將USB3.0用于存儲媒體應用

　簡介

　　通過加快內(nèi)部和外部存儲轉(zhuǎn)化的性能，USB 3.0為存儲器市場帶來了一項根本性轉(zhuǎn)變。由于USB 3.0能夠使外部驅(qū)動器達到與PC內(nèi)部驅(qū)動器相同的數(shù)據(jù)傳輸速度，因此用戶當然可以比過去更加充分的利用外部存儲器。

　　USB 3.0無需改變PC電腦中USB連接器的波型因數(shù)即可達到這種新的性能水平，并且在所有其它方面能夠完全向后兼容。這樣，在滿足了存儲需求外，USB 3.0還為各種存儲器應用提供了理想的解決方案。

　　本文提供了USB 3.0的簡介以及影響USB 3.0應用的各種因素。盡管這里我們關(guān)注的重點在于存儲器的應用，但我們同樣也涉及到了一些其它應用，因為USB的通用性是將這種接口用于外部磁盤驅(qū)動器的主要原因。

　　對于存儲應用，假設(shè)將他們分別為用于外部和內(nèi)部存儲的接口，那么USB和SATA之間的關(guān)系特別有趣。由于現(xiàn)在的USB 3.0能夠支持磁盤驅(qū)動器的最高轉(zhuǎn)換速率，這樣在很大程度上就可以將通用的SATA驅(qū)動器用作外部USB 3.0的外設(shè)。通過使用能夠橋接USB3.0與SATA的器件，將USB 3.0接口填加到SATA驅(qū)動器是最直接的方式。

　　根據(jù)市場需求，富士通公司推出了世界首款高集成型USB3.0-SATA橋接芯片。利用能夠與現(xiàn)有系統(tǒng)輕松匹配的波形因數(shù)，芯片大大簡化了PC和Mac平臺外部硬盤的實現(xiàn)，并提供了USB3.0端口與外部磁盤驅(qū)動器間透明的數(shù)據(jù)傳輸。因此，這款器件有助于利用那些由于性能原因，已經(jīng)轉(zhuǎn)向外部SATA（eSATA）的USB的應用，使得驅(qū)動器制造商可以輕松利用USB 3.0所承諾的通用連接性。

　　USB 3.0簡介

　　USB 3.0 —— 也被認為是SuperSpeed USB ——為那些與PC或音頻/高頻設(shè)備相連接的各種設(shè)備提供了一個標準接口。從鍵盤到高吞吐量磁盤驅(qū)動器，各種器件都能夠采用這種低成本接口進行平穩(wěn)運行的即插即用連接，用戶基本不用花太多心思在上面。新的USB 3.0在保持與USB 2.0的兼容性的同時，還提供了下面的幾項增強功能：

• 　　極大提高了帶寬——高達5Gbps全雙工（USB2.0則為480Mpbs單雙工）
• 　　實現(xiàn)了更好的電源管理
• 　　能夠使主機為器件提供更多的功率，從而實現(xiàn)USB-充電電池、LED照明和迷你風扇等應用。
• 　　能夠使主機更快的識別器件
• 　　新的協(xié)議使得數(shù)據(jù)處理的效率更高

　　USB 3.0可以在存儲器件所限定的存儲速率下傳輸大容量文件（如HD電影）。例如，一個采用USB 3.0的閃存驅(qū)動器可以在3.3秒鐘將1GB的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到一個主機，而USB 2.0則需要33秒。

　　受到消費類電子器件不斷增加的分辨率和存儲性能需求的推動，希望通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的媒體應用，因此，用戶需要更快速的傳輸性能，以簡化下載、存儲以及對于多媒體的大量內(nèi)容的共享。USB 3.0在為消費者提供其所需的簡易連接性方面起到了至關(guān)重要的作用。

　　當用于消費類器件時，USB 3.0將解決USB 2.0無法識別無電池器件的問題。主機能夠通過USB 3.0緩慢降低電流，從而識別這些器件，如電池已經(jīng)壞掉的手機。

