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百度百科:USB 3.0

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USB 3.0

USB 3.0是最新的USB规范,该规范由英特尔等公司发起。

USB 2.0已经得到了PC厂商普遍认可,接口更成为了硬件厂商的必备接口。

USB2.0的最大传输带宽为480Mbps(即60MB/s)而USB3.0的最大传输带宽高达5.0Gbps(即500MB/s)

不过,大家要注意这是理论传输值,如果几台设备共用一个USB通道,主控制芯片会对每台设备可支配的带宽进行分配、控制。如在USB1.1中,所有设备只能共享1.5MB/s的带宽。如果单一的设备占用USB接口所有带宽的话,就会给其他设备的使用带来困难。

外文名

USB3.0

供电电压

5V

供电电流

900mA

传输速率

5.0Gbps(即640MB/s)

目录

  • 1标准规范

  •  传输速率

  •  数据传输

  •  电源

  •  电源管理

  •  物理外观

  •  支持系统

  • 2外观特点

  • 3影响

  • 4速度

  • 5工作原理

  • 6先进之处

  • 7USB3.0产品

  •  硬盘座

  •  硬盘盒

  •  磁盘阵列

  •  HUB

  • 8操作系统

  • 9应用

  • 10技术解析

  • 11系统上市

  • 12前景

  • 13USB发展

  • 14发展趋势

  •  前言

  •  3.0背景

  •  USB3.0规格

  •  挑战

  •  结束语

  • 15首扩展卡

  •  介绍

  •  参数

  • 16标准

  • 17射频干扰

3.0简介

USB3.0 —— 也被认为是SuperSpeedUSB——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。只是个硬件设备,计算机内只有安装USB3.0相关的硬件设备后才可以使用USB3.0相关的功能!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480Mbps半双工)

● 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。

● 能够使主机更快地识别器件

● 新的协议使得数据处理的效率更高

USB3.0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USB3.0的闪存驱动器可以在15秒钟将1GB的数据转移到一个主机,而USB 2.0则需要43秒。

受到消费类电子器件不断增加地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,USB3.0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,USB3.0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USB3.0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几年来,在争相成为外部存储器接口的各种器件标准中,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12MB/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。

图1

图1

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65nmCMOS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“2009SuperSpeed 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[1] 。USB 3.0标准的正式发布

由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等IT业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group 2008-11-18 宣布,该组织负责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率,可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。

该组织将与硬件厂商合作,共同开发支持USB 3.0标准的新硬件,不过实际产品

USB1.0   USB2.0   USB3.0接口

USB1.0 USB2.0 USB3.0接口

上市还要等一段时间。

第一版USB1.0是在1996年出现的,速度只有12Mbps;两年后升级为USB1.1,速度没有任何改变,仅改变了技术细节,至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口;2000年4月起广泛使用的USB2.0推出,速度达到了480Mbps,是USB 1.1的四十倍;如今10个年头过去了,USB 2.0的速度早已经无法满足应用需要,USB 3.0也就应运而生,最大传输带宽高达5.0Gbps,也就是640MB/s,同时在使用A型的接口时向下兼容。IEEE组织也批准了新规范IEEE1394-2008,不过新版FireWire的传输速度只有3.2Gbps,相当于USB 3.0的60%多一点。难怪苹果等业界厂商普遍对该技术失去了兴趣。

USB 2.0基于半双工二线制总线,只能提供单向数据流传输,而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线,故而支持双向并发数据流传输,这也是新规范速度猛增的关键原因。

Standard-A型公口、母口实物模拟图

Standard-A型公口、母口实物模拟图

除此之外,USB 3.0还引入了新的电源管理机制,支持待机、休眠和暂停等状态。

测量仪器大厂泰克(Tektronix)在上个月第一家宣布了用于USB 3.0的测试工具,可以帮助开发人员验证新规范与硬件设计之间的兼容性。

USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”,顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。预计支持新规范的商用控制器将在2009年下半年面世,消费级产品则有望在2010年上市。[1] 

1标准规范

传输速率

这款新的超高速接口的实际传输速率大约是3.2Gbps(即409.6MB/S)。理论上的最高速率是5.0Gbps(即640MB/S)。

数据传输

USB3.0 引入全双工数据传输。5根线路中2根用来发送数据,另2根用来接收数据,还有1根是地线。也就是说,USB 3.0可以同步全速地进行读写操作。以前的USB版本并不支持全双工数据传输。

电源

USB 3.0标准要求USB3.0接口供电能力为1A,而USB 2.0为0.5A。

电源管理

USB 3.0 并没有采用设备轮询,而是采用中断驱动协议。因此,在有中断请求数据传输之前,待机设备并不耗电。简而言之,USB 3.0支持待机、休眠和暂停等状态。

物理外观

上述的规范也会体现在USB 3.0的物理外观上。但USB 3.0的线缆会更“厚”,这是因为USB 3.0的数据线比2.0的多了4根内部线。不过,这个插口是USB 3.0的缺陷。它包含了额外的连接设备。

支持系统

Window8.1、Window8、上述的规范也会体现在USB 3.0的物理外观上。Windows Vista、Windows 7 SP1和Linux都支持USB 3.0。苹果最新发布的苹果Mac book air和Mac book pro也支持。对于XP系统,USB 3.0可以使用,但只有USB2.0的速率。

