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USB3.0的高速信息传输瓶颈研究

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引言

自从USBIF网站上发布USB3.0规范1.0版本以来,国内外都对这个新技术非常热衷,各方面研究USB3.0。应运而生的USB3.0相关的产品很多,如U盘、读卡器、移动硬盘等,让USB3.0接口更加普及的是电脑的主板上也有USB3.0的接口,因为它的接口方便简洁,最重要的是其传输速度非常之快,主要应用于大规模像素的数码相机领域的实时图像传输方面。USB3.0的接口、协议比之前USB2.0都有所改变,在技术上有了很大突破。但是发展到一定程度就到了瓶颈之处,这个瓶颈不是USB3.0协议的问题,而是芯片和USB3.0的线缆所造成的。

1 USB3.0简介

USB3.0也称为Super Speed USB,就是超速的意思,比特率高达5 Gb/s。引用Intel专家Jeff Ravencraft的话来讲:“以25 GB的文件传输为例,USB2.0需要14 min,而3.0只需70 s左右”。

为了减少接口不同带来的麻烦,USB3.0的接口与USB2.0类似,只是增加了几条并行数据总线。因此,USB3.0不仅兼容USB2.0的功能,还比它多出了几个优点:

① 最大化地提高带宽,全双工方式,速度高达5 Gb/s,而USB2.0为半双工方式,速度为480 Mb/s;并且比USB 2.0多了5个传输触点,原本内部只有单面触点,现在变成两面都有。

② 较好的电源管理改善了电流的输出,虽然USB3.0依旧保持了5 V电压(一般都是在4~5 V左右浮动),但是电流部分从一组HUB最高500 mA增加到了900 mA,对设备的稳定工作和连接数量都能提供更好的支持,尤其是连接比较耗电的设备(例如移动硬盘或者外接多声道的声卡)。

③ 使主机为器件提供更多的功率支持,从而实现USB设备的应用,如USB充电电池、LED照明和迷你风扇等。

④ 能够让主机更快地识别器件。

⑤ 提高了数据处理的效率。

2 USB3.0数据传输问题及解决方法

2.1 USB3.0数据传输瓶颈

虽然USB3.0有这么多的优点,但缺点也是不可忽视的。主要的缺点是USB3.0速度已经如此之高,所规定的线材长度需要达到5 cm,但是USB设备还需要供电,这就造成传输线内部信号干扰十分严重。解决方法有两个:一是改良线缆的材料;二是从控制芯片下手。前者若将铜线变成光纤,成本会大大增加,所以主要以第二种解决方法为主。后者改良控制芯片也很有难度,主要方法是将信号增幅与滤波,先将传输过后的衰减信号进行放大,然后滤除掉不必要的信号。

2.2 控制芯片研究

自从USB3.0协议公布以来,各大厂商开始研发USB3.0芯片及其产品。其中一些已经进入市场使用,电脑的主板也加入了USB3.0芯片。就算是比较老式的台式机也可以插上USB3.0接口的扩展卡,使用时安装对应厂商的驱动程序即可使用。在此我们用祥硕公司的AsMedia104X USB3.0控制芯片来研究。图1所示为USB3.0装上驱动后的状态。

图1 USB3.0驱动装上状态

2.3 性能测试及结果

利用一个测试移动设备的软件ATTO Disk Benchmark来测试USB3.0接口的速度。选择方便测试的设备——USB3.0的U盘,只有两个接口都是USB3.0的配置才能发挥出超速的优势。图2所示就是USB3.0的U盘在USB2.0与USB3.0的接口上分别运行的测试结果,可见在USB3.0的接口上性能更好,速率更高。

图2 USB2.0与USB3.0速率对比

图2 USB2.0与USB3.0速率对比(续)

图3对比了U盘连接一根USB3.0的延长线时运行的速率结果。数据结果差不多,只是有延长线的结果稍微小了一点。这说明线的长度是有影响的,并且USB3.0接口不能远距离传输,这一点不利于一些大型应用。一些大机器不能随便移动位置,如果与USB3.0接口距离太远,就发挥不了其优势,这样会使它显得多余。

图3 USB3.0有无延长线的速率对比

图3 USB3.0有无延长线的速率对比(续)

结语

综上所述,由各方面的数据结果和理论研究可知,USB3.0高速信息传输的瓶颈在于不能远距离传输,要解决这个问题,一方面是改变线缆的材质,光纤的传播速度非常快,如果用光纤与USB3.0相结合,将会让速度提高很多。另一方面从控制芯片考虑,通过芯片公司的设计来解决,而且要考虑怎么减小外界环境对速度传输的影响。用过的人都知道,有时候虽然是在USB3.0的接口使用,但设备不一定启用超速,要么驱动装的不对,要么其他方面出了问题,这也是需要研究解决的问题。

参考文献

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

[2] 肖飚,朱国祥.USB3.0电缆的研发[C]//段福亮,陈喆.中国通信学会2010年光缆学术年会论文集.北京:电子工业出版社,2010.

[3] 黄辉.USB3.0技术发展和展望[J]. 大众硬件, 2008(10).

[4] Joseph Juan. 克服USB3.0系统设计中的挑战[J].中国电子商情,2012(8).

[5] 胡进.冷眼看USB3.0接口[J].电脑报,2012(5).

朱君丽(硕士研究生)、汪文(副教授),主要研究方向为计算机网络技术、智能控制、FPGA。

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