• USB 2.0與USB 3.0功能特性對比分析

簡(jiǎn)介

USB由于具備簡(jiǎn)單、成熟、即插即用特征，所以在市場(chǎng)上很流行。然而，USB 2.0 480 Mbps的速度無(wú)法支持新一代存儲和視頻。因此，移植到一個(gè)更快標準的時(shí)機已經(jīng)成熟，這就導致了USB 3.0新協(xié)議的開(kāi)發(fā)。對于開(kāi)發(fā)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(wèn)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(guò)渡到USB 3.0模塊影響到的器件。

在一個(gè)普通的場(chǎng)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(guò)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(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，數據吞吐量為4.8Gbps。如果我們用相同的比例，那么預期的數據速率是 3.2Gbps （400MBps）。然而，許多開(kāi)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外部存儲磁盤(pán)進(jìn)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(gè)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(shí)，請求數量和因此MSC設備要處理中斷減少，那么 整體性能就更好了。64 KB傳輸過(guò)后，數據速率達到飽和（因為Windows驅動(dòng)在一個(gè)SCSI請求中不能請求超過(guò)64 KB的數據）。這些數據顯示了中斷在整個(gè)系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(zhù)提高。當處理器忙于處理USB相關(guān)的實(shí)時(shí)請求時(shí)，增加了延時(shí)，用戶(hù)會(huì )看到應用處理慢了下來(lái)，這 并不是一個(gè)滿(mǎn)意的結果。

數據流

USB 2.0數據請求一次只能是一個(gè)方向，與USB 2.0標準不同，USB 3.0支持同時(shí)讀和寫(xiě)。這是因為USB 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(guò)增加更多連接來(lái)支持同時(shí)傳輸數據的。它同時(shí)也帶來(lái)了成本的增加和軟件的復雜性。使用USB 2.0，處理器一次只參與傳輸，并且數據結構和請求處理非常簡(jiǎn)單。但隨著(zhù)全雙工USB 3.0的到來(lái)，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(shí)的數據操作。

電源管理

封包傳輸協(xié)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(tài)，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(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(zhù)硬件和軟件兩個(gè)方面都更復雜。外設可以使用link級電源管理發(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)設備來(lái)說(shuō)電源連接狀態(tài)的入口和出口速率可能很頻繁。例如，同步傳輸允許外設在服務(wù)間隔進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這可以顯著(zhù)增加處理器負 載運行時(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傳輸，通過(guò)一個(gè)標準批量傳送支持多路多個(gè)獨立邏輯數據流協(xié)議。這種作法簡(jiǎn)化了USB 設計復雜的類(lèi)協(xié)議。例如，USB SCSI （UAS）海量存儲類(lèi)使用批量流代替簡(jiǎn)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。實(shí)現和維護一個(gè)復雜的類(lèi)協(xié)議也可能使處理器一直很忙。對于BOT來(lái)說(shuō)單個(gè)平面數據結構就夠了，UAS協(xié)議要求基于優(yōu)先級的數據結構用 于實(shí)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(chǎng)上最常見(jiàn)的高性能USB外設，我們會(huì )舉一個(gè)海量存儲設備的例子，來(lái)精確的分析其性能。

我們將討論數據方面，這是因為大部分時(shí)間里接口將涉及數據包傳輸而不是控制包。

數據傳輸步驟：
1．處理器收到一個(gè)USB請求。
2．處理器處理這個(gè)請求。
3．處理器依次存儲讀/寫(xiě)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

這次傳輸的時(shí)間結構

總延時(shí) = X Y Z

這里，X，Y和Z是主要的延時(shí)構成，解釋如下：
1．延時(shí)X是傳輸請求數據包在主機和處理器之間所花的時(shí)間。這取決于USB協(xié)議和USB設備硬件處理效率。請求數據包大小只有幾十個(gè)字節，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器存取所需要的時(shí)間。這取決于處理器類(lèi)型，線(xiàn)程/過(guò)程數目，軟件架構。對于通用處理器處理大量的過(guò) 程和任務(wù)來(lái)說(shuō)，操作系統處理延遲可能很大程度取決于中斷延時(shí)，內容切換延遲，隊列延遲等。最壞的情況下，延時(shí)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(shí)間，這取決于請求類(lèi)型。還取決于直接存儲器存取結構和存儲設備類(lèi)型，并不取決于USB速度，因為這 里瓶頸會(huì )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，取決于存儲設備類(lèi)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于理論值，因為USB延時(shí)（X）比操作系統處理延遲（Y）和存儲傳輸延遲（Z）都小得多，其相對于總延時(shí)可以忽略 不計。Z延時(shí)可以通過(guò)選擇更好的存儲設備來(lái)改進(jìn)，但是Y延時(shí)，則需要通過(guò)更有效地系統設計來(lái)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引起的復雜性和任務(wù)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(gè)功能強大的處理器。
影響：這不僅會(huì )增加產(chǎn)品成本，而且還會(huì )增加功耗，對于手持設備來(lái)說(shuō)，這是很不利的。

必須改變現有的系統架構來(lái)適應USB 3.0。同時(shí)，如果USB 3.0的全部潛能都可以實(shí)現，就需要大容量和高性能的存儲設備。
影響：這將增加系統的復雜度，因此影響了推向市場(chǎng)的時(shí)間和項目風(fēng)險。

重新設計來(lái)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(lèi)型叫做I/O通道，這里I/O模塊增強為一個(gè)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通道拿到這些指令并執行他們，并不需要GP干預。GP只是當整個(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器，那么就稱(chēng)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，從而可以減少系統成本和量產(chǎn)風(fēng)險。西橋就是這樣一個(gè)智能I/O處理器，它把外設控制器增強了并模塊化到了一個(gè)嵌入式計算機結構。南橋也是用很類(lèi)似 的方式來(lái)提高數據在PC的吞吐量，西橋結構提高了吞吐量，可以用于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。

西橋器件是專(zhuān)為這種操作設計的，可以顯著(zhù)提高性能。由于數據傳輸的總延遲依賴(lài)于處理延遲，當使用西橋結構后會(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(jiǎn)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(shí)間。當使用西橋器 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） 使用海量存儲類(lèi)驅動(dòng)枚舉的性能測試。沒(méi)有西橋時(shí)GP不得不處理很多中斷。下圖描繪了系統的各項任務(wù)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(shí)，GP必須處理的中斷減少的數目。沒(méi)有西橋，GP要處理大量的中斷，產(chǎn)生‘super speed’迫使GP要很長(cháng)時(shí)間保持空閑狀態(tài)（由于次要的內容切換）。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。西橋結構不僅可以簡(jiǎn)化整體系統平臺結構，它還可以提高整體性能并降低項目風(fēng)險。