2外观特点

USB3.0与USB2.0外观区别,观察USB(本身)的插口和电脑上USB插口,中间的塑料片颜色:USB3.0——蓝色;USB2.0——黑色。当然,一些设备颜色区分并不规范,比如一些主控芯片支持的非原生usb3.0就有可能不是蓝色的,一些usb2.0的设备比如MP3,数据线等有可能是黑色或白色塑料片。

usb3.0

usb3.0

3影响

[2] 从USB 1.1的12Mbps升级到USB 2.0的480Mbps,提升幅度达到了40倍,而从USB 2.0标准升级到USB 3.0标准仅为10倍,但这10倍速度的提升却有着很大的应用意义,既然USB 3.0的数据传输率达到了4.8Gbps,要远远高于其他传输标准,比如IEEE 1394的数据传输通常为400Mbps~3.2Gbps之间,而号称“USB移动硬盘终结者”的新一代eSATA标准也仅有3Gbps的数据传输率。

USB 1.0

USB 1.0

实际上并非如此,因为IEEE 1394、eSATA有着自己的应用定位,IEEE 1394标准,它的最大数据传输速率为3.2Gbps,在速度上落后于USB 3.0,但提供了点对点传输功能,这样不用依赖PC即可实现设备之间的数据传输,同时支持同步和异步传输模式,可以连接63个设备,可以同时传输数字视频及数字音频信号,并且在采集和回录过程中没有信号损失,使得IEEE1394接口更加适合多媒体设备(如DV机、采集卡),这些都是USB 3.0标准无可比拟的。总体来看IEEE 1394接口的应用更专业、更自由,不过正是由于这些专业性以及厂商的推广力度不够,IEEE 1394设备的普及度不高,通常是一个设备同时拥有IEEE 1394接口和USB接口。

对于eSATA标准,它实际上是SATA接口的扩展,也称为外置式SATA接口,支持即插即用,但在功能上有很大的局限性,首先不支持供电功能,而且必须配合主板上的eSATA接口使用,这意味着无法摆脱PC的使用限制,一般只适合移动硬盘、便捷DVD光驱及电视盒等设备使用,对于时下流行的消费数码电子设备,就显得无用武之地了,因而在USB 3.0标准推出之后,eSATA是面临竞争压力最大的传输标准。但仍然要注意,由于eSATA源自主板上的SATA芯片,所以具备了引导启动功能,也就是说,电脑连接eSATA硬盘或eSATA光驱可以启动系统,而这是USB硬盘、USB光驱实现起来比较麻烦的,这对于系统维护、服务器在DOS数据下进行数据交换及其重要,不过对于普通大众来说,eSATA的地位和发展或许就此终结。

4速度

USB2.0为各式各样的设备以及应用提供了充足的带宽,但是,随着高清视频、TB(1024GB)级存储设备、高达千万像素数码相机、大容量的手机以及便携媒体播放器的出现,更高的带宽和传输速度就成为了必须。

480Mbps的传输速度可能都已经不算快了,更何况没有哪个USB2.0设备能够达到这个理论上的最高限速。在实际应用中,能够达到320Mbps的平均速度就已经很不错了。

同样,其实USB3.0同样达不到5.0Gbps的理论值,若只能达到理论值的8成,那也是接近于USB2.0的10倍了。USB3.0的物理层采用8b/10b编码方式,这样算下来的理论速度也就4Gbps,实际速度还要扣除协议开销,在4Gbps基础上要再少点。

新的“Superspeed USB”将比现有的USB2.0速度快10倍,USB3.0规范已经进入最后的完成阶段。USB推广小组主席Jeff Ravencraft称,Superspeed USB的最高传输速度将是USB2.0的10倍,最低传输速度达到300Mb/s.他将给闪存产品带来更高的速度,使用固态硬盘,如果接口从USB2.0升级到3.0,那么就是螺旋桨飞机到喷气式飞机的飞跃。Superspeed USB的线缆和端口将采用向下兼容模式,intel已经弃用之前光纤互连的方式作为传输方式,据了解,此举是节约成本,而USB3.0的速度也达到了“令人满意的效果”,而无需在这方面深入开发。USB3.0的接口分为两部分,一部分采用和USB2.0一致的针脚;另外增加了一系列电气接口供USB3.0信号传输使用。已有不少USB3.0的产品问世、比如USB3.0的移动硬盘、U盘、读卡器,等等。

我们说的5Gb/s,指的是位(bit),而不是字节(Byte)。由于8位等于1字节,就像你拉一条4Mbps的网线,理论下载速度只能达到512KB/S一样。同理,USB 3.0的理论数据传输速率是5Gbps/8bitt=640MB/s。

要达到512MB/s的理论速度,必须突破两个瓶颈:主板接口、存储介质。你兴冲冲跑到电脑城,买了个USB3.0的移动硬盘回来试,发现还是USB2.0的速度,这瓶颈很可能出在主板接口上。庆幸的是,Intel已经在最新的7系列芯片组中原生支持USB3.0,你也可以通过第三方USB3.0主控芯片来桥接出两个蓝色的USB3.0接口,从而解除主板速度瓶颈。

受限于硬盘的机械结构,主流的3.5寸7200转500G硬盘的内部传输速度不会超过150MB/S,2.5寸5400转500G移动硬盘的内部传输速度更低。所谓的USB 3.0优盘,速度瓶颈在于所采用的主控和FLASH芯片上。

抛开USB3.0的理论速度不谈,USB3.0接口产品的实际传输速度分别为:读速度为60MB/s到140MB/s,写速度为50MB/s到90MB/s。市场上很多所谓的USB3.0优盘、硬盘、其读速度比较快,但写速度可能很低。另外,如果移动硬盘是USB2.0接口,将其与PC机USB3.0接口连接传输数据,那么理论最大传输速率则是USB2.0的60MB/S。

2013年1月7日上午消息,USB3.0推广组织周日在美国消费电子展(CES)上宣布,第一批传输速率达到10Gbps的USB3.0设备将于2014年面市,此速度将较之现在的5Gbps快一倍之多。[3] 

5工作原理

USB3.0接口尺寸标准

USB3.0接口尺寸标准(3张)

