• USB 2.0與USB 3.0功能特性對比分析

簡介

USB由于具備簡單、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(chǔ)和視頻。因此，移植到一個(gè)更快標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，這就導(dǎo)致了USB 3.0新協(xié)議的開發(fā)。對于開發(fā)商而言，挑戰(zhàn)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(shè)計(jì)問題，本文主要介紹的是手持產(chǎn)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(gè)普通的場景中，在device端，處理器直接連接到USB、存儲(chǔ)器和外設(shè)。記住這種結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)速率

USB 2.0和USB 3.0的基本區(qū)別是帶寬。USB 2.0所提供的理論帶寬是480Mbps。事實(shí)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(shù)據(jù)吞吐量為4.8Gbps。如果我們用相同的比例，那么預(yù)期的數(shù)據(jù)速率是 3.2Gbps （400MBps）。然而，許多開發(fā)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用于Buffalo外部存儲(chǔ)磁盤進(jìn)行不同大小文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率差異。應(yīng)該指出的是，USB 3.0數(shù)據(jù)速率受儲(chǔ)存設(shè)備約束，否則400 Mbps的數(shù)據(jù)速率很容易達(dá)到。

圖1可以看出，單個(gè)請求傳輸大小增大了，數(shù)據(jù)傳輸速率也隨之增加了。這是因?yàn)楫?dāng)請求傳輸大小增加時(shí)，請求數(shù)量和因此MSC設(shè)備要處理中斷減少，那么 整體性能就更好了。64 KB傳輸過后，數(shù)據(jù)速率達(dá)到飽和（因?yàn)閃indows驅(qū)動(dòng)在一個(gè)SCSI請求中不能請求超過64 KB的數(shù)據(jù)）。這些數(shù)據(jù)顯示了中斷在整個(gè)系統(tǒng)性能的重要性和影響。

高數(shù)據(jù)率增加了中斷速率和數(shù)據(jù)請求速率，這使處理器負(fù)荷顯著提高。當(dāng)處理器忙于處理USB相關(guān)的實(shí)時(shí)請求時(shí)，增加了延時(shí)，用戶會(huì)看到應(yīng)用處理慢了下來，這 并不是一個(gè)滿意的結(jié)果。

數(shù)據(jù)流

USB 2.0數(shù)據(jù)請求一次只能是一個(gè)方向，與USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)不同，USB 3.0支持同時(shí)讀和寫。這是因?yàn)閁SB 2.0是半雙工協(xié)議，而USB 3.0是全雙工協(xié)議。全雙工通信是通過增加更多連接來支持同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的。它同時(shí)也帶來了成本的增加和軟件的復(fù)雜性。使用USB 2.0，處理器一次只參與傳輸，并且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和請求處理非常簡單。但隨著全雙工USB 3.0的到來，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要加倍的信息。USB軟件模塊還需要能夠處理同時(shí)的數(shù)據(jù)操作。

電源管理

封包傳輸協(xié)議改變了（例如，廣播定向），設(shè)備polling消除了，link的定義和功能級(jí)中間狀態(tài)，使USB3.0電源管理要很不錯(cuò)。我們將討論USB 設(shè)備處理器必須要做的事情，因?yàn)榈谌N降低功耗改變了，例如多種中間狀態(tài)。

在USB 2.0中，狀態(tài)只有ACTIVE 和SUSPEND。SuperSpeed中有兩個(gè)以上的狀態(tài)：FAST EXIT IDLE 和SLOW EXIT IDL。狀態(tài)越多意味著硬件和軟件兩個(gè)方面都更復(fù)雜。外設(shè)可以使用link級(jí)電源管理發(fā)起省電模式。要獲得實(shí)際利益，處理器需要跟蹤USB接口的空閑時(shí) 間，智能采取行動(dòng)。對于一個(gè)設(shè)備來說電源連接狀態(tài)的入口和出口速率可能很頻繁。例如，同步傳輸允許外設(shè)在服務(wù)間隔進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這可以顯著增加處理器負(fù) 載運(yùn)行時(shí)間。
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流支持

USB3.0拓展了批量傳輸模式，支持流模式。批量流提供了同頻帶信號(hào)傳輸，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)批量傳送支持多路多個(gè)獨(dú)立邏輯數(shù)據(jù)流協(xié)議。這種作法簡化了USB 設(shè)計(jì)復(fù)雜的類協(xié)議。例如，USB SCSI （UAS）海量存儲(chǔ)類使用批量流代替簡單的BOT協(xié)議。在BOT中，一次只有一個(gè)pending請求，而在UAS中，一次可能有n-1個(gè)請求，這里n是批 量端點(diǎn)中支持的流數(shù)。實(shí)現(xiàn)和維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的類協(xié)議也可能使處理器一直很忙。對于BOT來說單個(gè)平面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就夠了，UAS協(xié)議要求基于優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用 于實(shí)現(xiàn)外設(shè)端固件。

常用USB設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

考慮到海量存儲(chǔ)設(shè)備是市場上最常見的高性能USB外設(shè)，我們會(huì)舉一個(gè)海量存儲(chǔ)設(shè)備的例子，來精確的分析其性能。

我們將討論數(shù)據(jù)方面，這是因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間里接口將涉及數(shù)據(jù)包傳輸而不是控制包。

數(shù)據(jù)傳輸步驟：
1．處理器收到一個(gè)USB請求。
2．處理器處理這個(gè)請求。
3．處理器依次存儲(chǔ)讀/寫請求。
4．處理器等待傳輸完成。
5．處理器發(fā)送完成情況到USB host

