2012年7月21日

5Gbps正當時!實戰USB 3.0大提速

實戰USB 3.0數據傳輸大提速

  不久前我們在《解除30MB/s魔咒!實戰USB 2.0大提速》 一文中介紹了如何通過修改BOT傳輸塊大小,成功將HighSpeed USB 2.0接口大提速的傳輸速度提升至40MB/s以上的水平,而對於已經在享受SuperSpeed USB 3.0的用戶來說,面對5Gbps的理論速度是否也能如法炮製?性能又能提升多少呢?

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速

2008年USB-IF組織正式發佈了USB 3.0,全面取代已有的USB 2.0規範,理論傳輸速度達到了5Gbps,相比USB 2.0提升了約10倍。在經歷了長達四年的醞釀後,USB 3.0已經展現出強大的競爭力,Intel和AMD基於原生USB 3.0的芯片組控制器已經成為主流產品的標配,留給第三方芯片廠商機會已經不多,而USB 3.0存儲設備也出現了全面開花的景象。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速

基於5Gbps的傳輸速度,USB 3.0不得不改用全新的傳輸總線設計,而為保持向下兼容,陳舊的BOT傳輸協議並沒有立馬升級。BOT是否已經過時,阻礙了USB 3.0存儲設備的高速道路呢?嶄露頭角的UASP協議又將給USB 3.0數據傳輸帶來哪些變革呢?

雙路並發!USB 3.0數據傳輸總線解析

我們知道,USB 2.0基於半雙工單總線設計,只能提供單向數據流傳輸,而USB 3.0採用了對偶四線制差分信號線,故而支持雙向並發數據流傳輸,這也是新規範速度猛增的關鍵原因。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
標準USB 3.0接口針腳定義

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USB 3.0數據線纜

USB 3.0的接口相對USB 2.0有很大的變動,線纜增加到9條。由於USB 3.0為了獲得超高的傳輸速度,單純在USB 2.0四線纜(實際數據傳輸為單對總線設計)上提升難度非常大,幾乎不可能實現。但是又不能因此而放棄USB 2.0,那怎麼辦呢,於是USB 3.0保留了USB 2.0傳輸的4條線纜,添加2對全新的傳輸總線。分別為Rx和Tx(共4條)。

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USB 2.0/3.0數據傳輸總線(D+ D-為USB 2.0)

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
USB 3.0雙總線設計

USB 3.0接口總共有3組數據傳輸總線,其中兩組為USB 3.0專有,而另外一組為USB 2.0專有,所以數據傳輸就不用像USB 2.0那樣半雙工工作,所以Rx(接收)和Tx(發送)就能各司其職,只負責單向傳輸,能夠有效的提高傳輸速度,重要的是它結束了USB 2.0時代半雙工數據傳輸。

為高速而生!USB 3.0數據編碼方式解析

由於USB 3.0極高的傳輸速度,迫使其不能再使用USB 2.0時代的NRZI編碼,而是採用了安全性更高的8b/10b編碼方式,這一傳輸協議被廣泛應用於SATA 3Gbps、PCI Express 2.0、1Gbps千兆以太網等傳輸總線上。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
8b/10b分組編碼示意圖

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8b/10b編碼對傳輸的數據每8b進行分組,然後向8b數據插入2b的校驗數據,如果傳輸過程發生異常,就可以根據校 驗原理,還原出原始的數據。這樣USB 3.0的實際最大有限速率就要打80%的折扣了,也就是5Gbps*8/10=4Gbps,或者說500MB/s。

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數據發送編碼流程

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
數據接收解碼流程

在這裡要提到一個問題那就是B和b的區別。很多讀者分不清這兩者的區別,B是指1個字節(Byte),也就是8b,主要 是用來度量數據容量的,當然也可以用---B/s表示數據傳輸速度。b則是一個比特(bit),用來衡量數據傳輸速度的單位,因為在數據傳輸的過程中是以 一個比特為單位的,所以用b。

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USB 3.0數據總線圖

從上圖我們看到當啟用USB 3.0傳輸時,實際用於數據傳輸的就是Rx(接收)和Tx(發送)兩組數據總線,相比USB 2.0,分離的總線設計,保證了發送和接收數據的獨立,而借助新的8b/10b數據傳輸編碼方式,可以大幅提升傳輸帶寬頻率,另外數據傳輸的安全性也得到 了極大的提高。