USB 3.0之所以有“超速”的表现,完全得益于技术的改进。
  相比USB 2.0接口,USB 3.0增加了更多并行模式的物理总线。

可以拿起身边的一根USB线,看看接口部分。

在原有4线结构(电源,地线,2条数据)的基础上,USB 3.0再增加了4条线路,用于接收和传输信号。

因此不管是线缆内还是接口上,总共有8条线路。

正是额外增加的4条(2对)线路提供了“SuperSpeed USB”所需带宽的支持,得以实现“超速”。

显然在USB 2.0上的2条(1对)线路,是不够用的。

此外,在信号传输的方法上仍然采用主机控制的方式,不过改为了异步传输。

USB 3.0利用了双向数据传输模式,而不再是USB 2.0时代的半双工模式。简单说,数据只需要朝一个方向流动就可以了,简化了等待引起的时间消耗。

其实USB 3.0并没有采取什么鲜有听闻的高深技术,却在理论上提升了10倍的带宽。也因此更具亲和力和友好性,一旦SuperSpeed USB产品问世,可以让更多的人轻松接受并且做出更出色的定制化产品。

6先进之处

“SuperSpeed USB”改进远不止在传输速率方面的提升。在USB 3.0中,设备和电脑主机之间如何更加融洽的配合,也被当作了一项重点研究的方向。在继承USB 2.0核心架构的基础上,如何利用双总线模式的优势,如何让用户能够直接的体验到USB 3.0比USB 2.0的先进,便成为了重点:

需要时能提供更多电力

USB 3.0能够提供50%—80%更多的电力支持那些需要更多电能驱动的设备,而那些通过USB来充电的设备,则预示着能够更快的完成充电。

新Powered-B接口由额外的2条线路组成,提供了高达1000毫安的电力支持。完全可以驱动无线USB适配器,而摆脱了传统USB适配器靠线缆连接的必要。通常有线USB设备需要连接到集线器或者是电脑本身上,而高电能支持下,就不需要在有“线”存在了。

不需要时就自动减少耗电

转换到USB 3.0,功耗也是要考虑的很重要的一个问题,因此有效的电源管理就很必要,可以保证设备的空闲的时候减少电力消耗。

大量的数据流传输需要更快的性能支持,同时传输的时候,空闲时设备可以转入到低功耗状态。甚至可以空下来去接收其他的指令,完成其他动作。

其实,在USB 3.0中也并不是所有的东西都更新换代了,比如线缆的长度。当在某些应用中需要尽可能高的吞吐量的时候,往往线缆依旧会成为瓶颈。虽然在USB 3.0规范中,没有明确指定USB线缆有多长,但是电缆材质和信号质量还是影响了传输的效果。因此在传输数百兆大数据流的时候,线缆长度最好不要超过3米。

另外,一些支持“SuperSpeed USB”的硬件产品,例如集线器(hub)可能要比USB 2.0的贵很多,这是主动供电集线器和被动供电的一个道理。因为一个真正意义上的“SuperSpeed hub”应该具备2类接口,一个用来扮演真正“SuperSpeed hub”的角色,另外一个则要扮演普通高速hub的角色。

网络上有一些非官方的言论谈到了USB 3.0可以使用光纤,其实这正是USB规范组织正在考虑的问题,也许会在下一个修正版本中推出,也许会让一些有能力的第三方公司来尝试一下。[4] 

7USB3.0产品

USB 3.0相关的线缆,接口以及集线器等产品要在2009年下半年稍晚的时候推出,而支持USB 3.0的消费型设备也会紧随其后。而批量的外设产品推出则要到2010年。

来自微软的消息是,微软会从2010年开始逐步的推进USB 3.0设备的研发工作。

之所以没有大批量的厂商跟进,主要原因是开发相关USB 3.0的总线控制芯片以及设备产品需要时间,另外厂商也需要等待USB 3.0相关规范最后杀青,厂商才能放心的去进行设计。

从原型产品到评估版再到最后的开发版,拿到厂商手里再去做研发已经耽误了一定的时间,因此不会看到第一版的规范一出来就出现一夜之间普及的态势。市场的接受和采纳度还是需要逐步展开的。

硬盘座

由于HDTV高清影片片源的日益丰富,时常要进行大容量的数据拷贝传输,因此插拔式硬盘座或者抽取式硬盘盒等产品应运而生,方便了消费者进行拷贝或者传送数据。SATA HDD DOCKING STATION,其最本质的作用就是将2个 3.5和2.5的SATA硬盘转换为USB3.0接口(向下兼容USB2.0),以此提升其读写速度。作为一款外置转换产品,对于那些有特殊需求的用户以及玩家来说的确是非常不错的选择! 其市场上代表产品主要是orico硬盘座

硬盘盒

usb3.0硬盘盒,不管您是台式机电脑使用者,还是笔记本电脑使用者,您都可以购买一个或是多个3519系列外接盒,一方面它可扩充原本计算机不足的硬盘空间,更重要的是您可以使用3519外接硬盘盒系列作为备份数据的工具。当然,您也可以用来存储各种高清电影,大容量文件!

磁盘阵列

ORICO 3559是该系列最顶级产品,支持5块3.5寸SATA串口硬盘,支持容量高达5*3TB=15TB,具备多种RAID模式;产品提供USB3.0、eSATA、USB2.0、1394火线接口等多种丰富的超高速输出接口(不同型号的产品接口不同)。支持最新的超高速USB3.0接口技术,理论最大传输速度可达5.0Gpbs,同时向下兼容USB2.0,1394接口更是可以直接配合苹果等其他具备1394高速接口的设备使用。ORICO 3559具备丰富而高速的接口以及便利的机构设计!独有的专业的电路保护+硬盘智能休眠+风扇智能温控调速,可以确保机内硬盘稳定运行,让您的数据更安全。非常适合发烧友、专业人士、普通用户、中小企业、商务人士使用!

