• USB 2.0與USB 3.0功能特性對比分析

簡介

USB由於具備簡單、成熟、即插即用特征
，所以在市場上很流行。然而，USB 2.0 480 Mbps的速度無法支持新一代存儲和視頻。因此，移植到一個更快標準的時機已經成熟，這就導致了USB 3.0新協議的開發。對於開發商而言
，挑戰是如何充分利用USB 3.0的潛能。本文將探討使用USB 3.0硬件軟件設計問題，本文主要介紹的是手持產品。首先，我們將比較USB 2.0和USB 3.0的性能，以及過渡到USB 3.0模塊影響到的器件。

在一個普通的場景中，在device端，處理器直接連接到USB、存儲器和外設。記住這種結構，由High-Speed過渡到SuperSpeed，處理 器的影響可以概括如下：

USB 2.0 VS USB 3.0

數據速率

USB 2.0和USB 3.0的基本區別是帶寬。USB 2.0所提供的理論帶寬是480Mbps。事實上，收到的最大吞吐量約為320Mbps （40MBps），它大致是理論值的三分之二。使用USB3.0，數據吞吐量為4.8Gbps。如果我們用相同的比例

，那麼預期的數據速率是 3.2Gbps （400MBps）。然而，許多開發人員希望能提供更高的吞吐量。圖1顯示了USB 3.0 和USB 2.0用於Buffalo外部存儲磁盤進行不同大小文件傳輸的數據率差異。應該指出的是，USB 3.0數據速率受儲存設備約束，否則400 Mbps的數據速率很容易達到。

圖1可以看出
，單個請求傳輸大小增大了，數據傳輸速率也隨之增加了。這是因為當請求傳輸大小增加時，請求數量和因此MSC設備要處理中斷減少
，那麼 整體性能就更好了。64 KB傳輸過後，數據速率達到飽和（因為Windows驅動在一個SCSI請求中不能請求超過64 KB的數據）。這些數據顯示了中斷在整個係統性能的重要性和影響。

高數據率增加了中斷速率和數據請求速率
，這使處理器負荷顯著提高。當處理器忙於處理USB相關的實時請求時，增加了延時，用戶會看到應用處理慢了下來

，這 並不是一個滿意的結果。

數據流

USB 2.0數據請求一次隻能是一個方向，與USB 2.0標準不同
，USB 3.0支持同時讀和寫。這是因為USB 2.0是半雙工協議，而USB 3.0是全雙工協議。全雙工通信是通過增加更多連接來支持同時傳輸數據的。它同時也帶來了成本的增加和軟件的複雜性。使用USB 2.0，處理器一次隻參與傳輸
，並且數據結構和請求處理非常簡單。但隨著全雙工USB 3.0的到來，現在的數據結構需要加倍的信息。USB軟件模塊還需要能夠處理同時的數據操作。

電源管理

封包傳輸協議改變了（例如，廣播定向）
，設備polling消除了，link的定義和功能級中間狀態
，使USB3.0電源管理要很不錯。我們將討論USB 設備處理器必須要做的事情
，因為第三種降低功耗改變了，例如多種中間狀態。

在USB 2.0中
，狀態隻有ACTIVE 和SUSPEND。SuperSpeed中有兩個以上的狀態：FAST EXIT IDLE 和SLOW EXIT IDL。狀態越多意味著硬件和軟件兩個方麵都更複雜。外設可以使用link級電源管理發起省電模式。要獲得實際利益，處理器需要跟蹤USB接口的空閑時 間jian

，智zhi能neng采cai取qu行xing動dong。對dui於yu一yi個ge設she備bei來lai說shuo電dian源yuan連lian接jie狀zhuang態tai的de入ru口kou和he出chu口kou速su率lv可ke能neng很hen頻pin繁fan。例li如ru
，同tong步bu傳chuan輸shu允yun許xu外wai設she在zai服fu務wu間jian隔ge進jin入ru低di功gong耗hao狀zhuang態tai。這zhe可ke以yi顯xian著zhu增zeng加jia處chu理li器qi負fu 載運行時間。
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流支持

USB3.0tuozhanlepiliangchuanshumoshi，zhichiliumoshi。piliangliutigongletongpindaixinhaochuanshu，tongguoyigebiaozhunpiliangchuansongzhichiduoluduogeduliluojishujuliuxieyi。zhezhongzuofajianhualeUSB 設計複雜的類協議。例如

，USB SCSI （UAS）海量存儲類使用批量流代替簡單的BOT協議。在BOT中
，一次隻有一個pending請求，而在UAS中，一次可能有n-1個請求，這裏n是批 量端點中支持的流數。實現和維護一個複雜的類協議也可能使處理器一直很忙。對於BOT來說單個平麵數據結構就夠了
，UAS協議要求基於優先級的數據結構用 於實現外設端固件。