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USB 2.0和USB 3.0數據傳輸  

從上圖我們可以看到USB 3.0的兩對數據總線能夠同時發送和接受數據而不受影響,而8b/10b的編碼方式也使數據傳輸更加安全準確。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速

回歸到USB 3.0傳輸的協議和編碼上去,目前USB 3.0仍然基於傳統的BOT協議,理論傳輸速度和USB 2.0一樣都要打折扣,而由於USB 3.0理論500MB/s的實際數據傳輸率,目前來說大部分的存儲設備是無法達到這一傳輸速度,我們可以預見對於低俗存儲設備,提速效果並不明顯。

便攜大容量存儲先鋒 SATA-USB方案解析

作為大容量存儲的典範,SATA-USB方案受到了不少用戶的青睞,相比傳統的Flash存儲,產品擁有足夠的容量、成本控制也漸趨合理,另外在傳輸速度方面也有不錯的表現,更重要的是USB 3.0帶寬已經完全跟上了SATA的腳步。

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成熟的SATA-USB存儲解決方案

而在本文裡面我們把主要測試集中在SATA-USB方面,既有大容量HDD也有高速的SSD。我們知道,SATA接過IDE的槍後,已經經歷了三代SATA I、SATA II和SATA III,傳輸帶寬分別為1.5Gbps、3Gbps和6Gbps。

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SATA數據傳輸也採用了雙總線設計(發送和接收總線互相獨立)

從1.5Gbps、3Gbps和6Gbps表面上來看,對應的數據傳輸率分別為187.5MB/s、375MB/s和 750MB/s,但是實際上SATA傳輸協議也採用了8b/10b的編碼方式,和USB 3.0表現一致,得到的實際有效數據傳輸率則分別為150MB/s、300MB/s和600MB/s。

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主流SATA-USB 3.0芯片規格

而目前來說主流的SATA-USB 3.0解決方案都停留在SATA 3Gbps,所以你很難看到實際傳輸速率大於300MB/s的硬盤盒或底座,而本次測試的產品--麥沃K308U3也是基於這一解決方案。

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銀欣TS-07硬盤盒基於ASMedia ASM1051E設備控制器

SATA 6Gbps--USB 3.0方案比較常見的有ASMedia(祥碩) ASM1051E和Renesas(瑞薩) uPD720230。目前完美支持SATA 6Gbps規範的產品並不多,已知的僅有銀欣TS-07硬盤盒、Tt BlacX 5G硬盤底座,這兩款產品均基於ASMedia ASM1051E設備控制器,除了支持SATA 6Gbps,還支持UASP傳輸協議。

測試平台和測試方法介紹

測試平台方面,由於受到UASP協議的限制,我們使用了祥碩ASM1042 USB 3.0主控方案的主板--華碩P8Z77-V PRO,主板提供了兩種USB 3.0解決方案,另外主板還提供四個原生USB 3.0接口(基於Intel Z77芯片組)。

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華碩P8Z77-V PRO第三方USB 3.0解決方案--ASMedia ASM1042

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麥沃K308U3硬盤底座和威剛256GB SSD

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三星64GB SSD

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西數320GB HDD

測試的USB 3.0存儲設備為美沃K308硬盤底座。測試的硬盤既有高速SSD,也有常規HDD。其中HDD更接近主流用戶的使用體驗,而使用SSD測試則是儘量逼近USB 3.0的傳輸極限,為USB 3.0提速做鋪墊。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
美沃K308硬盤底座內部結構以及設備控制器方案

規格方面,美沃K308硬盤底座基於祥碩ASM1051 SATA-USB 3.0設備控制器,最高支持SATA 3Gbps傳輸規範,另外芯片還支持UASP協議。不過使用SATA 6Gbps SSD作為存儲介質則會降級至SATA 3Gbps規格。

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金士頓DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB U盤

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西部數據My Passport 1TB移動硬盤

另外作為便攜USB 3.0存儲的主力軍,我們也加入了USB 3.0 U盤和USB 3.0移動硬盤來驗證提速效果,測試的U盤型號為金士頓DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB,移動硬盤則來自西部數據的My Passport 1TB,不過這兩款產品和測試的硬盤底座不同,並不支持UASP協議。