HUB

ORICO H7928-U3 USB3.0 7口 HUB,可以让您连接外设超乎寻常地灵活,无论您身在何处。配有七个 USB 3.0 端口,它可轻松实现最快高达 5Gb/s 的 USB 3.0 速度!它还兼容 USB 2.0,可用于几乎所有计算机、笔记本甚至上网本。您可以使用它非常方便地连接各种USB 3.0移动硬盘以及各种外接硬盘盒,(如ORICO热卖的7612sus3免工具硬盘盒)使用ORICO h7928可以给您最舒适的使用并可以体验到H7928 USB 3.0 HUB给您带来的方便,性能,速度、灵活性和兼容性 — 融于一体的HUB! ORICO H7928-U3 USB3.0 7口 HUB,出色的性能,良好的做工将是您最佳的选择!

8操作系统

Windows Vista/7/8

开源系统方面, Linux明确的表示支持USB 3.0,前提是扩展主控制器界面(xHCI)规范正式发布。非公开版本号为0.95,还是一个待定的草案。

苹果方面,在2012年中发布的新机已全面改用USB 3.0接口。

至于对Firewire信号是否存在干扰问题,还不得而知,但是不管怎样,苹果需要去支持“SuperSpeed”,如果所有人都看好这个接口标准的话。

起初,在USB 3.0的支持方面,不管是操作系统还是设备,肯定不会一步到位。初期会简单的在小型设备上试用,然后存在这样那样的问题,并且还不会全面发挥USB 3.0的优势。不过,随着时间的推移,这些都会逐步的完善起来。

9应用

简单说,所有的高速USB 2.0设备拿到USB 3.0上来只能会有更好的表现,至少不会更加的糟糕。

这些设备包括:

外置硬盘 - 在传输速度上至少有两倍的提升,更不用担心供电不足的问题了;

高分辨率的网络摄像头、视频监视器;

视频显示器,例如采用DisplayLink USB视频技术的产品;

USB接口的数码相机、数码摄像机;

蓝光光驱等。

另外,最常用的读卡器设备,尤其是当设备中同时使用多种类型的闪存卡,或者是读卡器连接到USB Hub上,而USB Hub上又有多个读卡器的时候,那种传输速度简直是难以忍受的折磨。

USB 3.0则提供了更多的空间,来解决这样的问题,提供5-10倍的带宽不是问题。

还有一点是可以预见的,理论上每秒4.8Gb的传输速度,足以让USB侵入到以前从不敢涉猎的范围,例如磁盘阵列系统。

10技术解析

随着Vista操作系统、高清视频和DX10的逐步普及,大容量、高速的数据传输越来越多,对带宽的需求也越来越高,原来的USB1.1和USB2.0已无法满足未来的需要。2007年底开始,英特尔公司和惠普(HP)、NEC、NXP半导体及德州仪器(Texas Instruments)等公司共同开发USB3.0技术,USB3.0技术主要应用于个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。

USB 3.0具有后向兼容标准,兼容USB1.1和USB2.0标准,具传统USB技术的易用性和即插即用功能。USB3.0技术的目标是推出比USB2.0快10倍以上的产品,采用与有线USB相同的架构。除对USB 3.0规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外,USB 3.0的端口和线缆能够实现向后兼容,以及支持未来的光纤传输。

USB3.0将采用一种新的物理层,其中,用两个信道把数据传输(transmission)和确认(acknowledgement)过程分离,因而达到较高的速度。为了取代USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制,新的规格将采用封包路由 (packet-routing)技术,并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输。新的链接标准还将让每一个组件支持多种数据流,并且每一个数据流都能够维持独立的优先级(separate priority levels),该功能可在视讯传输过程中用来终止造成抖动的干扰。数据流的传输机制也使固有的指令队列(native command queuing)成为可能,因而能使硬盘的数据传输优化。

为了向下兼容2.0版,USB 3.0采用了9针脚设计,其中四个针脚和USB 2.0的形状、定义均完全相同,而另外5根是专门为USB 3.0准备的。

标准USB 3.0公口的针脚定义,白色部份是USB 2.0连接专用针脚,而红色部分为USB 3.0专用。

标准USB 3.0母口的针脚定义,紫色针脚为USB 2.0专用,红色为USB 3.0连接专用。

USB 3.0线缆如果不算编织(Braid)用线,一共是8根,值得注意的是,在线缆中,USB 2.0和3.0的电源线(Power)是共用的。

Mini USB 3.0接口分为A、B两种公口(Plug),而母口(Receptacle)将有AB和B两种,从形状上来看,AB母口可兼容A和B两种公口,3.0版公口的针脚是9针。

11系统上市

Ravencraft指出一些便携式摄像机保存250Gbyte的数据,甚至一些MP3播放器和手机都增长到内置8到16Gbyte的闪存。 同期于USB 3.0的发布,PCMCIA组织宣布PC设备上的ExpressCard标准的2.0版本,该标准提供比ExpressCard 1.2标准快10倍的传输速率,而且同时支持Express 2.0和新的USB 3.0协议。 “ExpressCard技术与Express和USB规范很相近,而2.0标准的发布充分利用了这两种接口技术进步的优势,”PCMCIA主席Brad Saunders表示。

12前景

USB接口为何流行?USB鼠标、USB键盘、USB摄像头、USB打印机、USB……接触电脑的人就不可能不接触到USB这种大众到极点的接口,但并非所有人都了解USB接口,而正是这种融入生活的忽略从一个侧面验证了USB的成功——我们已经把它当做自然而然理应存在的东西。

