USB 2.0產品認證測試的除錯考量：不僅僅是數位的問題應用手冊 1382-3

作者：Gregg Buzard /任職於 FuturePlus Systems；

Bryan Kantack /任職於安捷倫科技

這本應用手冊的訴求對象

從事與 USB 應用/技術相關之電腦

系統及週邊裝置開發工作的數位設計人

員。

前言

個人電腦（PC）必須更簡單更容易

使用，而且不能犧牲連線和擴充能力，

是大家長久以來的共識。 1995年首度開

發出來的通用型序列匯流排（USB）在

當時就已經定位為一種低成本的外接擴

充匯流排了，目的是要讓增加週邊裝置

到個人電腦中的過程，就如同將一部電

話機插到牆上的電話插孔中一樣地簡

單。其終極目標是要建立一個"隨插即用

"的環境，只要所有的裝置都遵守 USB

的類別定義，作業系統就能支援這些裝

置。以下是 USB外接擴充架構的幾項要

點：

• PC主機端要有控制硬體和軟體。

• 要有堅固耐用的連接器和接線組件。

• 對週邊裝置來說很容易設計的主-從式通訊協定。

• 可利用多埠集線器來進行擴充。

過去，週邊裝置、集線器和主機通

常可以全速（ 1 2 M b / s）或低速

（1.5 Mb/s）來運作，這樣的速度對於滑

鼠或鍵盤等人機介面裝置已經很足夠，

但對下一代的裝置來說卻相當侷促，例

如：高解析度印表機和掃描器、視訊會

議攝影機、以及可讀/寫（R/W）DVD光

碟機的高密度儲存裝置等，於是又發展

出高速 USB，將資料傳輸速度提高為全

速 USB的 40倍，達到每秒 480 Mb。

USB 2.0正是支援低速、全速和高速等三

種傳輸速度的新版 USB規格。 USB 2.0

標準是依據 USB 1.1發展而來，與 USB

1.1相容，使用相同的傳輸線、連接器和

軟體介面，因此消費者在使用新機種的

時候，不會看到任何的不同之處。

目　　錄

前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

USB的演進 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

信號精純度的重要性 . . . . . . . . . . . . . . . . .3

留意細節以預防電流的變動 . . . . . . . . . . .4

資料整合度的驗證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

工具的整合就是一種簡化 . . . . . . . . . . . . .6

USB 1.1和 2.0的分析測試棒 . . . . . . . . . . .7

支援、服務及協助 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

相關的參考文件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

要瞭解 USB演進到 2.0版的不同之

處，需先說明 USB 系統的幾個主要構

件：主機、集線器和週邊裝置。位在主

控端個人電腦上的 USB軟體可為應用程

式提供一個具有一致性的輸入/輸出（I/O）

系統，同時管理週邊裝置連接和移除的

動態狀況（稱為列舉（enumeration））。

在執行階段，主控端的個人電腦會對特

定的週邊裝置發出交易請求（transac-

tion），接著，每個收到交易請求的週邊

裝置會接受該項交易請求，然後依請求

做出適當的反應。主控端個人電腦上的

軟體也可以將週邊裝置納入系統的電源

管理規則中一併管理。

USB集線器可以連接額外的 USB週

邊裝置、提供經過管理的電源給所連接

的週邊裝置、以及偵測動態的週邊裝置

插拔狀態。 USB集線器最多可以串接五

層，在執行期間，集線器就像是一個雙

向的信號中繼器，可在需要的時候，將

往上傳（朝主控端的方向）或往下傳

（朝週邊裝置的方向）的 USB信號接收

下來，隨即重新送出去。

所有的 USB 週邊裝置都是受控裝

置，需要遵循規定的通訊協定，也必須

對主控端個人電腦送出的交易請求做出

反應。週邊裝置與主控端主機之間使用

標準的 USB 資料格式來發送和接收資

料，這種送入主控端 PC或從主控端 PC

送出的標準化資料移動方式，以及由週

邊裝置進行解譯的機制，只需將主控端

PC 上的軟體稍做改變，就可以讓 USB

系統具有很大的彈性。

USB 2.0是從先前的 USB 1.1規格演

進而來的新版本，具有更高效能的介

