USB3.0之硬件关注点

本文介绍下USB3.0相关知识，硬件工程师需要关注的点。
文章内容主要来源于USB官方（https://www.usb.org/）协议，协议本身内容太多，本文主要讲硬件工程师需要了解的重点做了一个汇总并分享出来。

USB3.0名称
USB3.0的名称是一个比较坑的事，历经USB3.1和USB3.2两次改名，下面先简单介绍一下。
在2013年，USB标准联盟USB-IF将所有的USB 3.X都叫USB3.1，包括USB3.1 Gen 1以及USB3.1 Gen2。USB 3.1 Gen 1就是USB3.0。
最近，USB-IF又将USB3.0和USB3.1并入USB3.2。

如上图
USB3.1 Gen 1和USB3.2 Gen 1都是USB3.0（5Gbps）
USB3.1 Gen 2和USB3.2 Gen 2都是USB3.1（10Gbps）
Usb3.2 Gen 2x2才是USB3.2（20Gpbs）
所有，当我们看到产品标注是USB 3.1和USB3.2时，有可能就是在名称上面做文章，实际里面就是USB 3.0，需要仔细判断。
USB3.2将USB3.1和USB3.0收录之后，官方文档里面只能下载到USB3.2协议了，USB3.0的协议包含在其中。

USB3.0线缆及连接器规范详见《USB 3.1 Legacy Cable and Connector Revision 1.0》
USB3.0接口
USB3.0接口有以下几种：USB3.0 A型，USB3.0 B型，USB3.0 Power-B型，USB3.0 Micro USB等，如下图所示。

常用的USB A型接头与USB2.0的A型外观类似，不过里面的塑料是蓝色的，USB2.0的为白色的。如下图

Micro USB3.0分以下几种：
USB 3.0 Micro-A型插头
USB 3.0 Micro-B型插头
USB 3.0 Micro-B插座
USB 3.0 Micro-AB型插座

如下图实物照片：

公座与母座对接如下图：

可以看出，USB3.1 Micro-AB的母座能兼容USB3.1 Micro-A和USB3.1 Micro-B的插头。
注：上述USB3.1可看作USB3.0，前面已经说过，USB 3.0曾经改名为USB3.1 Gen1。线缆规范在USB-iF官网上面只能找到USB3.1的，并没有专门的USB3.0的。

USB3.0线缆

USB3.0关键信号总共8根，一对兼容USB2.0的差分信号，2对超高速差分信号，分别是发送差分对和接收差分对，如下图。UTP用于传输USB 2.0信号，另外两对屏蔽双绞线SDP用于超高速信号。

协议参考各个线芯的粗细如下图：

线缆的损耗与线芯的粗细关系如下图

最大线缆长度
与USB2.0相比，USB3.0协议并未规范USB3.0的线材长度，只要信号符合其规范要求都是可以的。查看某知名品牌USB3.0线缆，其线缆的最长长度为2m或者3m（光纤传输除外）。
因此建议正常使用，保证信号质量的话，用2m以内的长度比较靠谱。
线缆及连接器差分阻抗
USB3.0的线缆和连接器同样是要做差分阻抗的。
线缆的差分阻抗要求是90Ω±5Ω。
匹配连接器的差分对阻抗要求90Ω±10Ω。
电源供电能力
USB3.0的供电能力为900mA，USB2.0的为500mA。

USB3.0与USB2.0对比

USB3.0传输速率
USB3.0包含信号：5V，D-，D+，GND，SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-。
D-，D+即为USB2.0的信号线，遵循USB2.0协议，这里不再赘述。
SSTX+和SSTX-为发送通道；SSRX+和SSRX-为接收通道。需要注意，USB3.0对接时，一边的TX接另外一边的RX，同UART串口一样。即SSTX+接到SSRX+，SSTX+接到SSTX-。
协议规定，USB3.0接口理论速度是5Gb/s，算上8b/10b的编码方式，即只有80%是有效数据，另外20%是协议开销，换算成Byte，那么理论传输速度是500MB/s。再考虑到USB传输的几种方式：控制传输，中断传输，批量传输，同步传输。不同的传输方式，协议开销的代价肯定也不一样，肯定得相应的再次降低。

USB3.0等效时钟速率
USB3.0的数据速率为5G/s，其编码方式为NRZI编码，等效为一个时钟周期传输2个Bit，因此其SSTX/SSRX通道等效时钟速率为2.5G/s。
眼图如下，可以看出，一个bit的周期是200ps：

USB3.0高速通道耦合电容
经常我们会看到USB3.0的接口电路中，是有串联电容的。这个电容容值在协议中也是有规定的。

如上图，发送端电容是必须要接的，容值范围为75nF-265nF之间，通常选用100nF电容。

接收端电容可以选择是否接入，如果接入的话电容范围为297nF-363nF，通常选用330nF电容。