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5Gbps正当时!实战USB 3.0传输大提速
  • 2012-7-20 10:47:48
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  • 来源:泡泡网
  • 网站编辑:黄旭
【电脑报在线】前不久我们在《解除30MB/s魔咒!实战USB2.0大提速》一文中介绍了USB2.0(HighSpeed)接口大提速,修改BOT传输块大小后成功将USB2.0的传输速度提升至40MB/s+的水平,而对于已经在享受USB3.0(SuperSpeed)的用户来说,面对5Gbps的理论速度是否也能如法炮制,性能又能提升多少呢?
    前不久我们在《解除30MB/s魔咒!实战USB2.0大提速》一文中介绍了USB2.0(HighSpeed)接口大提速,修改BOT传输块大小后成功将USB2.0的传输速度提升至40MB/s+的水平,而对于已经在享受USB3.0(SuperSpeed)的用户来说,面对5Gbps的理论速度是否也能如法炮制,性能又能提升多少呢?

    

    2008年USB-IF组织正式发布了USB3.0,全面取代已有的USB2.0规范,理论传输速度达到了5Gbps,相比USB2.0提升了约10倍。在经历了长达四年的酝酿后,USB3.0已经展现出强大的竞争力,Intel和AMD基于原生USB3.0的芯片组控制器已经成为主流产品的标配,留给第三方芯片厂商机会已经不多,而USB3.0存储设备也出现了全面开花的景象。

    

    基于5Gbps的传输速度,USB3.0不得不改用全新的传输总线设计,而为保持向下兼容,陈旧的BOT传输协议并没有立马升级,BOT是否已经过时,阻碍了USB3.0存储设备的高速道路呢?崭露头角的USAP协议又将给USB3.0数据传输带来哪些变革呢?

     双路并发!USB3.0数据传输总线解析

    我们知道USB2.0基于半双工单总线设计,只能提供单向数据流传输,而USB3.0采用了对偶四线制差分信号线,故而支持双向并发数据流传输,这也是新规范速度猛增的关键原因。

    

    

    

    标准USB3.0接口针脚定义

       
    USB3.0数据线缆

    USB3.0的接口相对USB2.0有很大的变动,线缆增加到9条。由于USB3.0为了获得超高的传输速度,单纯在USB2.0四线缆(实际数据传输为单对总线设计)上提升难度非常大,几乎不可能实现。但是又不能因此而放弃USB2.0,那怎么办呢,于是USB3.0保留了USB2.0传输的4条线缆,添加2对全新的传输总线。分别为Rx和Tx(共4条)。
    
    USB2.0/3.0数据传输总线(D+D-为USB2.0)
    
    USB3.0双总线设计

    USB3.0接口总共有3组数据传输总线,其中两组为USB3.0专有,而另外一组为USB2.0专有,所以数据传输就不用像USB2.0那样半双工工作,所以Rx(接收)和Tx(发送)就能各司其职,只负责单向传输,能够有效的提高传输速度,重要的是它结束了USB2.0时代半双工数据传输。

     为高速而生!USB3.0数据编码方式解析

    由于USB3.0极高的传输速度,迫使其不能再使用USB2.0时代的NRZI编码(关于NRZI编码参考:揭秘USB2.0糟糕的实际传输速度),而是采用了安全性更高的8b/10b编码方式,这一传输协议被广泛应用于SATA3Gbps、PCI-Express2.0、1Gbps千兆以太网等传输总线上。

    

    8b/10b分组编码示意图

    

    8b/10b编码对传输的数据每8b进行分组,然后向8b数据插入2b的校验数据,如果传输过程发生异常,就可以根据校验原理,还原出原始的数据。这样USB3.0的实际最大有限速率就要打80%的折扣了,也就是5Gbps*8/10=4Gbps,也就是500MB/s。

    

    

    数据发送编码流程

    

    

    数据接收解码流程

    在这里要提到一个问题那就是B和b的区别,很多读者分不清这两者的区别,B是指1个字节,也就是8b,它主要是用来度量数据容量的,当然也可以用---B/s表示数据传输速度。而b则是一个字,它用来衡量数据传输速度的单位,因为在数据传输的过程中是以一个字为单位的,所以用b。

    

    

    USB3.0数据总线图

    从上图我们看到当启用USB3.0传输时,实际用于数据传输的就是Rx(接收)和Tx(发送)两组数据总线,相比USB2.0,分离的总线设计,保证了发送和接收数据的独立,而借助新的8b/10b数据传输编码方式,可以大幅提升传输带宽频率,另外数据传输的安全性也得到了极大的提高。

    

    

    USB2.0和USB3.0数据传输

    从上图我们可以看到USB3.0的两对数据总线能够同时发送和接受数据而不受影响,而8b/10b的编码方式也使数据传输更加安全准确。

    