面。三種速度都可在高速 USB系統中一

起運作，如圖 1所示。目前使用的低速/

全速連接器和接線不必做任何的改變，

即可直接支援更高速的 480 Mb/s。在圖

1中，高速的連結是透過根集線器（root

hub ，在主控端個人電腦內）和外接的

高速（HS）集線器，以及外接的高速集

線器和視訊會議攝影機（一個高速的

USB週邊裝置）之間，自動協商後建立

起來的，所有其它的連結則是使用全速

USB的資料速率。外接的高速集線器可

支援其下傳資料埠以三種資料速度的任

何一種進行連結，而高速 USB集線器的

每一個下傳資料埠都能支援任何速度之

USB裝置的動態插拔事件。

雖然高速 USB的資料傳輸速率可以

滿足需要極大頻寬之週邊裝置的需求，

但也會帶來除錯上的種種問題。如果方

波不會變成許多討厭的正弦波，那麼它

就是一個純數位的世界，設計工作也會

變得容易許多。在令人懷念的低速 USB

時代，信號的傳輸速率只有 1.5 Mb/s，

而現在 480 Mb/s的高速資料速率會產生

許多類比效應，因此需要用到射頻（RF）

甚至微波設計的技巧，使得信號精純度

（signal integrity）對每個設計而言，成了

非常重要的部份。不僅如此，光是數位

的部份（或資料域）也會產生一些可能

影響設計的問題：裝置間的互動、多重

速度的資料流、以及大量的資料等。由

於類比和數位會相互影響，因此高速

USB裝置的設計人員在進行設計結果的

除錯、驗證及特性量測時，必須做全盤

的考量。

測試過程的第一步是將硬體通上電

開機，此時可以利用示波器來檢閱傳送

出來和接收到的基礎類比信號。幾項主

要的類比量測需要加以檢測，這些項目

也是最後的認證測試需要進行的。 USB

2.0的全套量測包括信號精純度、湧現電

流（in-rush current）、信號衰減、信號下

垂（droop）及其它多個項目。

2

High-SpeedUSB Hub

Full-SpeedUSB Hub

480 Mb/s

480

Mb/

s

12 Mb/s

12 M

b/s

12 Mb/s

12 M

b/s

USB的演進

圖 1. USB系統可以同時管理三種不同的資料傳輸速率。

第一項要進行的硬體測試是使用一

台示波器來查看 D+和 D-兩條信號線，

如圖 2所示，以驗證這兩條信號線上的

信號是否合乎 U S B 設計人員論壇

（USB-IF）組織所訂的電氣測試規格。

使用一台示波器來執行含有 USB-IF 測

試程式的 The MathWorks MATLAB®分

析軟體，即可完成這些規定的測試。此

系列量測的目的是為了測試信號的品質

（包括 EOP（資料封包結束）寬度、測得

的信號傳輸速率、串感（crossover）電

壓範圍及信號顫動等參數），以及資料信

號的眼狀圖，以驗證資料是否合乎規定

的眼狀圖參數。

Agilent Infiniium 54800系列示波器

配上 Agi len t 測試棒和測試夾具，或

"breakout board"，是進行 USB-IF認證測

試所需的重要配備。 Infiniium USB測試

選項（Agilent型號 B30或 E2645A）可

以讓 USB信號精純度的先期認證測試變

得和自動化測試一樣簡單。 Infiniium不

需以手動的方式，將示波器中的資料匯

出到另一台個人電腦上進行分析的步

驟，因此可以大幅減輕 USB 測試的工

作。 Infini ium 的 USB 測試選項內含

MATLAB的執行版，可以嵌入示波器中

與 USB-IF 提供的測試程式一起使用，

構成一套單機式的解決方案，可加快信

號品質測試的速度。圖 3 是在 Agilent

Infiniium 54800系列示波器上，運用內

建的MATLAB執行版軟體所產生的眼狀

圖量測結果。

引發這個階段問題的原因可能有多

種情況：無法達到高點和/或低點電壓位

準一般是因為終端處理不當所致；資料

眼圖縮小或崩塌常常是由信號顫動所引

起的，而造成信號顫動最常見的原因是

雜訊，雜訊可能是從時脈或是電源供應

器來的，不過，還有許多其它的雜訊來

源也需一併考慮。

3

信號精純度的重要性

圖 2. Agilent Infiniium 54800系列的 USB測試選項會自動用游標將 D+和 D-的資料

信號括住。

圖 3. Agilent Infiniium 54800系列示波器內含MATLAB軟體，可以

簡化 USB的量測作業。

另外一個需要非常注意的地方是電

流的量測，無論裝置是從自有的電源或