很少有人会去考虑一个小小的USB接口标准为什么会成功,USB在刚诞生时的传输速率是最高的吗?显然不是,但USB接口却绝对是最多巨人力挺的——Microsoft和Intel等等行业领头人都对USB青睐有佳(最直接的例子就是Intel将USB控制器直接做到了其ICH南桥芯片当中),而世界上使用Intel和Microsoft产品的用户不说100%也起码有60%以上,而USB成功推广的最重要原因正在于此。

与USB同时期推出的IEEE 1394接口则没有这么好的待遇了,虽然IEEE 1394的理论传输速率比USB要高(IEEE 1394是目前传输速率最快的串行总线),但由于缺少了设备端厂商的支持而完全没有USB那般的普及程度。

我们往往看到这样的情况:一款主板上往往拥有多达六个USB接口而却没有一个1394接口。虽然1394的普及度存在极大问题,但它依然是影像领域不二的传输方式。

有了Intel和微软这些大公司的支持,USB自然是风生水起、不停壮大,但IT行业的规则就是不进则倒,因此21世纪初至今USB也经历了从1.0到2.0的技术革新,现在USB 2.0的理论最高传输速率已经达到了480Mbps以上(当然在实际的应用中我们很难达到这个数据),看起来这个数据很吓人,但计算机的存储硬件却也同时在不断进步着。看到动辄以TB计算的磁盘容量,和动辄以10GB为单位的蓝光视频源,我们不禁苦笑——USB 2.0已然捉襟见肘。

好在固步自封这个词已经成为行业禁忌,USB 3.0标准也于08年出台,新的USB 3.0标准能够提供比之前USB 2.0多出10倍以上的传输速率,这俨然已经是串行标准中的顶级水准了。

  1. 0更高的传输性能提供了更快的数据转换能力,高性能外置显卡成为可能,这意味着游戏爱好者们甚至可以在任何计算机上享受同样的显示待遇,实际上华硕在USB 2.0接口的基础上就已经研发出了这样的产品,而在USB 3.0的支持下,这一产品概念应该会得到迅速落实,毕竟有需求就有市场。

当然了,还有USB连接的显示器也将成为可能,甚至更夸张一些,外置CPU都有可能出现在未来USB 3.0的平台基础上,而各大公司的全力支持则让USB 3.0几乎不存在任何普及方面的问题,或许唯一要考虑的就是价格了……

13USB发展

USB ,是英文Universal Serial BUS(通用串行总线)的缩写, 而其中文简称为“通串线,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯. 从1994年11月11日发表了USB 0.7版本以后,USB版本经历了六年的发展,已经发展到了2.0的版本。它才得到广泛的普及应用。

早期的USB版本,在推出时普遍不遭到重视。其最大的原因是:当时的主板结构是以Baby-AT板为主,USB功能接口在许多主板上都是一种可选择的功能,有些主板制造商在主板上提供了4X2或5X2的USB针脚接口,而更多的则为了节省成本,连USB针脚接口都省掉了。另外,在BIOS固件方面也缺乏支持――当时很多主板都是只提供有USB连接针脚接口,而主板的BIOS没有真正支持USB。这样,很多用户为了使用USB,只有通过升级主板BIOS的方法,将主板BIOS刷新到能支持USB功能的BIOS才行。

这种情形一直延续到ATX主板结构的诞生。不过一开始的ATX主板在支持USB的方面还不是很好。因为一般ATX的设备连接口都设计成一层的高度,其所能使用的接口空间都给传统的串行通讯接口和LPT打印机占用了,根本没有余地留给USB接口,所以当时如果要想使用USB接口的话,还得使用USB转接卡,通过连线与主板上的USB针脚接口相连才能得以实现。不过后来ATX主板的Back Panel设计成了二层,终于使USB接口在主板上有了安身立足之处,无须再通过外接USB转接卡了。

1999年初在Intel的开发者论坛大会上,与会者介绍了USB 2.0规范,该规范的支持者除了原有的Intel、Microsoft和NEC等成员外,还有惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。USB 2.0向下兼容USB 1.1,传输率将达到480Mbps,还支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。

14发展趋势

前言

USB技术的推出,可能是近代来计算机技术最重要的发展,因为USB的出现让IT产业的接口产生很大的革命,后来的影响不仅在IT产业,连消费性电子产业也到处可见USB的接口,因此USB的成功是无庸置疑的。除了在个人计算机、笔记本电脑、小笔电都是100%的标准配备外,我们也可以轻易在手机、LCD TV 、打印机、复印机等消费性电子产品上发现USB的踪迹,笔者甚至看过连瑞士小刀上都有USB界面,由此可知USB真是无所不在。就这一点,我们不得不佩服Intel与Microsoft在IT产业强大的影响力,在这两家厂商的联手之下,USB硬是把另一个接口-1394给比下去,成为主导IT设备与消费性电子产品通讯接口的标准。

虽然USB目前有很高的应用范畴与Installation base (估计自1996推出USB 1.0规格,已有60亿的installation base,而且以每年20亿的数目持续增长),但是当初USB-IF规划USB的规格时并未很有规划的将USB接口的技术蓝图整个揭橥于世,并未像后来的SATA-IO于2001年规划SATA的技术发展蓝图时,一开始就将SATA 分为1.5 Gbps、3.0 Gbps与6.0 Gbps三个世代(请参考表1之比较表),感觉上比较像是在且战且走;所以自2000年推出USB 2.0规格后,虽然将USB 2.0的带宽大幅从12Mb/s提升至480Mb/s,但是我们都知道IT产业的发展定律是带宽永远不嫌多,储存容量也永远不嫌多,所以很快的大家就觉得USB 2.0已经不敷使用,也因此一直有公司力主要持续推出USB 3.0的规格,但是这些声音也仅止于大家的讨论,USB-IF一直未正式回应是否有USB 3.0的规划,一直到2007年9月18日在美国举办的IDF, Pat Gelsinger说明了USB 3.0的规划,USB 3.0的发展才确定下来。

