USB 3.0實測評鑑與報告:快速領略問題癥結與解決方案

根據市調機構In-Stat年初所公布的報告指出,USB 3.0的週邊應用出貨量在2011年大約為7000萬部,到了2014年將蓬勃發展並飆破10億部。同時他們也預估在2015年時,筆記型電腦將成為USB 3.0介面的最大載具,屆時將約有50億個週邊應用可搭載不同形式的USB介面,包含電腦、手機、主機外殼、消費性電子以及影音多媒體等產品。換言之,隨著消費性電子產品的功能特性不斷升級,市場規模也隨之起舞與擴張,越來越多應用都需要高頻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。除了資料傳輸速度比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產品,進階後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執行作業以延長電池的使用時間。In-Stat更指出,Intel推出的Ivy Bridge處理器將首次內建並原生支援USB 3.0功能,再搭配Microsoft新一代作業系統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。

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不可否認地,USB技術已然成為連結個人電腦/手機與外部設備的規範標準。為了滿足不斷成長的資料頻寬傳輸速度與需求,USB-IF在2008年正式公布了USB 3.0的技術規格,同時也帶來新的設計/測試的挑戰;在經過4年時間的市場探索與技術磨合,越來越多支援USB3.0產品上市,大家都期許能有更高速、更節能的USB產品。而為了達成這項技術規格的品質穩定與效能保障,從促進規範的標準化入手,建立一套完整的測試解決方案絕對是各家廠商在驗證或推出USB 3.0應用產品的必經之路。因此,百佳泰特別針對在實際驗證USB 3.0相容性測試時,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產品時一個參考準則。

USB 3.0的相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「互通性測試」(xHCI Interoperability test)的檢驗,其主要是針對所有USB 3.0的產品架構所作的裝置互通性測試,讓各種USB 3.0產品能與其他裝置有效地互通並協同運作,不會因為軟、硬體版本的不同而失效。在主機端部分,除了作互通性測試外,還得進行另一項名為「向後兼容測試」(xHCI Backwards compatibility test)的驗證,其測試標的除了整個USB產品架構外,xHCI controller還必須與現不同的USB產品(known good device)作測試,以確保不同的USB產品在這個主機端上能夠正常的運作。我們可以發現,USB 3.0的推出除了代表速度與效能的技術提升外,為了確保與前代技術與裝置的相容性,類似的互通性與向後兼容測試勢必非常重要,才能讓原本的USB技術維持零落差的技術條件與使用情境。與USB 2.0測試不同的是,某些測試上的問題肇因是單單發生在USB 3.0測試當中,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,值得廠商與我們去一一克服和疑難排解。

 

問題分享一:最低SSC延展幅度不符合規範(±300 PPM)。

在Electrical Test的部分,由於USB 3.0的傳輸速率高於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的規範中加入了SSC(Space Spectrum Clock)技術規範,其目的即是透過SSC來降低EMI所帶來的效應,以確保USB 3.0的訊號品質不會受到影響。在USB 2.0時期,由於屬較低的傳輸速率,受到EMI的干擾也較輕,因而未將SSC技術納入規範;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的測試規範中,也特別去測試其SSC此技術來驗證電子訊號的品質。

根據SSC技術規範的標準指出,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現,其最低的展幅為333 ppm,並不在正常規範內。緊接著,我們著手進行疑難排解的動作,發現在這個情境中的問題肇因即為不正確的負載電容振盪電路的輸出頻率偏移,進而造成SSC展幅偏移。因此,透過改變負載電容來調整輸出頻率,從16pF調成20pF(表一),其最低的展頻幅度為204 ppm(圖二),已符合SSC技術規範要求。換言之,其問題肇因即是晶體振盪電路的電容負載值。

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問題分享二:LFPS低頻週期信號的振幅不符合規範(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在經過一定的傳輸信號長度後,其衰減值是否仍在規範之內,以確保USB 3.0的傳輸速度與品質。

首先,根據USB 3.0的規範指出,其LFPS差分訊號的正常範圍應屬800 mV至1200mV之間。在測試我們選用的USB3.0產品時發現,其差分訊號測得604.4mV,並不符合協會規範。因此,我們從訊號的衰減因素著手進行解決方案,發現原因是由訊號復元元件也就是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品質嚴重衰減。此時透過Repeater可讓原始訊號在經過延長後的傳輸距離後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(EX: Gain)若調整不正確,將會造成錯誤的行為及振幅,而在我們重新更換過Repeater之後,立即發現如圖四的結果,其差分訊號下降至1080.4mV並符合協會規範。

這項問題肇因即可說明,如果USB 3.0主機晶片和連接器之間的距離太長,就會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最適當的值。Repeater所重整還原出來的訊號不一定符合系統或規範要求,有時候訊號經過Repeater的重整還原之後,雖然訊號強度得到了補償;但因參數調整不正確,使其訊號振幅過大超出規範,所以Repeater的使用需要經過精密的設定與驗證,才能得到最正線的傳輸訊號的穩定品質。

