将USB 3.0用于存储媒体应用

简介
通过加快内部和外部存储转化的性能，USB 3.0为存储器市场带来了一项根本性转变。由于USB 3.0能够使外部驱动器达到与PC内部驱动器相同的数据传输速度，因此用户当然可以比过去更加充分的利用外部存储器。

USB 3.0无需改变PC电脑中USB连接器的波型因数即可达到这种新的性能水平，并且在所有其它方面能够完全向后兼容。这样，在满足了存储需求外，USB 3.0还为各种存储器应用提供了理想的解决方案。

本文提供了USB 3.0的简介以及影响USB 3.0应用的各种因素。尽管这里我们关注的重点在于存储器的应用，但我们同样也涉及到了一些其它应用，因为USB的通用性是将这种接口用于外部磁盘驱动器的主要原因。

对于存储应用，假设将他们分别为用于外部和内部存储的接口，那么USB和SATA之间的关系特别有趣。由于现在的USB 3.0能够支持磁盘驱动器的最高转换速率，这样在很大程度上就可以将通用的SATA驱动器用作外部USB 3.0的外设。通过使用能够桥接USB3.0与SATA的器件，将USB 3.0接口填加到SATA驱动器是最直接的方式。

根据市场需求，富士通公司推出了世界首款高集成型USB3.0-SATA桥接芯片。利用能够与现有系统轻松匹配的波形因数，芯片大大简化了PC和Mac平台外部硬盘的实现，并提供了USB3.0端口与外部磁盘驱动器间透明的数据传输。因此，这款器件有助于利用那些由于性能原因，已经转向外部SATA（eSATA）的USB的应用，使得驱动器制造商可以轻松利用USB 3.0所承诺的通用连接性。

USB 3.0简介
USB 3.0 —— 也被认为是SuperSpeed USB ——为那些与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。从键盘到高吞吐量磁盘驱动器，各种器件都能够采用这种低成本接口进行平稳运行的即插即用连接，用户基本不用花太多心思在上面。新的USB 3.0在保持与USB 2.0的兼容性的同时，还提供了下面的几项增强功能：

 极大提高了带宽——高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mpbs单双工）
 实现了更好的电源管理
 能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB-充电电池、LED照明和迷你风扇等应用。
 能够使主机更快的识别器件
 新的协议使得数据处理的效率更高

USB 3.0可以在存储器件所限定的存储速率下传输大容量文件（如HD电影）。例如，一个采用USB 3.0的闪存驱动器可以在3.3秒钟将1GB的数据转移到一个主机，而USB 2.0则需要33秒。

受到消费类电子器件不断增加的分辨率和存储性能需求的推动，希望通过宽带互联网连接能够实现更宽的媒体应用，因此，用户需要更快速的传输性能，以简化下载、存储以及对于多媒体的大量内容的共享。USB 3.0在为消费者提供其所需的简易连接性方面起到了至关重要的作用。

当用于消费类器件时，USB 3.0将解决USB 2.0无法识别无电池器件的问题。主机能够通过USB 3.0缓慢降低电流，从而识别这些器件，如电池已经坏掉的手机。

对于系统和ASIC开发者而言，USB 3.0芯片和IP的广泛的实用性保证了每个设计要求都可以及时得到满足。这种全方位的支持对于像USB 3.0这样的标准而言特别重要，因为速度、高级协议和各种电缆长度（从几英寸到几米）使得设计和标准兼容性成为一项挑战。

SATA与USB
最近几年来，在争相成为外部存储器接口的各种器件中，USB、eSATA和Firewire在个人计算机领域，都各自取得了多个瞩目的成绩。在这一点上，串行ATA（SATA）在消费类PC的内部驱动连接性上，取代了所有其它接口。尽管被称为CFast的新型CompactFlash版本将基于SATA构建，但较早的并行ATA（PATA）在将CompactFlash作为存储媒介的工业和嵌入式应用中仍在继续使用。
自从2004年推出以来，eSATA在外部存储器应用方面已经向USB 2.0和FireWire提出了挑战。eSATA在SATA内部驱动器所支持的相同速率下，与外部器件互相传输数据。值得一提的是，eSATA接口可以支持高达3Gbps的数据传输率。即使接照由编码所缩减的实际速率，eSATA的数据速率也完全足以用作最高速的硬盘驱动器，这种驱动器能够以120/秒的速度传输数据（约为90Mbps）.