3.0背景

当初USB-IF在1994年规划USB技术时,因为将其定位在较低速的周边界面,所以带宽仅订在1.5Mb/s(Low Speed)与12Mb/s(Full Speed);其中Low Speed主要用于人机接口装置(Human Interface Devices,HID)例如键盘、鼠标、游戏杆,High Speed主要用于大量数据传输的需求,这就是USB 1.0的规格,并于1996年正式公布此一规格。当USB 1.0相关产品陆续上市后,随着使用USB的数量越来越大,市场上也发现关于USB 1.0规格的问题,所以USB 1.1的规格在1998年正式公布,修正1.0版已发现的问题,其中大部分是关于USB Hub的项目。

虽然自USB 1.1规格公布后,USB接口规格算是逐渐完整,但是与IEEE 1394比较起来,在传输效能上就完全被比下去(请参考表2之比较),也正因为如此,在USB接口设备不断地被广泛应用后,许多的装置,如视频会议的CCD,或是像nand flash随身碟(U盘)、外接式硬盘、光盘刻录机、扫描仪、卡片阅读机便成为USB界面的一个非常流行的应用。随着市场上厂商与消费者对USB产品的接受度越来越高,希望USB传输效能可以更好的呼声也越来越大。因此在这样的背景之下,USB-IF开始着手USB 2.0规格的制定,并于2000年正式公布USB 2.0规格。在USB 2.0规格中,最重要的是增加更高的数据传输速率 480 Mbps (又称Hi-Speed),USB规格至此确立了3种数据传输速率,并维持至今,3种速率分别是:

● 1.5Mbps(Low Speed)

● 12Mbps(Full Speed)

● 480Mbps(Hi-Speed)

正如前言所提,在USB 2.0规格推出后,的确暂时解决了带宽落后IEEE 1394的问题,但是随着USB的应用范畴越来越广,与其他界面技术的不断的进步之下,当然更重要的是-档案的容量也越变越大,尤其是影音数据,所以USB 2.0的窘境也益加明显。这其中又以Nand Flash随身碟产品、硬盘外接盒产品及卡片阅读机(CardReader)产品影响最大。我们分别简述如下:

Nand Flash随身碟产品

虽然USB 2.0 Hi-Speed的数据传输速率是480Mpbs,也就是理想状况下应该为60MB/s,但是在Windows based操作系统下,由于default driver的限制,实际的效能大约为30MB/s~35MB/s,与60MB/s有一大段距离,然而以前Nand flash的效能也不够好,从来也用不到30MB/s的USB 2.0带宽,所以也相安无事;但是随着Nand flash技术不断的进步,与RAID 0架构(Data Stripping)导入Nand flash产品设计,Nand flash产品的带宽需求已超越USB 2.0 Hi-Speed所能提供的30MB/s。例如以SATA 接口为主的SSD(solid state disk)产品,sequential read的效能都以超越100MB/s,更显出USB 2.0 Hi-Speed效能的不足。所以不论是高速的大拇哥产品(大陆称为U盘)或SSD都迫切需要更高速的USB 3.0提供更好的效能。虽然SATA接口可以符合SSD的需求,但是USB有提供bus power的优势,这是SATA或eSATA所无法媲美USB的地方。

硬盘外接盒产品

除了Nand Flash随身碟产品外,硬盘外接盒也是外面的水管比里面的水管小的状况。由于USB 2.0 Hi-Speed在Windows base OS之下,仅有30MB/s的效能,而硬盘内部的传输速率至少有60MB/s,所以这样的差距相当的大。以前档案容量还不太大的时候,消费者还勉强可以忍受,但是各种影音数据动辄数GB以上,BD影片数据更是50GB以上,如果还用USB 2.0 Hi-Speed拷贝数据的话,那么真的会令人捉狂(请参考表3)。所以随着硬盘外接盒出货量年年维持25%以上的年复合增长率之下,提供一个更高效能且普遍性高的接口,是刻不容缓的事情。

卡片阅读机产品

与Nand Flash有密切关系的memory card,也面临与nand flash类似的问题;以前的记忆卡,速度还不够快,但是随着新的记忆卡规格的推出,如SDXC,最高可达150MB/s的传输速率,当然不是USB 2.0 Hi-Speed所能满足的,也因此USB 3.0对高速的记忆卡而言,是非常重要的里程碑。

正如上述产品效能的压力,各界对USB 3.0的需求也愈来愈高。在各界千呼万唤之下2007年9月18日,Intel于IDF上正式宣布USB 3.0的规格将计划于2008年推出,也宣示了USB 3.0的主要应用范围(请参考图1),正式响应了广大消费者对更快速传输接口的需求;Intel并称USB 3.0最高传输效能为SuperSpeed,有别于传统的Low Speed、Full Speed与Hi-Speed。经过了一年的时间USB-IF终于在2008年11月18日正式对外公布了USB 3.0的规格,宣告了USB另一个崭新时代的来临。

USB3.0规格

当初规划USB 3.0的规格时,最重要的就是要解决数据传输速率过低的问题,因此在规划USB 3.0 SuperSpeed架构时,采用新的物理层(PHY)是无可避免的事情,因此从PCIe与SATA等高速IO移转经验是再自然不过的考虑。然而USB-IF还是坚持backward兼容性的问题,所以USB 3.0的规范主轴,包含了以下各点:

● 比既有的USB 2.0 Hi-Speed快10倍以上的传输速率。

● 完整考虑向后兼容性问题,包含既有的Class Driver都可以在新的组件上正常工作。

● 相同的USB device model,这包含了PIPE model、USB Framework与Transfer type。

● 电源管理的效率,在新规格中,提供了更好的电源效能的管理,特别是在Idle的状况之下,另外也为了取代USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制,提供更佳的电源管理效能。