    回归到USB3.0传输的协议和编码上去,目前USB3.0仍然基于传统的BOT协议,理论传输速度和USB2.0一样都要打折扣,而由于USB3.0理论500MB/s的实际数据传输率,目前来说大部分的存储设备是无法达到这一传输速度,我们可以预见对于低俗存储设备,提速效果并不明显。

     便携大容量存储先锋SATA-USB方案解析

    作为大容量存储的典范,SATA-USB方案受到了不少用户的青睐,相比传统的Flash存储,产品拥有足够的容量、成本控制也渐趋合理,另外在传输速度方面也有不错的表现,更重要的是USB3.0带宽已经完全跟上了SATA的脚步。

    

    成熟的SATA-USB存储解决方案

    

    而在本文里面我们把主要测试集中在SATA-USB方面,既有大容量HDD也有高速的SSD,我们知道SATA接过IDE的枪后,已经经历了三代SATAI、SATAII和SATAIII,传输带宽分别为1.5Gbps、3Gbps和6Gbps。

    

    SATA数据传输也采用了双总线设计(发送和接收总线互相独立)

    从1.5Gbps、3Gbps和6Gbps表面上来看,对应的数据传输率分别为187.5MB/s、375MB/s和750MB/s,但是实际上SATA传输协议也采用了8b/10b的编码方式,和USB3.0表现一致,得到的实际有效数据传输率则分别为150MB/s、300MB/s和600MB/s。

    

    主流SATA-USB3.0芯片规格

    而目前来说主流的SATA-USB3.0解决方案都停留在SATA3Gbps,所以你很难看到实际传输速率大于300MB/s的硬盘盒或底座,而本次测试的产品--麦沃K308U3也是基于这一解决方案。

    

    银欣TS-07硬盘盒基于ASMediaASM1051E设备控制器

    SATA6Gbps--USB3.0方案比较常见的有ASMedia(祥硕)ASM1051E和Renesas(瑞萨)uPD720230。目前完美支持SATA6Gbps规范的产品并不多,已知的仅有银欣TS-07硬盘盒、TtBlacX5G硬盘底座,这两款产品均基于ASMediaASM1051E设备控制器,除了支持SATA6Gbps,还支持USAP传输协议。

     测试平台和测试方法介绍

    测试平台方面,由于受到USAP协议的限制,我们使用了ASM1042USB3.0主控方案的主板--华硕P8Z77-VPRO,主板提供了两种USB3.0解决方案,另外主板还提供四个原生USB3.0接口(基于IntelZ77芯片组)。

    

    华硕P8Z77-VPRO第三方USB3.0解决方案--ASMediaASM1042

    

    麦沃K308U3硬盘底座和威刚256GBSSD

    

    三星64GBSSD

    

    西数320GBHDD

    测试的USB3.0存储设备为美沃K308硬盘底座。测试的硬盘既有高速SSD,也有常规HDD。其中HDD更接近主流用户的使用体验,而使用SSD测试则是尽量逼近USB3.0的传输极限,为USB3.0提速做铺垫。

    

    规格方面,美沃K308硬盘底座基于祥硕ASM1051SATA-USB3.0设备控制器,最高支持SATA3Gbps传输规范,另外芯片还支持USAP协议。不过使用SATA6GbpsSSD作为存储介质则会降级至SATA3Gbps规格。

    

    金士顿DataTravelerUltimate3.0G216GBU盘

    

    西部数据MyPassport1TB移动硬盘

    另外作为便携USB3.0存储的主力军,我们也加入了USB3.0U盘和USB3.0移动硬盘来验证提速效果,测试的U盘型号为金士顿DataTravelerUltimate3.0G216GB,移动硬盘则来自西部数据的MyPassport1TB,不过这两款产品和测试的硬盘底座不同,并不支持USAP协议。

     提速核心--USAP和Turbo传输模式解析

    测试成绩方面共有四部分--BOT协议默认、BOT协议提速、USAP协议以及原生SATA协议。其中USAP协议属于USB3.0新规范特有,虽然USB-IF有规划在USB2.0上推广USAP协议,不过面临USB3.0全面席卷以及USB2.0提速潜力不大的缘故,这一计划很大可能会搁浅。

    BOT协议提速改造请参考:USB2.0大提速!实战BOT协议改良

    

    USAP模式数据传输模型图

    

    Turbo模式数据传输模型图

    BOT协议提速方面,华硕主板提供了USB3.0Boost提速技术,该技术通过加大串行传输模块大小,以提升带宽利用效率进而提高传输速率,另外我们还会加入《解除30MB/s魔咒!实战USB2.0大提速》一文中用到的提速技术,实际上和华硕USB3.0Boost提速技术使用了相同的原理,只不过优化略有不同,为区分这两个提速方案,我们将华硕USB3.0Boost技术描述为Boost,而提速技术描述为Turbo。

