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3.2 實體層（Physical Layer）概要

「People Love USB」，的確如此。又不是 USB長的特別漂亮，而是紫牛（行銷

用語）第二門課 -免費力量大。誰都可以進入這個戰場，用不著去付令人生厭的

權利金，或是死要錢逼您付年費去加入組織。更沒有恐怖至極的潛水艇專利來

襲擊。

而且，晶片組又會免費提供多數個連接埠，視窗作業系統或其他作業系統都

有大部分的裝置驅動程式支援。隨插即用、便宜好用，才是 USB風行的推手。

開放式系統如此，崁入式系統亦復如是。

視窗 Vista宣稱支援 94%的 USB裝置驅動程式。對於 USB 3.0所追加的 SS

USB飆速，微軟宣稱在來日的Windows 7就可以享受到。

USB的裝機量是無可匹敵的介面。In-Stat 2008/3。

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微軟視窗對於 SS USB支援的藍圖。

微軟視窗對於 MFP裝置驅動程式的因應對策。

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WIA是Windows Image Acquisition的縮寫。WIA是微軟公司自行開發的影像

擷取軟體。比如說掃描器，當使用者在完成WinXP/Windows Vista的安裝之後，即

可從「控制台 掃描器與數位相機」與掃描器連線，並使用該影像擷取軟體，來執行

影像掃描的功能。

注注

PHY層的主要任務。

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傳送與接收兩端的 PHY，必須採用「AC耦合」的方式，AC耦合電容器放

置在傳送端。USB 2.0沒有 AC耦合，這是 USB 2.0與 USB 3.0相當不同的地方。

USB 3.0的信號連接，是 AC偶合的方式。

PHY層就是就是介面信號的技術，以往的高速 PHY的確不好做；然而，隨

著串列式介面技術的成熟化，PHY層已經不像以往那麼困難了。現在面臨的挑

戰反而是如何在物美價廉的四層板上來達成高速傳輸。PCI Express與 SATA上的

經年累積經驗，該已經磨練工程師適應高速傳輸的技巧了。很有意思，USB 3.0

的 5Gbps與 PCI Express 2.0的 5GBps怎麼會數字一樣呢？

USB 2.0的介面連接長度，最常為 5米。SS USB的 5Gbps，若是要以廉價的

銅配線，3米是目標。實際的應用上多數是沒有超過 1米，甚至更短。當代的

PC設計，設計師很喜歡在前面面板動手腳，似乎「個性化」是 e世代年輕人自

我風格的追求，手機可以換外殼，接著 NB、桌上電腦、攜帶喇叭等，許多可換

外殼或面板的產品，蔚為潮流。

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基板的設計，必須前後兼顧 USB連接埠。疑慮比較多的地方在前面而不

在後頭。因為，前面的連接器，通常還必須藉由一條內部線材連接基板與連接

器。若是採用廉價的排線，電氣特性不佳，可能會是一個性能掉下來的小殺手。

基板配置的考量範例。取自 SS USB Developer Conference。

前方面板需要一條內部連接線。取自 SS USB Developer Conference。

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傳送端（Transmitter）功能流程方塊圖。取自 USB 3.0。

8b/10b編碼是 USB 3.0新採用的編碼方式。

8b/10b編碼有兩個前提必須認知，它是 80年代 IBM所發展出來的。8b/10b

的基本大法就是將 8個位元映射成 10個位元；映射的方式在論文中已經定好。

這 10個位元就稱之為符號（Symbol）。而且該 10個位元的法則不是 5個邏輯零

5個邏輯壹，就是 6個零、4個壹或 4個零、6個壹。因此，其直流平衡（DC

Balance）特性非常卓越。直流平衡特性越好，產生位元錯誤率就越低。

第二個前提，8b/10b編碼學中除了資料的編碼，稱為 D-Code；又額外定義

了特殊用途的 K-Code，通常是作為連結層上的控制用途。

資料在進行 8b/10b編碼之前，必須先行資料打散（Scramble）的處理，目的

是為了降低 EMI。實現的方式一般是由 LFSR（Linear Feedback Shift Register）的方

式來實踐，規格定義了實踐的多項式 G（x）=X15+X5+X4+X3+1；基本原理是將

資料的 8位元與 LFSR暫存器的 16位元輸出做 XOR的處理。

K-Code不會經過打散的處理。

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在工程除錯與測試的階段，可以暫時關閉這個打散處理，可以簡化工作。

關閉的方法，規格並不定義，各家可以用自己的方式。

USB 3.0的 Scramble做法。

8b/10b的編碼是 IBM在 1983年所發明的演算方式（A.X. Widmer and P.A.

Franaszek A DC-BALANCED，PARTITIONED-BLOCK，8B/10B TRANSMISSION

CODE，IBM Journal of Research and Development，Vol. 27，Number 5，September

1983），與 ANSI X3.230-1994所描述一樣。控制位元 Z，其實就是一個旗幟

（Flag）；用來確保在編碼的過程中，直流平衡維持在法則內的狀態。

8b/10b編碼概念圖。取自 USB 3.0。