● 架构与技术的延伸性,为了增加技术的scalability,在通讯协议上的规划都已考虑有效率的Scale up and Scale down的问题。

USB-IF在上述前提之下,采用了PCIe的主要PHY架构,以5.0 Gbps为USB 3.0 SuperSpeed的数据传输速率,在传输编码技术的选择上,导入广为在其他高速串行传输技术所采用的8b/10b编码技术,以提高传输位的辨识率并且降低高频信号的电磁干扰。在向后兼容性上,为了与USB 2.0 Low Speed、Full Speed与Hi-Speed共存,采用了Dual-bus架构的设计(请参考图2),在通信协议上,如上述所提,新的规格采用一种封包路由(packet-routing)技术,并且仅容许终端设备有数据要发送时才进行传输,取代USB所采用的轮流检测(polling)和广播(broadcast)机制,这也与SATA Asynchronous notifications有异曲同工之妙。在cable connector方面,USB 3.0新增了5个触点,两条为数据输出,两条数据输入,采用发送列表区段来进行数据发包,新的触点将会并排在4个触点的后方。USB 3.0 bus power标准为900mA,并将支持光纤传输。这也就是SuperSpeed技术的雏型(参考表4)。

有关Cable Connector,USB-IF在制定新规格时,同时考虑了技术与市场的平衡点,这些因素包含了:

● 必须能support 5.0 Gbps的数据传输

● 可完全维持与USB 2.0的兼容性

● 将cable & connector的form factor改变控制在最小范围

● EMI防护的问题

● 维持USB容易使用的传统

因此CableCon就在这样的指导原则下订出Stand A、Stand B、Micro B与Micro AB的CableCon规范,USB-IF巧妙的将USB3_TX+、USB3_TX-、USB3_RX+、USB3_RX-与GND导入新的CableCon之中(请参考图3,4,5),并透过Double-Stacked connector的support,让USB 2.0可与USB 3.0共存。

不过在这里提醒各位,Stand A是完全可以USB 2.0与USB 3.0互相连接没有问题(这意谓着你可以把USB 2.0 Stand A Cable插入USB 3.0 Stand A connector,也可以把USB 3.0 standard cable插入USB 2.0 Stand A connector),但是Stand B与Micro B就没有办法这样,但是至少所有旧的线缆都可以插入新的接口,而旧的设备上的接口,无法支持新的线缆(典型案例,市面上已知和未知的大多数手机的连接口均为USB2.0 Micro-B,至少你可以用之前的连接线接入3.0接口,但是新的3.0线缆是无法支持的[5] )

挑战

High Speed Serial Link 产品(如USB、Serial ATA与PCI Express)的发展,已由主板应用出发,逐渐衍生更多应用于外围与消费性电子产品,进入百家争鸣的情况。然而不论是芯片供货商或系统厂商,都面临益形复杂的设计挑战。这些新挑战包含了:

● 更高的芯片设计进入障碍:与纯数字IC设计相比,High Speed Serial Link从480 Mbps、 1.5 Gbps、2.5 Gbps、3.0 Gbps至5 Gbps与6 Gbps,一次又一次的考验IC设计公司在模拟设计与mixed-mode的能力。这也是为什么台湾只有少数公司能提供从Serial ATA到PCI Express与USB 3.0完整的产品与IP解决方案。

● 为系统厂商考虑Design Margin问题:对于系统厂商而言,采用一颗IC上自己的系统产品,最担心的是PCB Layout的design margin过小或是design rule太过复杂。因此IC设计公司必须为系统厂商考虑到这些设计上的问题,也加深了高速IO芯片设计的难度。

● IC量产良率:由于高速IO有物理层(PHY)部分的设计,因此对于IC良率的影响甚为重大,通常将PHY包入SoC内,往往是量产良率最大的杀手。所以如何透过模拟设计design margin的综合考虑,维持量产良率,对IC设计公司而言是相当大的挑战。

● IC量产测试方法:通常480MHz以上,往往需要使用较贵的测试机台;但是如果厂商能使用较便宜的测试机台,完成高速IO的相关测试,那就是相当重要的know how,对于IC的成本也有很的的帮助。

● 兼容性议题:USB兼容性问题,众所周知,所以才有USB-IF logo验证制度的产生。USB 3.0 logo certification program尚未完成,因此如何克服硬件兼容性的问题,是相当据挑战性也令人感到繁琐的问题。

结束语

今日的电子信息技术日新月异,在PC interface的发展也由传统的并列传输方式,演进至高速串行传输。新的规格与新的技术,也带来新的设计挑战。除了USB 3.0的规格正式问世之外,SATA 6.0 Gbps 的规格也正式问世,相关的产品也将陆续于个人计算机、笔记本电脑上出现,配合已经问世且逐渐成为主流的Gigabit Ethernet,高速Serial Link的技术俨然已成为驱动计算机市场持续增长的动力。

15首扩展卡

介绍

这一块USB 3.0扩展卡来自国外品牌ACASIS阿卡西斯,做工相当豪华。(ACASIS阿卡西斯为国际品牌,和NEC等上游半导体厂商建立起良好的合作关系,并在深圳设立公司及生产线)

USB 3.0的最大改进在于大幅度提升传输速度,它的传输速度达到了5Gbps,也就是625MB/s,同时在使用A型接口时向下兼容原有的USB 2.0和USB 1.1等。最早的USB 1.0规范出现在1996年,传输速度仅为1.5Mbps。1998年,USB 1.1规范诞生,速度提升到了12Mbps。到了2000年4月,

我们广泛使用的USB 2.0规范诞生,速度提升到了480Mbps,为USB 1.1规范的40倍。

USB3.0扩展卡

USB3.0扩展卡(2张)