    

    华硕USB3.0提速技术通过整合在AISuite工具套件中的USB3.0Boost应用程序,自动实现USB3.0存储设备的提速,提速分为两种模式:Turbo和USAP,目前所有的存储设备都已经至少支持Turbo提速技术,而少部分支持USAP传输协议,这些产品会在接入USB3.0后自动开启USAP传输模式。

    

    可开启USAP传输模式

    

    可开启Boost传输模式

    值得注意的是启用USAP需要HostController(主控)和Deviceontroller(存储设备控制器)同时支持USAP传输协议,二者缺一不可,并需要在系统平台上安装USAP协议驱动。

     直逼SATA原生性能硬盘底座USAP提速测试

    首先测试的一组成绩为美沃K308硬盘底座搭配三款2.5英寸SSD/HDD的成绩,另外我们也加入了一组SATA3Gbps原生模式的读写性能成绩,以对比USB3.0的传输效率。

    

    ATTODiskBenchmark项目测试

    

    ASSSD项目测试

    

    在ASSSD和ATTODiskBenchmark测试中,无论是读取还是写入,SATA原生均全面领先USB3.0解决方案,这还包括提速后的性能成绩。我们注意到低速的HDD对USB3.0的传输带宽并没有明显的依赖,无论是采用SATA还是USB3.0,也无论是USB3.0默认还是提速模式下,整体读写速度都没有明显的改善,这完全在预料之中。

    由于320GBHDD的数据传输率并不高,无论是USB3.0还是SATA3Gbps带宽都没有被充分利用,也就是传输带宽并不构成瓶颈,320GBHDD传输性能几乎没有损失。对于两款SSD(SATA6Gbps)其读取速度已经超过了SATA3Gbps的理论极限300MB/s,测试成绩之所以没有达到300MB/s的理论速度,是因为传输环境干扰、数据编码转换浪费了一定的带宽。

    回到USB3.0提速上来,我们看到USAP模式已经具备非常高的效率,相比默认BOT协议传输速率得到大幅提升,这主要是默认USB3.0传输带宽利用率低下所致。另外提速模式性能表现也非常抢眼,已经能和USAP相媲美了。

     设备性能成瓶颈移动存储Turbo提速测试

    接下来一组测试则是基于便携的USB3.0闪存和USB3.0移动硬盘,很可惜这两款产品并不支持USAP协议,我们知道华硕P8Z77-VPRO主板USB3.0Boost提供三种工作模式:默认、Turbo、USAP,而一款设备只能支持USAP和Turbo模式中的一种,而本组测试的闪存和移动硬盘启用的就是Turbo模式。

    

    ATTODiskBenchmark项目测试

    

    ASSSD项目测试

    ASSSD和ATTODiskBenchmark测试成绩再次表现出惊人的相似,受到U盘和移动硬盘读写速度平平的影响,无论是提速还是Turbo模式,传输速率提升都非常微弱,这也再次印证了低速(相对于5Gbps速度来说)USB3.0传输设备的数据传输瓶颈不在于传输规范,而是设备本身,因为此时的数据带宽是完全冗余的,无论是改变传输协议还是传输模式,传输速率都不会有明显的提升。

     3Gbps已过时HDD/SSD混战原生SATA接口

    最后一组附加测试和USB3.0其实并没有具体关系,纳入文章主要是反映SATA理论传输速率也存在传输效率问题,测试的三款2.5英寸HDD/SSD规格分别为:320GBHDD--SATA3Gbps、64GBSSD--SATA6Gbps、256GBSSD--SATA6Gbps。

    

    IntelZ77芯片组提供2种规格SATA接口

    测试分两组进行,其中一组测试SATA3Gbps模式下传输速率,对应的接口为Z77原生SATA3Gbps接口,另外一组为SATA6Gbps模式,对应的接口则为Z77原生SATA6Gbps接口。

    

    

    ATTODiskBenchmark项目测试

    

    

    ASSSD项目测试

    320GBHDD在实际测试中无论是SATA3Gbps模式还是在SATA6Gbps模式,传输速度几乎一致,这也从一个侧面反映出HDD顺应潮流采用新的SATA6Gbps接口没有多大必要。

    64GBSSD和256GBSSD由于具备优秀的读写性能,由SATA3Gbps变化为SATA6Gbps模式后传输速度出现了大幅提升,尤其是读取速度,特别是在ATTODiskBenchmark测试中最大读写速度达到了惊人的558MB/s,逼近SATA6Gbps的理论传输极限。

    而从两款SSD的SATA3Gbps和SATA6Gbps传输速率对比成绩来看,我们有理由相信如果有更高的传输规格,传输速率应该还有一定的提升空间。

    
 

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