尽管eSATA仅用于存储器应用，但它的这些性能使其能够抢占USB 2.0和FireWire的市场份额。SATA的其他优势还包括低处理器成本。USB 3.0的性能显著优于eSATA和FireWire 800。在5Gbps全双工下，USB 3.0比可以达到800Mbps的全双工的eSATA和FireWire 800的速度更快。（注意，eSATA的3Gbps数据是单双工的，而USB 3.0所提供的是全双工的。尽管我们在这里无法详尽的说明，但仍需提请注意的是USB 3.0包括可选装置，用于传输无序数据，是用于磁盘驱动搜索的最佳选择。）

富士通的USB 3.0 —— SATA芯片解决方案
为了实现可以将SATA硬盘驱动器用于USB 3.0的简单方法，富士通推出了MB86C30A单芯片解决方案，用以将USB 3.0和基于SATA/ATA/ATAPI的大容量存储器进行桥接。这种桥接芯片将USB2.0和USB3.0的海量存储要求转移给SATA和ATA/ATAPI通信协议。

MB86C30A是世界首款USB 3.0从芯片，采用了富士通的高速串行I/O技术。不久的将来，利用65nm CMOS技术构建的芯片，在采用高速USB规格方面，将实现更低的功耗和更大的灵活性。富士通已经在“2009 SuperSpeed USB开发者协商会上”展示了其USB 3.0从芯片，并证明了它具有行业最快的传输速率。

此芯片符合于2008年11月发布的USB 3.0规格1.0以及SATA规格2.6版本的要求。芯片还符合USB Mass Storage 批量传输协议。图1显示了芯片的主要功能。

 
图1：富士通的MB86C30A USB3.0-SATA桥接芯片

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，带有一个高速加密引擎和DMA控制器。由于加密功能是由硬件而非软件进行控制，因此MB86C30A使得USB 3.0的潜在传输速率（见图2）达到了最大化。芯片支持面向CBC-AEC的128位和256位的主要长度，以及面向XTS-AES的主要长度。加密引擎是基于国家标准与技术研究院标准（NIST）的标准AES代码/解码硬件引擎。

电源管理
MB86C30A支持USB 3.0所推出的许多电源管理功能。例如：当USB 3.0端点准备完成，可以进行数据传输时，它会通知给主机，这样就减少了查询端点过程中所需的功率。其它协议变更也是以类似的方式节约功率，USB 3.0链路层会根据总线的活动自动进入低功耗状态。

USB 2.0/USB 3.0和SATA的PHY和链路集成
MB86C30A整合了一个物理层接口（PHY），在双工线上（即DP和DM）都具有终端电阻。因此，其实施需要最少量的外部元件并可以实现与物理介质的轻松互联。

嵌入式扩展频谱时钟发生器（SSCG）
由于电磁干扰（EMI）在高频状态下容易出现更多问题，因此USB 3.0需要采用一个频谱时钟，这个时钟必须在主机和每个端点中独立生成。富士通桥接芯片的工作频率为75MHz，并整合了一个SSCG。这种集成简化了系统设计，并降低了对于其它除噪元件的需求，如旁路电容器、扼流圈、磁珠等。

 
图2：针对各种引擎标准的MB86C30A传输速率

高性能CPU和其它资源
MB86C30A整合了一个高性能的32位ARM 7处理器（ARM7TDMI），带有一个64Kb的专用程序存储器，工作频率为75MHz。因此，利用可定制的固件，开发者就能够创建差异化更高的外部SATA驱动器。通用I/O（GPIO）进一步扩展了器件的多功能性。

SPI接口选项
MB86C30A具有一个串行外设接口（SPI），用于提供与串行flash和EEPROM的连接。

可定制的功能（VID/PID）
每个USB产品都具有唯一的供应商ID（VID）和产品ID（PID）。MB86C30A允许用户来定制芯片的供应商ID、产品ID及字符串。

轻松移植
为了实现从以往设计到USB 3.0的轻松移植，MB86C30A采用了与过去的USB 2.0桥ASSP相似的封装。这个64引脚LQFP封装具有0.4mm的引脚间距，因此，有助于将PCB的生产成本保持在最低水平。

MB86C30A符合如下标准：
• 《通用串行总线规格3.0》，1.0版本
• 《通用串行总线规格》，2.0版本
• 《Mass Storage批量传输协议》，1.0版本
• 《串行ATA规格》，2.6版本

ATA和ATAPI器件支持
目前，USB类驱动器属于逻辑器件驱动（LDD），提供了通用功能，并符合HDD及Blu-lay的特定器件规格。
图3显示了外部硬件驱动器的框图，这个驱动器可以用于PC或消费类电子应用。

 
图3-采用富士通MB86C30A桥接芯片的硬件磁盘驱动器应用

总结
PC、外部硬件驱动器、便携式电子器件和基于flash的SSD驱动器间不断增长的信息数据传输的需求推动了对于更快传输方法的研制。借助于比以住USB版本的更高的吞吐量，USB 3.0提供了在未来数年里都能满足多方面要求的传输方式。富士通的MB86C30A USB3.0/SATA桥接器件为开发者提供了一个可以将SATA驱动器应用于USB 3.0的简单方式，从而使客户可以在几秒钟即可完成在之前需要数分钟的数据传输。