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問題分享三:從hybrid sleep恢復後,系統會發生重置動作或USB裝置無法續傳。

不同於前兩項屬於electrical或硬體端的問題,我們觀察到也有因為軟體設定而導致測試失敗。這次我們用USB協會定義使用的三項USB產品(known good device)來作主機軟體端的兼容性測試時發現,其中一項產品在從睡眠模式(hybrid sleep)中恢復後,會產生系統reset或USB傳輸中斷的狀況。根據協會規範,當USB正在傳輸檔案時,即使進入睡眠模式後再重新啟動,應要做續傳的動作,如果發生停止或reset的狀況即為測試失敗。

因此,我們從這個問題肇因可以發現USB傳輸效能與系統供電的關聯性。其他兩項USB產品皆是屬於Self -Power的產品,因此在系統進入hybrid sleep後在重新復甦啟動OS時,由於產品自我供電的特性,使產品不會因為所連接的Host中斷V_BUS供電而在回到作業系統時做reset的動作,使原本的傳輸中斷。反之,在這個測試出現失敗的產品中,因為是屬Bus-Power產品,其供電接來自於所連接的Host,因此從hybrid sleep甦醒時,其產品會因Host供應的V_BUS不足(或中斷)導致來不及在回到作業系統前完成resume的動作,造成reset或中斷傳輸的動作。基本上,我們推測其為產品BIOS的問題,因此在我們更換過產品的BIOS後,即可解決此供電狀況的問題(如圖五和圖六)。特別的是,我們發現現今許多USB產品為了主打省電的功能,各家的BIOS都不盡相同;但為符合協會規範,其最低要求是系統從hybrid sleep的狀態恢復時,至少要能來得及反應並啟動OS,才不會造成其他裝置動作出現中斷或系統發生reset的情況。

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問題分析四:USB 3.0兼容性測試時最常遇到的問題之一,韌體不相容造成藍屏(BSOD,Blue Screen of Death)狀況。

在瞭解整個問題肇因前,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視所有gold tree上裝置的運作狀態,這也是協會規範所指定的動作之一。再者,我們在作USB 3.0兼容性測試時,只要出現藍屏(BSOD)便會判定為測試失敗。根據上述,這個階段的問題肇因即是發生在當待測物裝置在某廠商晶片組的USB 3.0筆記型電腦上時,接著我們再作整個gold tree的兼容性測試時,會不定時的發生藍屏狀況。為了解決此問題,我們發現在開啟Driver Verifier後會有一個預設旗標值(flags),其預設值為「0x7F」,這會讓USB裝置上的driver與系統controller driver產生衝突情形,因此造成藍屏的現象。而根據與USB協會及AMD討論出來的解決方式,即是把旗標職從「0x7F」改成「0x9ab」,藍屏問題集獲得改善。

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

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問題分享五:選配的電纜品質也很重要,會間接影響USB影、音輸出品質。

我們在作USB 3.0向後兼容測試(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、滑鼠、網路攝影機或印表機等等。在測試時,我們一樣透過Driver Verifier的動作來讓系統運作條件與連結環境保持在最低限度,並藉此觀察gold tree上所有裝置的運作情況。在此發現幾項audio與video品質問題,例如耳機發生明顯的音頻噪音、網路攝影機發生明顯的影像延遲或視頻雜訊。而這些裝置在軟、硬體測試方面皆沒有發生問題,卻在作全面相容性時發生問題,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,品質的良劣是非常重要的,如果選配低品質的USB 3.0 cable,會導致錯誤率提高,造成數據傳輸性能下降、傳輸的時間不穩定等等狀況。因此,cable的品質會影響影音傳輸,不同廠商的cable也會有不同的結果,如果cable的頻寬被耗盡,就會有噪音出現進而影響品質。

綜合上述,我們這次的目標雖然是在探討USB 3.0驗證的其中幾個關鍵議題,但我們也可從中發現,USB 3.0與USB 2.0除了在傳輸速度有所不同外,在許多的技術深度上也比USB2.0更進階。也就是說,相關USB廠商在開發USB 3.0裝置時,不能僅秉持過往USB 2.0的技術思維,必須透過更深入的研究、技術資源與精力投入,才能找出關鍵的技術升級模式和相關問題解決方案,才能讓市面上所有的USB產品達到兼容性的理想目標。市面上USB產品與應用越來越普及,百佳泰除了有一系列的USB測試方案外,也針對這些驗證過程中發現的問題肇因作出規劃性的報告,提供相關廠商問題偵錯與肇因的協尋與技術支援。本文章就是謹以專業實驗室角度,勾勒出幾項我們發現的重點項目與大家分享,讓大家一起為提升USB 3.0效能表現有個溝通合作的平台,提供USB廠商在研發設計產品時,一個品質保障的參考與技術諮詢。如有任何關於USB 3.0認證、測試或技術支援等疑問,歡迎逕洽百佳泰。