USB3.0的主要优势在于高速:5Gbps(USB2.0的速率为480Mbps)、全双工(数据同时双向传输)。

USB3.0技术将支持铜线和光纤、无线传输。

USB 3.0在应用层上至少能达到300MByte/s的数据吞吐量。

它使用5个端口连线(两个用于发送,两个用于接收,一个是地线)来实现全双工从而达到5Gbps的物理层速率,USB产品采用两线,半双工的架构。外观上Type-A的接头没有改变,但内部有5个连线来支持全双工,新的连接器兼容旧的插口。

可以看出一个耗完电的电池接上后不久就可以恢复电力。

点评:虽然暂时还没有采用USB 3.0规范设备,但作为目前全球采用最为广泛的接口,我们有充分理由看好USB 3.0的市场前景。无论是数据传输还是电力供应,USB 3.0都比当前流行的USB 2.0更有优势。另据悉,ACASIS阿卡西斯即将推出采用USB 3.0规范的移动硬盘等外围设备。

参数

产品类型:数据传输卡

接口、转接类型:USB 3.0

扩展卡传输速率:5Gbps

产品概述:它采用PCI-E 1×总线设计,采用了一颗NEC D720200F1控制芯片,提供两个USB 3.0扩展接口。扩展卡采用绿色PCB,并采用了大量贴片电容和电阻。

16标准

由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0,Promoter Group在2008年11月17日宣布,该组织负责制定的新一代USB3.0标准。制定完成的USB 3.0标准已经移交给该规范的管理组织USB Implementers Forum(简称USB-IF)。[6] 

在USB开发者会议上,广泛采用的USB接口引来了新的3.0官方版本,会议上一些厂商希望采用该新标准的产品能达到400Mbyte/s。

USB 3.0在应用层上至少能达到300Mbyte/s的数据吞吐量。新规范与前代版本兼容,然而新接口需要新的线缆和连接器,而且传输距离被限制在3米,而USB产品可以支持5米长的线缆。

  1. 0标准,也被称作是超高速USB(SuperSpeed USB),在一些特性上是独一无二的。它使用5个端口连线 - 两个用于发送,两个用于接收,一个是地线 - 来实现全双工从而达到5 Gb/s的物理层速率,USB产品采用两线,半双工的架构。

粗略来说,新的USB 3.0芯片需要两倍于原来的门数和三倍于以往的功耗,在会议上演示一款USB 3.0芯片的Symwave公司的市场副主席John O'Neill表示。

但是,受益于其较高的速率,USB 3.0在每Gbit数据传输的功耗低于规定的标准,John补充道,“另外,因为增强的协议,在主机(host)端处理器运算会得到减轻,从而整个系统的功耗在mW/Gbit的基础上还会有降低。”

另外,3.0版本在链路上采用了中断驱动,而不是轮检方法,这样进一步降低功耗。通信采用点对点的链路,而不是像对所有连接的器件采用广播数据的方法。

规范还将链路电流从500毫安提高到900毫安,这样采用USB充电速度会更快。可以看出一个耗完电的电池接上后不久就可以恢电量。

愿意签署USB接受协议的客户可以下载新的标准。

新系统2010年上市

USB应用论坛的主席Jeff Ravencraft表示,“我们预测主机和控制器产品会在2009年中陆续进入市场,基于那些器件的系统产品会在2010年初上市。”

该连接希望能扩展更多的应用,最初是想象比如大的视频文件的传输,长期来说,希望能在大范围的系统上进行替代,特别是日益增多的闪存和磁盘存储。

采用新标准的卡将在2010年上市,可能会包括支持固态存储驱动的6Gbit/s SATA接口的适配器,和用于传输视频流的USB 3.0适配器。

超过400个人想参与那个USB 3.0会议,Synopsys在该会议之前宣布将提供USB 3.0控制器和物理层器件的硅IP。

Symwave已经发布了一款USB 3.0物理层器件,Quasar物理层会在展会上得以展示。

USB 3.0开发者小组包括超过200家公司,全球已经有100亿颗USB器件售出。

USB 3.0图标

USB 3.0图标

“2007年一年就出货了26亿个USB端口,USB 3.0的市场机会将会大大挤压其他有线接口技术的空间,”In-Stat高级分析师Brian O'Rourke在一个发布会上表示,“预计USB 3.0从2009到2012的平均年度增长率将达到100%,在2012年达到五千万的出货量。”

17射频干扰

Intel的一篇白皮书《USB 3.0 Radio Frequency Interference Impact on 2.4 GHz Wireless Devices》中即清楚地指出,USB3.0在使用时,会在2.4G频段增加约20dB的噪声,造成对2.4GHz ISM频段的射频干扰。这种干扰会降低无线接收的灵敏度,进而缩减收讯范围,足以影响干扰无线设备(无线网卡、无线鼠标及无线耳机等)的正常使用。实际上,USB3.0的扩频处理导致其频谱从0Hz一直盖到5GHz。经Intel测量,干扰功率随频率下降,在2.4G频段约有-60dBm,到5G频段只有-90dBm。同时文中还指出,当这频段的射频接收器放得愈靠近USB 3.0装置或连接器,干扰的状况就愈明显[7] 。

很可惜的是,这个由USB 3.0高频通讯所产生的噪讯是一种宽频噪讯,因此无法被过滤消除,而且刚好落在常用的2.4-2.5 GHz的频段范围。Intel建议的解决方式是对USB 3.0连接器及周边装置进行遮蔽设计,做得愈彻底,效果愈好。此外,无线天线放得离USB 3.0连接器及装置也要愈远愈好。

对于这样的设计参考建议,USB 3.0及NB/PC业者感到相当「无言」。举例来说,当USB 3.0硬盘和无线鼠标的接收器要一起使用时,无线鼠标的接收器最好要用延长线接出来到够远的位置,才能顺利使用,这种作法实在很难说服消费者去接受吧。