USB3.0的高速信息傳輸瓶頸研究

朱君麗，汪文

（中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074）

朱君麗（碩士研究生）、汪文（副教授），主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制、FPGA。

引 言

自從USB－IF網(wǎng)站上發(fā)布USB3.0規(guī)范1.0版本以來，國內(nèi)外都對這個(gè)新技術(shù)非常熱衷，各方面研究USB3.0。應(yīng)運(yùn)而生的USB3.0相關(guān)的產(chǎn)品很多，如U盤、讀卡器、移動(dòng)硬盤等，讓USB3.0接口更加普及的是電腦的主板上也有USB3.0的接口，因?yàn)樗慕涌诜奖愫啙?，最重要的是其傳輸速度非常之快，主要?yīng)用于大規(guī)模像素的數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)圖像傳輸方面。USB3.0的接口、協(xié)議比之前USB2.0都有所改變，在技術(shù)上有了很大突破。但是發(fā)展到一定程度就到了瓶頸之處，這個(gè)瓶頸不是USB3.0協(xié)議的問題，而是芯片和USB3.0的線纜所造成的。

1 USB3.0簡介

USB3.0也稱為Super Speed USB，就是超速的意思，比特率高達(dá)5Gb／s。引用Intel專家Jeff Ravencraft的話來講：“以25GB的文件傳輸為例，USB2.0需要14min，而3.0只需70s左右”。

為了減少接口不同帶來的麻煩，USB3.0的接口與USB2.0類似，只是增加了幾條并行數(shù)據(jù)總線。因此，USB3.0不僅兼容USB2.0的功能，還比它多出了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

① 最大化地提高帶寬，全雙工方式，速度高達(dá)5Gb／s，而USB2.0為半雙工方式，速度為480Mb／s；并且比USB 2.0多了5個(gè)傳輸觸點(diǎn)，原本內(nèi)部只有單面觸點(diǎn)，現(xiàn)在變成兩面都有。

② 較好的電源管理改善了電流的輸出，雖然USB3.0依舊保持了5V電壓（一般都是在4～5V左右浮動(dòng)），但是電流部分從一組HUB最高500mA增加到了900mA，對設(shè)備的穩(wěn)定工作和連接數(shù)量都能提供更好的支持，尤其是連接比較耗電的設(shè)備（例如移動(dòng)硬盤或者外接多聲道的聲卡）。

③使主機(jī)為器件提供更多的功率支持，從而實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的應(yīng)用，如USB充電電池、LED照明和迷你風(fēng)扇等。

④ 能夠讓主機(jī)更快地識(shí)別器件。

⑤ 提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

2 USB3.0數(shù)據(jù)傳輸問題及解決方法

2.1 USB3.0數(shù)據(jù)傳輸瓶頸

雖然USB3.0有這么多的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是不可忽視的。主要的缺點(diǎn)是USB3.0速度已經(jīng)如此之高，所規(guī)定的線材長度需要達(dá)到5cm，但是USB設(shè)備還需要供電，這就造成傳輸線內(nèi)部信號干擾十分嚴(yán)重。解決方法有兩個(gè)：一是改良線纜的材料；二是從控制芯片下手。前者若將銅線變成光纖，成本會(huì)大大增加，所以主要以第二種解決方法為主。后者改良控制芯片也很有難度，主要方法是將信號增幅與濾波，先將傳輸過后的衰減信號進(jìn)行放大，然后濾除掉不必要的信號。

2.2 控制芯片研究

自從USB3.0協(xié)議公布以來，各大廠商開始研發(fā)USB3.0芯片及其產(chǎn)品。其中一些已經(jīng)進(jìn)入市場使用，電腦的主板也加入了USB3.0芯片。就算是比較老式的臺(tái)式機(jī)也可以插上USB3.0接口的擴(kuò)展卡，使用時(shí)安裝對應(yīng)廠商的驅(qū)動(dòng)程序即可使用。在此我們用祥碩公司的As－Media104XUSB3.0控制芯片來研究。圖1所示為USB3.0裝上驅(qū)動(dòng)后的狀態(tài)。

圖1 USB3.0驅(qū)動(dòng)裝上狀態(tài)

2.3 性能測試及結(jié)果

利用一個(gè)測試移動(dòng)設(shè)備的軟件ATTO Disk Benchmark來測試USB3.0接口的速度。選擇方便測試的設(shè)備——USB3.0的U盤，只有兩個(gè)接口都是USB3.0的配置才能發(fā)揮出超速的優(yōu)勢。圖2所示就是USB3.0的U盤在USB2.0與USB3.0的接口上分別運(yùn)行的測試結(jié)果，可見在USB3.0的接口上性能更好，速率更高。

圖3對比了U盤連接一根USB3.0的延長線時(shí)運(yùn)行的速率結(jié)果。數(shù)據(jù)結(jié)果差不多，只是有延長線的結(jié)果稍微小了一點(diǎn)。這說明線的長度是有影響的，并且USB3.0接口不能遠(yuǎn)距離傳輸，這一點(diǎn)不利于一些大型應(yīng)用。一些大機(jī)器不能隨便移動(dòng)位置，如果與USB3.0接口距離太遠(yuǎn)，就發(fā)揮不了其優(yōu)勢，這樣會(huì)使它顯得多余。

圖2 USB2.0與USB3.0速率對比（續(xù)）

圖2 USB2.0與USB3.0速率對比

圖3 USB3.0有無延長線的速率對比

圖3 USB3.0有無延長線的速率對比（續(xù)）

結(jié) 語

綜上所述，由各方面的數(shù)據(jù)結(jié)果和理論研究可知，USB3.0高速信息傳輸?shù)钠款i在于不能遠(yuǎn)距離傳輸，要解決這個(gè)問題，一方面是改變線纜的材質(zhì)，光纖的傳播速度非?？欤绻霉饫w與USB3.0相結(jié)合，將會(huì)讓速度提高很多。另一方面從控制芯片考慮，通過芯片公司的設(shè)計(jì)來解決，而且要考慮怎么減小外界環(huán)境對速度傳輸?shù)挠绊?。用過的人都知道，有時(shí)候雖然是在USB3.0的接口使用，但設(shè)備不一定啟用超速，要么驅(qū)動(dòng)裝的不對，要么其他方面出了問題，這也是需要研究解決的問題。

［1］Hewlett－Packard Company，Intel Corporation， Microsoft Corporation，et al.Universal Serial Bus 3.0Specification，Revision 1.0，2008.

［2］肖飚，朱國祥.USB3.0電纜的研發(fā)［C］／／段福亮，陳喆.中國通信學(xué)會(huì)2010年光纜學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］黃輝.USB3.0技術(shù)發(fā)展和展望［J］.大眾硬件，2008（10）.

［4］Joseph Juan.克服 USB3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)［J］.中國電子商情，2012（8）.

［5］胡進(jìn).冷眼看 USB3.0接口［J］.電腦報(bào)，2012（5）.