USB 2.0与 USB 3.0功能特性对比分析

简介

　　USB由于具备简单、成熟、即插即用特征。然而，USB 2.0 480 Mbps的速度无法支持新一代存储和视频。因此，移植到一个更快标准的时机已经成熟，这就导致了USB 3.0新协议的开发。对于开发商而言，挑战是如何充分利用USB 3.0的潜能。本文将探讨使用USB 3.0硬件软件设计问题，本文主要介绍的是手持产品。首先，我们将比较USB 2.0和USB 3.0的性能，以及过渡到USB 3.0模块影响到的器件。

　　在一个普通的场景中，在device端，处理器直接连接到USB、存储器和外设。记住这种结构，由High-Speed过渡到SuperSpeed，处理器的影响可以概括如下：

　　USB 2.0 VS USB 3.0

　　数据速率

　　USB 2.0和USB 3.0的基本区别是带宽。USB 2.0所提供的理论带宽是480Mbps。事实上，收到的最大吞吐量约为320Mbps (40MBps)，它大致是理论值的三分之二。使用USB3.0，数据吞吐量为4.8Gbps。如果我们用相同的比例，那么预期的数据速率是3.2Gbps (400MBps)。然而，许多开发人员希望能提供更高的吞吐量。图1显示了USB 3.0 和USB 2.0用于Buffalo外部存储磁盘进行不同大小文件传输的数据率差异。应该指出的是，USB 3.0数据速率受储存设备约束，否则400 Mbps的数据速率很容易达到。

　　图1可以看出，单个请求传输大小增大了，数据传输速率也随之增加了。这是因为当请求传输大小增加时，请求数量和因此MSC设备要处理中断减少，那么整体性能就更好了。64 KB传输过后，数据速率达到饱和(因为Windows驱动在一个SCSI请求中不能请求超过64 KB的数据)。这些数据显示了中断在整个系统性能的重要性和影响。

　　高数据率增加了中断速率和数据请求速率，这使处理器负荷显著提高。当处理器忙于处理USB相关的实时请求时，增加了延时，用户会看到应用处理慢了下来，这并不是一个满意的结果。

　　数据流

　　USB 2.0数据请求一次只能是一个方向，与USB 2.0标准不同，USB 3.0支持同时读和写。这是因为USB 2.0是半双工协议，而USB 3.0是全双工协议。全双工通信是通过增加更多连接来支持同时传输数据的。它同时也带来了成本的增加和软件的复杂性。使用USB 2.0，处理器一次只参与传输，并且数据结构和请求处理非常简单。但随着全双工USB 3.0的到来，现在的数据结构需要加倍的信息。USB软件模块还需要能够处理同时的数据操作。

　　电源管理

　　封包传输协议改变了(例如，广播定向)，设备polling消除了，link的定义和功能级中间状态，使USB3.0电源管理要很不错。我们将讨论USB设备处理器必须要做的事情，因为第三种降低功耗改变了，例如多种中间状态。

　　在USB 2.0中，状态只有ACTIVE 和SUSPEND。SuperSpeed中有两个以上的状态：FAST EXIT IDLE 和SLOW EXIT IDL。状态越多意味着硬件和软件两个方面都更复杂。外设可以使用link级电源管理发起省电模式。要获得实际利益，处理器需要跟踪USB接口的空闲时间，智能采取行动。对于一个设备来说电源连接状态的入口和出口速率可能很频繁。例如，同步传输允许外设在服务间隔进入低功耗状态。这可以显著增加处理器负载运行时间。

　　流支持

　　USB3.0拓展了批量传输模式，支持流模式。批量流提供了同频带信号传输，通过一个标准批量传送支持多路多个独立逻辑数据流协议。这种作法简化了USB设计复杂的类协议。例如，USB SCSI (UAS)海量存储类使用批量流代替简单的BOT协议。在BOT中，一次只有一个pending请求，而在UAS中，一次可能有n-1个请求，这里n是批量端点中支持的流数。实现和维护一个复杂的类协议也可能使处理器一直很忙。对于BOT来说单个平面数据结构就够了，UAS协议要求基于优先级的数据结构用于实现外设端固件。