　　對于系統(tǒng)和ASIC開發(fā)者而言，USB 3.0芯片和IP的廣泛的實用性保證了每個設(shè)計要求都可以及時得到滿足。這種全方位的支持對于像USB 3.0這樣的標準而言特別重要，因為速度、高級協(xié)議和各種電纜長度（從幾英寸到幾米）使得設(shè)計和標準兼容性成為一項挑戰(zhàn)。

　　SATA與USB

　　最近幾年來，在爭相成為外部存儲器接口的各種器件中，USB、eSATA和Firewire在個人計算機領(lǐng)域，都各自取得了多個矚目的成績。在這一點上，串行ATA（SATA）在消費類PC的內(nèi)部驅(qū)動連接性上，取代了所有其它接口。盡管被稱為CFast的新型CompactFlash版本將基于SATA構(gòu)建，但較早的并行ATA（PATA）在將CompactFlash作為存儲媒介的工業(yè)和嵌入式應用中仍在繼續(xù)使用。

　　自從2004年推出以來，eSATA在外部存儲器應用方面已經(jīng)向USB 2.0和FireWire提出了挑戰(zhàn)。eSATA在SATA內(nèi)部驅(qū)動器所支持的相同速率下，與外部器件互相傳輸數(shù)據(jù)。值得一提的是，eSATA接口可以支持高達3Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率。即使接照由編碼所縮減的實際速率，eSATA的數(shù)據(jù)速率也完全足以用作最高速的硬盤驅(qū)動器，這種驅(qū)動器能夠以120/秒的速度傳輸數(shù)據(jù)（約為90Mbps）.

　　盡管eSATA僅用于存儲器應用，但它的這些性能使其能夠搶占USB 2.0和FireWire的市場份額。SATA的其他優(yōu)勢還包括低處理器成本。USB 3.0的性能顯著優(yōu)于eSATA和FireWire 800。在5Gbps全雙工下，USB 3.0比可以達到800Mbps的全雙工的eSATA和FireWire 800的速度更快。（注意，eSATA的3Gbps數(shù)據(jù)是單雙工的，而USB 3.0所提供的是全雙工的。盡管我們在這里無法詳盡的說明，但仍需提請注意的是USB 3.0包括可選裝置，用于傳輸無序數(shù)據(jù)，是用于磁盤驅(qū)動搜索的最佳選擇。）

　富士通的USB 3.0 —— SATA芯片解決方案

　　為了實現(xiàn)可以將SATA硬盤驅(qū)動器用于USB 3.0的簡單方法，富士通推出了MB86C30A單芯片解決方案，用以將USB 3.0和基于SATA/ATA/ATAPI的大容量存儲器進行橋接。這種橋接芯片將USB2.0和USB3.0的海量存儲要求轉(zhuǎn)移給SATA和ATA/ATAPI通信協(xié)議。

　　MB86C30A是世界首款USB 3.0從芯片，采用了富士通的高速串行I/O技術(shù)。不久的將來，利用65nm CMOS技術(shù)構(gòu)建的芯片，在采用高速USB規(guī)格方面，將實現(xiàn)更低的功耗和更大的靈活性。富士通已經(jīng)在“2009 SuperSpeed USB開發(fā)者協(xié)商會上”展示了其USB 3.0從芯片，并證明了它具有行業(yè)最快的傳輸速率。

　　此芯片符合于2008年11月發(fā)布的USB 3.0規(guī)格1.0以及SATA規(guī)格2.6版本的要求。芯片還符合USB Mass Storage 批量傳輸協(xié)議。圖1顯示了芯片的主要功能。

圖1：富士通的MB86C30A USB3.0-SATA橋接芯片

　　MB86C30A主要特性

　　高速加密引擎

　　在安全性方面MB86C30A嵌入式命令解析器支持ATA命令集，帶有一個高速加密引擎和DMA控制器。由于加密功能是由硬件而非軟件進行控制，因此MB86C30A使得USB 3.0的潛在傳輸速率（見圖2）達到了最大化。芯片支持面向CBC-AEC的128位和256位的主要長度，以及面向XTS-AES的主要長度。加密引擎是基于國家標準與技術(shù)研究院標準（NIST）的標準AES代碼/解碼硬件引擎。

