灰豢朔鸵呻y解答。

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問題一:最低SSC延展幅度不符合規(guī)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(yán)重;因此,在USB 3.0的規(guī)范中加入了SSC(Space Spectrum Clock)技術(shù)規(guī)范,其目的即是透過SSC來降低EMI所帶來的效應(yīng),以確保USB 3.0的訊號質(zhì)量不會受到影響。在USB 2.0時期,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(guī)范;然而,隨著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(guī)范中,也特別去測試其SSC此技術(shù)來驗證電子訊號的質(zhì)量。

根據(jù)SSC技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn),其最低的展幅為333 ppm,并不在正常規(guī)范內(nèi)。緊接著,我們著手進行疑難解答的動作,發(fā)現(xiàn)在這個情境中的問題肇因即為不正確的負(fù)載電容振蕩電路的輸出頻率偏移,進而造成SSC展幅偏移。因此,通過改變負(fù)載電容來調(diào)整輸出頻率,從16pF調(diào)成20pF,其最低的展頻幅度為204 ppm,已符合SSC技術(shù)規(guī)范要求。換言之,其問題肇因即是晶體振蕩電路的電容負(fù)載值。

圖2:triangle訊號圖
圖2:triangle訊號圖

圖3:最低的展頻幅度為204 ppm
圖3:最低的展頻幅度為204 ppm

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問題二:LFPS低頻周期信號的振幅不符合規(guī)范(800 mV<= X <=1.200mV)

在驗證USB 3.0的過程中,另一項重要的測試LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信號,目的為驗證LFPS在經(jīng)過一定的傳輸信號長度后,其衰減值是否仍在規(guī)范之內(nèi),以確保USB 3.0的傳輸速度與質(zhì)量。

首先,根據(jù)USB 3.0的規(guī)范指出,其LFPS差分訊號的正常范圍應(yīng)屬800 mV至1200mV之間。在測試我們選用的USB3.0產(chǎn)品時發(fā)現(xiàn),其差分訊號測得604.4mV,并不符合協(xié)會規(guī)范。因此,我們從訊號的衰減因素著手進行解決方案,發(fā)現(xiàn)原因是由訊號復(fù)元組件也就是Repeater(Redriver)所造成,現(xiàn)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位置,需要透過額外加的Cable來延長,這時訊號的傳遞就可能受到Chip與接口傳輸距離過長造成訊號質(zhì)量嚴(yán)重衰減。此時透過Repeater可讓原始訊號在經(jīng)過延長后的傳輸距離后作一個重整與還原的動作,使訊號維持一定的強度。但Repeater的參數(shù)(EX: Gain)若調(diào)整不正確,將會造成錯誤的行為及振幅,而在我們重新更換過Repeater之后,立即發(fā)現(xiàn)如圖四的結(jié)果,其差分訊號下降至1080.4mV并符合協(xié)會規(guī)范。

這項問題肇因即可說明,如果USB 3.0主機芯片和連接器之間的距離太長,就會出現(xiàn)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(shù)必須調(diào)整至一個最適當(dāng)?shù)闹怠epeater所重整還原出來的訊號不一定符合系統(tǒng)或規(guī)范要求,有時候訊號經(jīng)過Repeater的重整還原之后,雖然訊號強度得到了補償;但因參數(shù)調(diào)整不正確,使其訊號振幅過大超出規(guī)范,所以Repeater的使用需要經(jīng)過精密的設(shè)定與驗證,才能得到最正線的傳輸訊號的穩(wěn)定質(zhì)量。

圖4:LFPS低頻周期信號的振幅不符合規(guī)范
圖4:LFPS低頻周期信號的振幅不符合規(guī)范

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問題分享三:從hybrid sleep恢復(fù)后,系統(tǒng)會發(fā)生重置動作或USB裝置無法續(xù)傳

不同于前兩項屬于electrical或硬件端的問題,我們觀察到也有因為軟件設(shè)定而導(dǎo)致測試失敗。這次我們用USB協(xié)會定義使用的三項USB產(chǎn)品(known good device)來作主機軟件端的兼容性測試時發(fā)現(xiàn),其中一項產(chǎn)品在從睡眠模式(hybrid sleep)中恢復(fù)后,會產(chǎn)生系統(tǒng)reset或USB傳輸中斷的狀況。根據(jù)協(xié)會規(guī)范,當(dāng)USB正在傳輸檔案時,即使進入睡眠模式后再重新啟動,應(yīng)要做續(xù)傳的動作,如果發(fā)生停止或reset的狀況即為測試失敗。