這次傳輸?shù)臅r(shí)間結(jié)構(gòu)

總延時(shí) = X Y Z

這里，X，Y和Z是主要的延時(shí)構(gòu)成，解釋如下：
1．延時(shí)X是傳輸請求數(shù)據(jù)包在主機(jī)和處理器之間所花的時(shí)間。這取決于USB協(xié)議和USB設(shè)備硬件處理效率。請求數(shù)據(jù)包大小只有幾十個(gè)字節(jié)，所以延時(shí)只有幾 納秒。

2．延時(shí)Y代表的是處理器處理USB請求和建立直接存儲(chǔ)器存取所需要的時(shí)間。這取決于處理器類型，線程/過程數(shù)目，軟件架構(gòu)。對于通用處理器處理大量的過 程和任務(wù)來說，操作系統(tǒng)處理延遲可能很大程度取決于中斷延時(shí)，內(nèi)容切換延遲，隊(duì)列延遲等。最壞的情況下，延時(shí)Y可能達(dá)到數(shù)百微秒。

3．延遲Z是指數(shù)據(jù)在USB和存儲(chǔ)設(shè)備之間傳輸所需的時(shí)間，這取決于請求類型。還取決于直接存儲(chǔ)器存取結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)設(shè)備類型，并不取決于USB速度，因?yàn)檫@ 里瓶頸會(huì)是存儲(chǔ)速度而不是USB速度（如SuperSpeed）。延遲Z可能在幾毫秒和數(shù)微秒之間，取決于存儲(chǔ)設(shè)備類型和數(shù)據(jù)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值，因?yàn)閁SB延時(shí)（X）比操作系統(tǒng)處理延遲（Y）和存儲(chǔ)傳輸延遲（Z）都小得多，其相對于總延時(shí)可以忽略 不計(jì)。Z延時(shí)可以通過選擇更好的存儲(chǔ)設(shè)備來改進(jìn)，但是Y延時(shí)，則需要通過更有效地系統(tǒng)設(shè)計(jì)來管理。
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效率
要發(fā)揮USB 3.0的全部潛力，需進(jìn)行以下變化：

高性能處理器：處理器由于USB 3.0引起的復(fù)雜性和任務(wù)處理的數(shù)量都將大幅上升。如果希望其他應(yīng)用性能不受影響，就需要一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。
影響：這不僅會(huì)增加產(chǎn)品成本，而且還會(huì)增加功耗，對于手持設(shè)備來說，這是很不利的。

必須改變現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)來適應(yīng)USB 3.0。同時(shí)，如果USB 3.0的全部潛能都可以實(shí)現(xiàn)，就需要大容量和高性能的存儲(chǔ)設(shè)備。
影響：這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此影響了推向市場的時(shí)間和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

重新設(shè)計(jì)來提高性能

不需要將USB控制器連接到通用處理器（GP），可以連接到一個(gè)I/O模塊。這種I/O模塊類型叫做I/O通道，這里I/O模塊增強(qiáng)為一個(gè)獨(dú)立的處理器。 GP指揮I/O通道在主存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序。I/O通道拿到這些指令并執(zhí)行他們，并不需要GP干預(yù)。GP只是當(dāng)整個(gè)序列完成時(shí)產(chǎn)生中斷。

如果I/O模塊有自己的本地存儲(chǔ)器，那么就稱為I/O處理器。這種設(shè)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(jié)構(gòu) 的變化，從而可以減少系統(tǒng)成本和量產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。西橋就是這樣一個(gè)智能I/O處理器，它把外設(shè)控制器增強(qiáng)了并模塊化到了一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。南橋也是用很類似 的方式來提高數(shù)據(jù)在PC的吞吐量，西橋結(jié)構(gòu)提高了吞吐量，可以用于USB，通用處理器，存儲(chǔ)器，及其他外設(shè)之間的高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸。

西橋器件是專為這種操作設(shè)計(jì)的，可以顯著提高性能。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目傃舆t依賴于處理延遲，當(dāng)使用西橋結(jié)構(gòu)后會(huì)大大降低這種延遲。

影響通用處理器性能的主要因素取決于中斷的頻率。簡而言之，每次GP收到中斷，內(nèi)容都需要切換，執(zhí)行ISR，從而增加了其他運(yùn)行程序的時(shí)間。當(dāng)使用西橋器 件時(shí)，大部分USB相關(guān)中斷由它處理，從而提高了GP的性能。

下面是一個(gè)15.1 GB的嵌入式多媒體卡（eMMC） 使用海量存儲(chǔ)類驅(qū)動(dòng)枚舉的性能測試。沒有西橋時(shí)GP不得不處理很多中斷。下圖描繪了系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)處理結(jié)果。中斷數(shù)量為log2單位。

上表反映了使用特定應(yīng)用的I/O處理器（如西橋）時(shí)，GP必須處理的中斷減少的數(shù)目。沒有西橋，GP要處理大量的中斷，產(chǎn)生‘super speed’迫使GP要很長時(shí)間保持空閑狀態(tài)（由于次要的內(nèi)容切換）。相反，GP可以把這些任務(wù)釋放給西橋，保持其處理其他實(shí)時(shí)任務(wù)的效率，充分發(fā)揮 USB 3.0的潛力。西橋結(jié)構(gòu)不僅可以簡化整體系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，它還可以提高整體性能并降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。