　　電源管理

　　MB86C30A支持USB 3.0所推出的許多電源管理功能。例如：當USB 3.0端點準備完成，可以進行數(shù)據(jù)傳輸時，它會通知給主機，這樣就減少了查詢端點過程中所需的功率。其它協(xié)議變更也是以類似的方式節(jié)約功率，USB 3.0鏈路層會根據(jù)總線的活動自動進入低功耗狀態(tài)。

　　USB 2.0/USB 3.0和SATA的PHY和鏈路集成

　　MB86C30A整合了一個物理層接口（PHY），在雙工線上（即DP和DM）都具有終端電阻。因此，其實施需要最少量的外部元件并可以實現(xiàn)與物理介質(zhì)的輕松互聯(lián)。

　　嵌入式擴展頻譜時鐘發(fā)生器（SSCG）

　　由于電磁干擾（EMI）在高頻狀態(tài)下容易出現(xiàn)更多問題，因此USB 3.0需要采用一個頻譜時鐘，這個時鐘必須在主機和每個端點中獨立生成。富士通橋接芯片的工作頻率為75MHz，并整合了一個SSCG。這種集成簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并降低了對于其它除噪元件的需求，如旁路電容器、扼流圈、磁珠等。

圖2：針對各種引擎標準的MB86C30A傳輸速率

　　高性能CPU和其它資源

　　MB86C30A整合了一個高性能的32位ARM 7處理器（ARM7TDMI），帶有一個64Kb的專用程序存儲器，工作頻率為75MHz。因此，利用可定制的固件，開發(fā)者就能夠創(chuàng)建差異化更高的外部SATA驅(qū)動器。通用I/O（GPIO）進一步擴展了器件的多功能性。

　　SPI接口選項

　　MB86C30A具有一個串行外設(shè)接口（SPI），用于提供與串行flash和EEPROM的連接。

　　可定制的功能（VID/PID）

　　每個USB產(chǎn)品都具有唯一的供應商ID（VID）和產(chǎn)品ID（PID）。MB86C30A允許用戶來定制芯片的供應商ID、產(chǎn)品ID及字符串。

　　輕松移植

　　為了實現(xiàn)從以往設(shè)計到USB 3.0的輕松移植，MB86C30A采用了與過去的USB 2.0橋ASSP相似的封裝。這個64引腳LQFP封裝具有0.4mm的引腳間距，因此，有助于將PCB的生產(chǎn)成本保持在最低水平。

　　MB86C30A符合如下標準：

• 　　《通用串行總線規(guī)格3.0》，1.0版本
• 　　《通用串行總線規(guī)格》，2.0版本
• 　　《Mass Storage批量傳輸協(xié)議》，1.0版本
• 　　《串行ATA規(guī)格》，2.6版本

　　ATA和ATAPI器件支持

　　目前，USB類驅(qū)動器屬于邏輯器件驅(qū)動（LDD），提供了通用功能，并符合HDD及Blu-lay的特定器件規(guī)格。

　　圖3顯示了外部硬件驅(qū)動器的框圖，這個驅(qū)動器可以用于PC或消費類電子應用。

圖3-采用富士通MB86C30A橋接芯片的硬件磁盤驅(qū)動器應用

　　總結(jié)

　　PC、外部硬件驅(qū)動器、便攜式電子器件和基于flash的SSD驅(qū)動器間不斷增長的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笸苿恿藢τ诟靷鬏敺椒ǖ难兄啤＝柚诒纫宰SB版本的更高的吞吐量，USB 3.0提供了在未來數(shù)年里都能滿足多方面要求的傳輸方式。富士通的MB86C30A USB3.0/SATA橋接器件為開發(fā)者提供了一個可以將SATA驅(qū)動器應用于USB 3.0的簡單方式，從而使客戶可以在幾秒鐘即可完成在之前需要數(shù)分鐘的數(shù)據(jù)傳輸。