因此,我們從這個問題肇因可以發(fā)現(xiàn)USB傳輸效能與系統(tǒng)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(tǒng)進入hybrid sleep后在重新復(fù)蘇啟動OS時,由于產(chǎn)品自我供電的特性,使產(chǎn)品不會因為所連接的Host中斷V_BUS供電而在回到操作系統(tǒng)時做reset的動作,使原本的傳輸中斷。反之,在這個測試出現(xiàn)失敗的產(chǎn)品中,因為是屬Bus-Power產(chǎn)品,其供電接來自于所連接的Host,因此從hybrid sleep蘇醒時,其產(chǎn)品會因Host供應(yīng)的V_BUS不足(或中斷)導(dǎo)致來不及在回到操作系統(tǒng)前完成resume的動作,造成reset或中斷傳輸?shù)膭幼??;旧?,我們推測其為產(chǎn)品BIOS的問題,因此在我們更換過產(chǎn)品的BIOS后,即可解決此供電狀況的問題。特別的是,我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)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)會規(guī)范,其最低要求是系統(tǒng)從hybrid sleep的狀態(tài)恢復(fù)時,至少要能來得及反應(yīng)并啟動OS,才不會造成其他裝置動作出現(xiàn)中斷或系統(tǒng)發(fā)生reset的情況。

圖5:更換過產(chǎn)品的BIOS即可解決
圖5:更換過產(chǎn)品的BIOS即可解決

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問題四:USB 3.0兼容性測試時最常遇到的問題之一,韌體不兼容造成藍(lán)屏(BOSD,Blue Screen of Death)狀況

在了解整個問題肇因前,我們得先知道在作USB 3.0測試時,必須手動開啟“Driver Verifier”此指令,目的為讓這個指令去監(jiān)視所有g(shù)old tree上裝置的運作狀態(tài),這也是協(xié)會規(guī)范所指定的動作之一。再者,我們在作USB 3.0兼容性測試時,只要出現(xiàn)藍(lán)屏(BSOD)便會判定為測試失敗。根據(jù)上述,這個階段的問題肇因即是發(fā)生在當(dāng)待測物裝置在某廠商芯片組的USB 3.0筆記本電腦上時,接著我們再作整個gold tree的兼容性測試時,會不定時的發(fā)生藍(lán)屏狀況。為了解決此問題,我們發(fā)現(xiàn)在開啟Driver Verifier后會有一個預(yù)設(shè)旗標(biāo)值(flags),其默認(rèn)值為“0x7F”,這會讓USB裝置上的driver與系統(tǒng)controller driver產(chǎn)生沖突情形,因此造成藍(lán)屏的現(xiàn)象。而根據(jù)與USB協(xié)會及AMD討論出來的解決方式,即是把旗標(biāo)職從“0x7F”改成“0x9ab”,藍(lán)屏問題集獲得改善。

一般來說,獲得越多環(huán)境資源的driver理當(dāng)能正常運作,因此建構(gòu)這個最低需求環(huán)境的Driver Verifier指令,為的就是讓gold tree上所有的device 及controller driver最嚴(yán)苛的環(huán)境之下,還能夠正常的運作。相反地,如果driver在這個環(huán)境條件下測試會造成藍(lán)屏,就代表這個裝置不符合規(guī)范;能通過這個最低資源、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兼容性測試時最常遇到的問題之一
圖6:USB 3.0兼容性測試時最常遇到的問題之一

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

我們在作USB 3.0向后兼容測試(backwards test)時,必須全面檢測gold tree上的所有裝置的兼容性,例如耳機、鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)攝影機或打印機等等。在測試時,我們一樣透過Driver Verifier的動作來讓系統(tǒng)運作條件與鏈接環(huán)境保持在最低限度,并藉此觀察gold tree上所有裝置的運作情況。在此發(fā)現(xiàn)幾項audio與video質(zhì)量問題,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、硬件測試方面皆沒有發(fā)生問題,卻在作全面兼容性時發(fā)生問題,因此我們把目光聚焦在cable上。也就是說,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,會導(dǎo)致錯誤率提高,造成數(shù)據(jù)傳輸性能下降、傳輸?shù)臅r間不穩(wěn)定等等狀況。因此,cable的質(zhì)量會影響影音傳輸,不同廠商的cable也會有不同的結(jié)果,如果cable的帶寬被耗盡,就會有噪音出現(xiàn)進而影響質(zhì)量。

綜合上述,我們這次的目標(biāo)雖然是在探討USB 3.0驗證的其中幾個關(guān)鍵議題,但我們也可從中發(fā)現(xiàn),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更進階。也就是說,相關(guān)USB廠商在開發(fā)USB 3.0裝置時,不能僅秉持過往USB 2.0的技術(shù)思維,必須透過更深入的研究、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)問題解決方案,才能讓市面上所有的USB產(chǎn)品達(dá)到兼容性的理想目標(biāo)。
 
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