常用USB設備結構分析

考慮到海量存儲設備是市場上最常見的高性能USB外設，我們會舉一個海量存儲設備的例子，來精確的分析其性能。

我們將討論數據方麵，這是因為大部分時間裏接口將涉及數據包傳輸而不是控製包。

數據傳輸步驟：
1．處理器收到一個USB請求。
2．處理器處理這個請求。
3．處理器依次存儲讀/寫請求。
4．處理器等待傳輸完成。
5．處理器發送完成情況到USB host

這次傳輸的時間結構

總延時 = X Y Z

這裏，X，Y和Z是主要的延時構成
，解釋如下：
1．延時X是傳輸請求數據包在主機和處理器之間所花的時間。這取決於USB協議和USB設備硬件處理效率。請求數據包大小隻有幾十個字節，所以延時隻有幾 納秒。

2．延時Y代表的是處理器處理USB請求和建立直接存儲器存取所需要的時間。這取決於處理器類型，線程/過程數目
，軟件架構。對於通用處理器處理大量的過 程和任務來說
，操作係統處理延遲可能很大程度取決於中斷延時，內容切換延遲，隊列延遲等。最壞的情況下，延時Y可能達到數百微秒。

3．延遲Z是指數據在USB和存儲設備之間傳輸所需的時間
，這取決於請求類型。還取決於直接存儲器存取結構和存儲設備類型，並不取決於USB速度，因為這 裏瓶頸會是存儲速度而不是USB速度（如SuperSpeed）。延遲Z可能在幾毫秒和數微秒之間，取決於存儲設備類型和數據大小。

雖然USB速度快了十倍（從480Mbps 到 5Gbps），但是真正的吞吐量將遠遠低於理論值，因為USB延時（X）比操作係統處理延遲（Y）和存儲傳輸延遲（Z）都小得多，其相對於總延時可以忽略 不計。Z延時可以通過選擇更好的存儲設備來改進，但是Y延時
，則需要通過更有效地係統設計來管理。
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效率
要發揮USB 3.0的全部潛力

，需進行以下變化：

高性能處理器：處理器由於USB 3.0引起的複雜性和任務處理的數量都將大幅上升。如果希望其他應用性能不受影響，就需要一個功能強大的處理器。
影響：這不僅會增加產品成本
，而且還會增加功耗，對於手持設備來說，這是很不利的。

必須改變現有的係統架構來適應USB 3.0。同時

，如果USB 3.0的全部潛能都可以實現，就需要大容量和高性能的存儲設備。
影響：這將增加係統的複雜度，因此影響了推向市場的時間和項目風險。

重新設計來提高性能

不需要將USB控製器連接到通用處理器（GP）
，可以連接到一個I/O模塊。這種I/O模塊類型叫做I/O通道，這裏I/O模塊增強為一個獨立的處理器。 GP指揮I/O通道在主存儲器中執行程序。I/O通道拿到這些指令並執行他們，並不需要GP幹預。GP隻是當整個序列完成時產生中斷。

如果I/O模塊有自己的本地存儲器，那麼就稱為I/O處理器。這種設置減少了通用處理器的參與。使用這種方式，可以避免需要使用高性能處理器和結構 的變化，從而可以減少係統成本和量產風險。西橋就是這樣一個智能I/O處理器，它把外設控製器增強了並模塊化到了一個嵌入式計算機結構。南橋也是用很類似 的方式來提高數據在PC的吞吐量，西橋結構提高了吞吐量
，可以用於USB，通用處理器，存儲器，及其他外設之間的高吞吐量數據傳輸。

西(xi)橋(qiao)器(qi)件(jian)是(shi)專(zhuan)為(wei)這(zhe)種(zhong)操(cao)作(zuo)設(she)計(ji)的(de)，可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)。由(you)於(yu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)總(zong)延(yan)遲(chi)依(yi)賴(lai)於(yu)處(chu)理(li)延(yan)遲(chi)，當(dang)使(shi)用(yong)西(xi)橋(qiao)結(jie)構(gou)後(hou)會(hui)大(da)大(da)降(jiang)低(di)這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)。

影響通用處理器性能的主要因素取決於中斷的頻率。簡而言之，每次GP收到中斷，內容都需要切換，執行ISR，從而增加了其他運行程序的時間。當使用西橋器 件時，大部分USB相關中斷由它處理，從而提高了GP的性能。

下麵是一個15.1 GB的嵌入式多媒體卡（eMMC） 使用海量存儲類驅動枚舉的性能測試。沒有西橋時GP不得不處理很多中斷。下圖描繪了係統的各項任務處理結果。中斷數量為log2單位。

上表反映了使用特定應用的I/O處理器（如西橋）時
，GP必須處理的中斷減少的數目。沒有西橋
，GP要處理大量的中斷
，產生‘super speed’迫使GP要很長時間保持空閑狀態（由於次要的內容切換）。相反，GP可以把這些任務釋放給西橋，保持其處理其他實時任務的效率，充分發揮 USB 3.0的潛力。西橋結構不僅可以簡化整體係統平台結構，它還可以提高整體性能並降低項目風險。