常用USB设备结构分析

　　考虑到海量存储设备是市场上最常见的高性能USB外设，我们会举一个海量存储设备的例子，来精确的分析其性能。

　　我们将讨论数据方面，这是因为大部分时间里接口将涉及数据包传输而不是控制包。

　　数据传输步骤：

　　1.处理器收到一个USB请求。

　　2.处理器处理这个请求。

　　3.处理器依次存储读/写请求。

　　4.处理器等待传输完成。

　　5.处理器发送完成情况到USB host

　　这次传输的时间结构

　　总延时 = X Y Z

　　这里，X，Y和Z是主要的延时构成，解释如下：

　　1.延时X是传输请求数据包在主机和处理器之间所花的时间。这取决于USB协议和USB设备硬件处理效率。请求数据包大小只有几十个字节，所以延时只有几纳秒。

　　2.延时Y代表的是处理器处理USB请求和建立直接存储器存取所需要的时间。这取决于处理器类型，线程/过程数目，软件架构。对于通用处理器处理大量的过程和任务来说，操作系统处理延迟可能很大程度取决于中断延时，内容切换延迟，队列延迟等。最坏的情况下，延时Y可能达到数百微秒。

　　3.延迟Z是指数据在USB和存储设备之间传输所需的时间，这取决于请求类型。还取决于直接存储器存取结构和存储设备类型，并不取决于USB速度，因为这里瓶颈会是存储速度而不是USB速度(如SuperSpeed)。延迟Z可能在几毫秒和数微秒之间，取决于存储设备类型和数据大小。

　　虽然USB速度快了十倍(从480Mbps 到 5Gbps)，但是真正的吞吐量将远远低于理论值，因为USB延时(X)比操作系统处理延迟(Y)和存储传输延迟(Z)都小得多，其相对于总延时可以忽略不计。Z延时可以通过选择更好的存储设备来改进，但是Y延时，则需要通过更有效地系统设计来管理。

　　效率

　　要发挥USB 3.0的全部潜力，需进行以下变化：

　　高性能处理器：处理器由于USB 3.0引起的复杂性和任务处理的数量都将大幅上升。如果希望其他应用性能不受影响，就需要一个功能强大的处理器。

　　影响：这不仅会增加产品成本，而且还会增加功耗，对于手持设备来说，这是很不利的。

　　必须改变现有的系统架构来适应USB 3.0。同时，如果USB 3.0的全部潜能都可以实现，就需要大容量和高性能的存储设备。

　　影响：这将增加系统的复杂度，因此影响了推向市场的时间和项目风险。　重新设计来提高性能

不需要将USB控制器连接到通用处理器(GP)，可以连接到一个I/O模块。这种I/O模块类型叫做I/O通道，这里I/O模块增强为一个独立的处理器。GP指挥I/O通道在主存储器中执行程序。I/O通道拿到这些指令并执行他们，并不需要GP干预。GP只是当整个序列完成时产生中断。

　　如果I/O模块有自己的本地存储器，那么就称为I/O处理器。这种设置减少了通用处理器的参与。使用这种方式，可以避免需要使用高性能处理器和结构的变化，从而可以减少系统成本和量产风险。西桥就是这样一个智能I/O处理器，它把外设控制器增强了并模块化到了一个嵌入式计算机结构。南桥也是用很类似的方式来提高数据在PC的吞吐量，西桥结构提高了吞吐量，可以用于USB，通用处理器，存储器，及其他外设之间的高吞吐量数据传输。

　　西桥器件是专为这种操作设计的，可以显著提高性能。由于数据传输的总延迟依赖于处理延迟，当使用西桥结构后会大大降低这种延迟。

　　影响通用处理器性能的主要因素取决于中断的频率。简而言之，每次GP收到中断，内容都需要切换，执行ISR，从而增加了其他运行程序的时间。当使用西桥器件时，大部分USB相关中断由它处理，从而提高了GP的性能。

　　下面是一个15.1 GB的嵌入式多媒体卡(eMMC) 使用海量存储类驱动枚举的性能测试。没有西桥时GP不得不处理很多中断。下图描绘了系统的各项任务处理结果。中断数量为log2单位。

　　上表反映了使用特定应用的I/O处理器(如西桥)时，GP必须处理的中断减少的数目。没有西桥，GP要处理大量的中断，产生‘super speed’迫使GP要很长时间保持空闲状态(由于次要的内容切换)。相反，GP可以把这些任务释放给西桥，保持其处理其他实时任务的效率，充分发挥USB 3.0的潜力。西桥结构不仅可以简化整体系统平台结构，它还可以提高整体性能并降低项目风险。