【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。
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(kuò)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(jìn)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
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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?。Repeater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
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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(jìn)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(jìn)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)膭幼鳌；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
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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
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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(jìn)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(jìn)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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