USB3.0的高速信息傳輸瓶頸研究

朱君麗，汪文

（中國地質大學 機械與電子信息學院，武漢430074）

朱君麗（碩士研究生）、汪文（副教授），主要研究方向為計算機網絡技術、智能控制、FPGA。

引 言

自從USB－IF網站上發布USB3.0規范1.0版本以來，國內外都對這個新技術非常熱衷，各方面研究USB3.0。應運而生的USB3.0相關的產品很多，如U盤、讀卡器、移動硬盤等，讓USB3.0接口更加普及的是電腦的主板上也有USB3.0的接口，因為它的接口方便簡潔，最重要的是其傳輸速度非常之快，主要應用于大規模像素的數碼相機領域的實時圖像傳輸方面。USB3.0的接口、協議比之前USB2.0都有所改變，在技術上有了很大突破。但是發展到一定程度就到了瓶頸之處，這個瓶頸不是USB3.0協議的問題，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據總線。因此，USB3.0不僅兼容USB2.0的功能，還比它多出了幾個優點：

① 最大化地提高帶寬，全雙工方式，速度高達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個傳輸觸點，原本內部只有單面觸點，現在變成兩面都有。

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），但是電流部分從一組HUB最高500mA增加到了900mA，對設備的穩定工作和連接數量都能提供更好的支持，尤其是連接比較耗電的設備（例如移動硬盤或者外接多聲道的聲卡）。

③使主機為器件提供更多的功率支持，從而實現USB設備的應用，如USB充電電池、LED照明和迷你風扇等。

④ 能夠讓主機更快地識別器件。

⑤ 提高了數據處理的效率。

2 USB3.0數據傳輸問題及解決方法

2.1 USB3.0數據傳輸瓶頸

雖然USB3.0有這么多的優點，但缺點也是不可忽視的。主要的缺點是USB3.0速度已經如此之高，所規定的線材長度需要達到5cm，但是USB設備還需要供電，這就造成傳輸線內部信號干擾十分嚴重。解決方法有兩個：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協議公布以來，各大廠商開始研發USB3.0芯片及其產品。其中一些已經進入市場使用，電腦的主板也加入了USB3.0芯片。就算是比較老式的臺式機也可以插上USB3.0接口的擴展卡，使用時安裝對應廠商的驅動程序即可使用。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裝上驅動后的狀態。

圖1 USB3.0驅動裝上狀態

2.3 性能測試及結果

利用一個測試移動設備的軟件ATTO Disk Benchmark來測試USB3.0接口的速度。選擇方便測試的設備——USB3.0的U盤，只有兩個接口都是USB3.0的配置才能發揮出超速的優勢。圖2所示就是USB3.0的U盤在USB2.0與USB3.0的接口上分別運行的測試結果，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的延長線時運行的速率結果。數據結果差不多，只是有延長線的結果稍微小了一點。這說明線的長度是有影響的，并且USB3.0接口不能遠距離傳輸，這一點不利于一些大型應用。一些大機器不能隨便移動位置，如果與USB3.0接口距離太遠，就發揮不了其優勢，這樣會使它顯得多余。

圖2 USB2.0與USB3.0速率對比（續）

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）

結 語

綜上所述，由各方面的數據結果和理論研究可知，USB3.0高速信息傳輸的瓶頸在于不能遠距離傳輸，要解決這個問題，一方面是改變線纜的材質，光纖的傳播速度非常快，如果用光纖與USB3.0相結合，將會讓速度提高很多。另一方面從控制芯片考慮，通過芯片公司的設計來解決，而且要考慮怎么減小外界環境對速度傳輸的影響。用過的人都知道，有時候雖然是在USB3.0的接口使用，但設備不一定啟用超速，要么驅動裝的不對，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［C］／／段福亮，陳喆.中國通信學會2010年光纜學術年會論文集.北京：電子工業出版社，2010.

［3］黃輝.USB3.0技術發展和展望［J］.大眾硬件，2008（10）.

［4］Joseph Juan.克服 USB3.0系統設計中的挑戰［J］.中國電子商情，2012（8）.

［5］胡進.冷眼看 USB3.0接口［J］.電腦報，2012（5）.