匯流排上的電源來供電，都有很多種可

能發生的電流狀況組合。 USB 2.0產品

的設計人員需要量測熱插入（hot-plug）

連線時、低電源狀態、待命狀態、以及

其它狀況下所耗用的電流。操作狀態和

待命狀態所耗用的電流是直流電流，可

以簡單地運用一個 DC安培計來測得，

但諸如熱插入連線時的湧現電流和峰值

操作電流等變動的電流量測，則需要一

台示波器和一個電流測試棒才能量測得

到。許多的電流規格因具有動態改變的

特性，因此只有使用示波器和電流測試

棒才可能進行量測。運用 A g i l e n t

Infiniium 54800系列示波器搭配 1147A

電流測試棒，便可以擷取這些變動的電

流事件。另外，也需要用到示波器的觸

發功能，以便在特定的時間點量測匯流

排上的資料。圖 4是利用示波器進行峰

值和平均電流量測所得到的結果，運用

這些測得的電流值，示波器的軟體就可

以自動計算出尖峰和平均的功率值。

電流規格中最常見的問題會出現在

超過最大耗用電流的時候，這種狀況最

常發生於進行熱插入連線的情形下。若

想要達到待命電流的規格要求，必須注

意每個細節以確保電路中所有可能的地

方都已關掉。對自行供電的裝置而言，

需將 +5 Vdc和 Vbus完全隔離開來才

行。

4

留意細節以預防電流的變動

圖 4. 運用示波器所量得的峰值和平均電流值。

curr

ent,

A

一旦待測裝置（DUT）達到了 USB

2.0 的電壓、信號精純度和電流的要求

後，此裝置的實體層很可能就是匯流排

上的好成員了，不過，困難的地方才剛

剛開始呢，因為這個裝置接下來要進行

通用型序列匯流排設計人員論壇（USB-

IF）所規定的互運性（interoperability）

規格認證測試。在匯流排上出現的任何

週邊裝置都必須要能夠與 USB集線器進

行通訊，而集線器也要能與主控端、其

它集線器、以及最多 7個週邊裝置互相

通訊，同時還要應付三種不同的資料傳

輸速率，以及週期性的即時型資料和大

量型資料的傳輸工作。

USB系統是一種具有廣泛的相互關

聯特性的網路，因此，要找出一項資料

錯誤或是一個效能問題的原因，可能會

相當困難。邏輯分析儀可以讓您直接看

到資料的流動狀況、進行關鍵的時序量

測及通訊協定的驗證作業，用來偵測及

排除列舉錯誤（enumeration failure）或

資料封包相衝毀損等高階問題，是最適

合不過的工具了。若邏輯分析儀具備大

容量的深度擷取記憶體和強大的即時觸

發功能，則能快速又可靠地擷取到難以

捕捉的各種問題。

圖 5是邏輯分析儀所顯示出來的通

訊協定（或交易）事件列表，從圖中可

以發現，邏輯分析儀是因一個循環檢查

碼（CRC）錯誤而觸發。由於此邏輯分

析儀具有大容量的深度擷取記憶體，因

此設計人員可以看到導致錯誤發生的事

件（觸發之前的事件），以及該裝置對此

錯誤事件如何反應（觸發之後的事件）

的詳細狀況。能將輸入和/或輸出的否認

字元（NAK）關閉的功能可以讓記憶體

使用得更有效率，同時也能節省使用者

需要逐一過濾可能無用之資訊的時間。

量測事件之間的時間關係的能力，

例如一個請求和等待回應的時間，對各

種問題的除錯是很重要的功能。這種量

測的方法一般稱為事件時序量測，邏輯

分析儀和其它類型的通訊協定分析工具

一般都會透過使用時間戳記的方法，來

提供事件時序量測的功能。時間戳記只

是一個能將每個狀態事件之間的時間記

錄下來的計數器，邏輯分析儀一般都會

提供這項重要的功能，且事件時序量測

的準確度能達到 4 ns的水準。

若需要比 4 ns更高的準確度，或如

果需要真實的非同步時序資訊的話，則

需要將示波器連接到 D+和 D-信號線，

或連接到收發器介面晶片的輸出端。

5

資料正確度的驗證

圖 5. 邏輯分析儀的通訊協定事件列表顯示畫面，圖中可以發現邏輯分析儀因一個 CRC錯誤而觸發。

為了進行精確的類比示波器量測、

電流量測、以及擷取和分析資料，需要

運用多種不同的工具。示波器、 MAT-

LAB軟體、邏輯分析儀和 breakout board

的複雜組合，讓除錯、效能特性量測、

規格認證測試等工作也變得更加複雜。

幸好， USB 2.0產品的設計人員現在可

以運用整合了 PC 個人電腦和測試設備

的專用工具來簡化整個流程。舉例來

說， MATLAB軟體已經整合到 Agilent

Infiniium 54800系列示波器中，因此不

需要在進行量測後，將示波器的資料匯

出到另一台個人電腦上進行分析。運用

該示波器，這些所有的步驟都可以單一

