中心議題：

• 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。

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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(jie)口(kou)的(de)空(kong)閑(xian)時(shi)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(zai)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)。

流支持

USB3.0拓(tuo)展(zhan)了(le)批(pi)量(liang)傳(chuan)輸(shu)模(mo)式(shi)，支(zhi)持(chi)流(liu)模(mo)式(shi)。批(pi)量(liang)流(liu)提(ti)供(gong)了(le)同(tong)頻(pin)帶(dai)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)，通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)標(biao)準(zhun)批(pi)量(liang)傳(chuan)送(song)支(zhi)持(chi)多(duo)路(lu)多(duo)個(ge)獨(du)立(li)邏(luo)輯(ji)數(shu)據(ju)流(liu)協(xie)議(yi)。這(zhe)種(zhong)作(zuo)法(fa)簡(jian)化(hua)了(le)USB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。

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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guo程cheng數shu目mu，軟ruan件jian架jia構gou。對dui於yu通tong用yong處chu理li器qi處chu理li大da量liang的de過guo程cheng和he任ren務wu來lai說shuo，操cao作zuo係xi統tong處chu理li延yan遲chi可ke能neng很hen大da程cheng度du取qu決jue於yu中zhong斷duan延yan時shi，內nei容rong切qie換huan延yan遲chi，隊dui列lie延yan遲chi等deng。最zui壞huai的de情qing況kuang下xia
，延yan時shiY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。

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。
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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chu理li器qi。這zhe種zhong設she置zhi減jian少shao了le通tong用yong處chu理li器qi的de參can與yu。使shi用yong這zhe種zhong方fang式shi，可ke以yi避bi免mian需xu要yao使shi用yong高gao性xing能neng處chu理li器qi和he結jie構gou的de變bian化hua，從cong而er可ke以yi減jian少shao係xi統tong成cheng本ben和he量liang產chan風feng險xian。西xi橋qiao就jiu是shi這zhe樣yang一yi個ge智zhi能nengI/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。