個量測步驟來完成，而各項電流量測也

同樣可以一個步驟來完成。今天，先進

的邏輯分析儀和示波器也能整合在一

起，因而可以在單一個顯示幕上進行交

互觸發，甚至分享資料，使得除錯的作

業大幅地簡化了。

另外一種重要的測試和除錯技術是

跨匯流排的分析功能。為了找出問題發

生的根本原因，可能會需要同時和分開

量測一個或數個集線器的輸入和輸出，

以便研究 USB/PCI介面卡上的集線器和

PCI匯流排的關係，或觀察 USB、 PCI

和 PC 記憶體系統的互動情形。邏輯分

析儀可以讓您同時看到多個匯流排的動

作、用一個匯流排的信號來觸發其它的

匯流排、以及將所有時間關聯的資料顯

示在同一個顯示幕上。

USB 2.0是一種高速又可靠的匯流排

架構，可以提昇 PC 個人電腦的好用性

和功能。然而，就因為 USB 2.0不是一

種低速、簡單的數位匯流排，而是一種

複雜又精密的系統，因此設計人員需要

充分發揮他們的技巧和才能，才可以設

計得出來。依循 USB-IF 所訂定的設計

原則和建議事項，再搭配專為高速類比/

數位信號所設計的工具，相信您必定可

以開發出穩定可靠的 USB 2.0產品，並

快速地將之推出上市。

6

工具的整合就是一種簡化

FuturePlus Systems公司提供的 FS

4120 USB分析測試棒（Agilent型號

FSI-60050），搭配安捷倫科技的 16700

系列邏輯分析系統和 Infiniium 54800系

列示波器使用，可為 USB 2.0週邊裝

置、集線器和以 USB為主之系統的設計

工程師，提供一套進行完整的系統除

錯、驗證和認證測試所需的解決方案。

FS 4120測試棒提供一個電子和機械

介面，可以在 USB待測裝置和 Agilent

邏輯分析儀之間，進行被動的匯流排分

析。針對從匯流排供電的裝置，該測試

棒可提供直流電流、湧現電流及待命電

流量測的測試點，另外也提供 SMA 連

接器以及硬體輔助的示波器觸發功能，

可以簡化示波器觸發和量測的作業。這

款新型測試棒的主要特色包括：

• 具有完整的 U S B 序列轉並列解碼功

能，可觀察通訊協定層級的匯流排信號

流動狀況。

• 可進行雙組匯流排操作，並具有時間關

聯的顯示功能，方便進行集線器的除錯

工作。

• 可支援由匯流排供電之裝置的各種電流

量測，包括湧現電流量測。

• 具有供 USB 裝置使用的外接電源連接

點。

• 錯誤偵測的功能可以偵測不良的 PID、

無效的 PID、序列位元填塞（serial bit

stuffed）、 CRC、資料碼框開始（Start

of Frame）、 USB重置、以及 USB匯流

排通訊等多種錯誤。

• 可在所有的 U S B 速度下運作： 4 8 0

Mb/s、 12 Mb/s和 1.5 Mb/s。

• 可支援所有類型的資料傳輸，包括週期

性的即時資料傳輸（isochronous trans-

fer）。

• 配備指示 LED ，可以方便又快速地看

到匯流排的狀態和活動。

• 附有 SMA連接器以方便觸發，並可與

高速的示波器連接。

• 具有輸入/輸出 - NAK抑制（FS/HS）能

力。

強大的觸發功能可設定在任何的位

址、端點、資料數碼、資料 C R C 或

USB錯誤上。所有的 USB週期和交易識

別碼都會由瞭解通訊協定的時脈邏輯來

進行解碼。資料封包識別碼可以讓使用

者將所有在 USB匯流排流通的資料儲存

下來、只儲存特定的封包類型資料、或

是只儲存送到或來自使用者自訂的某個

函式的資料封包。隨附的軟體可以用顏

色標示出完整的交易，也能對所有在

USB 匯流排上流通的資料封包進行解

碼。

FS 4120有兩組獨立的 USB和分析

儀介面，此獨特的功能可以讓設計人員

同時對一個高速的裝置和一個全速的裝

置進行獨立的量測，不需要再購買第二

組分析測試棒。

7

USB 1.1和 2.0的分析測試棒

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相關的參考文件

出版品名稱 出版品類別 出版品編號

Agilent 16700系列邏輯分析系統 產品簡介 968-9661E

Agilent Infiniium 54800系列示波器 彩色型錄 980-2388EN/EUS

Agilent Infiniium 54800系列示波器 產品簡介 5980-2397EN/EUS

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