提速核心:UASP和Turbo傳輸模式解析

測試成績方面共有四部分--BOT協議默認、BOT協議提速、UASP協議以及原生SATA協議。其中UASP協議屬於 USB 3.0新規範特有,雖然USB-IF有規劃在USB 2.0上推廣UASP協議,不過面臨USB 3.0全面席捲以及USB 2.0提速潛力不大的緣故,這一計劃很大可能會擱淺。

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UASP模式數據傳輸模型圖

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
Boost模式數據傳輸模型圖

BOT協議提速方面,華碩主板提供了USB 3.0 Boost提速技術,該技術通過加大串行傳輸模塊大小,以提升帶寬利用效率進而提高傳輸速率,另外我們還會加入之前用到的提速技術,實際上和華碩USB 3.0 Boost提速技術使用了相同的原理,只不過優化略有不同,為區分這兩個提速方案,我們將華碩USB 3.0 Boost技術描述為Boost,而提速技術描述為Turbo。

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UASP協議是USB和SCSI的結合體

華碩USB 3.0提速技術通過整合在AI Suite工具套件中的USB 3.0 Boost應用程序,自動實現USB 3.0存儲設備的提速,提速分為兩種模式:Turbo和UASP,目前所有的存儲設備都已經至少支持Boost提速技術,而少部分支持UASP傳輸協議, 這些產品會在接入USB 3.0後自動開啟UASP傳輸模式。

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可開啟UASP傳輸模式

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可開啟Boost傳輸模式

值得注意的是啟用UASP需要Host Controller(主控)和Device ontroller(存儲設備控制器)同時支持UASP傳輸協議,二者缺一不可,並需要在系統平台上安裝UASP協議驅動。

直逼SATA原生性能 硬盤底座UASP提速測試

首先測試的一組成績為美沃K308硬盤底座搭配三款2.5英吋SSD/HDD的成績,另外我們也加入了一組SATA 3Gbps原生模式的讀寫性能成績,以對比USB 3.0的傳輸效率。

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ATTO Disk Benchmark項目測試

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
AS SSD項目測試

在AS SSD和ATTO Disk Benchmark測試中,無論是讀取還是寫入,SATA原生均全面領先USB 3.0解決方案,這還包括提速後的性能成績。我們注意到,低速的HDD對USB 3.0的傳輸帶寬並沒有明顯的依賴,無論是採用SATA還是USB 3.0,也無論是USB 3.0默認還是提速模式下,整體讀寫速度都沒有明顯的改善,這完全在預料之中。

由於320GB HDD的數據傳輸率並不高,無論是USB 3.0還是SATA 3Gbps帶寬都沒有被充分利用,也就是傳輸帶寬並不構成瓶頸,320GB HDD傳輸性能幾乎沒有損失。對於兩款SSD(SATA 6Gbps)來說,其理論讀取速度已經超過了SATA 3Gbps的傳輸極限300MB/s,測試成績之所以沒有達到300MB/s理論速度,是因為傳輸環境干擾、數據編碼轉換浪費了一定的帶寬。

回到USB 3.0提速上來,我們看到UASP模式已經具備非常高的效率,相比默認BOT協議傳輸速率得到大幅提升,這主要是默認USB 3.0傳輸帶寬利用率低下所致。Turbo性能表現也非常搶眼,已經能和UASP相媲美了。

設備性能成瓶頸 移動存儲Turbo提速測試

接下來一組測試則是基於便攜的USB 3.0閃存和USB 3.0移動硬盤,很可惜這兩款設備並不支持UASP協議,我們知道華碩P8Z77-V PRO主板USB 3.0 Boost提供三種工作模式:默認、Boost、UASP,而一款設備只能支持UASP和Boost模式中的一種,而本組測試的閃存和移動硬盤啟用的就是 Boost模式,另外我們也照例加入了一組Turbo模式測試成績。

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ATTO Disk Benchmark項目測試

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
AS SSD項目測試

AS SSD和ATTO Disk Benchmark測試成績再次表現出驚人的相似,受到U盤和移動硬盤讀寫速度平平的影響,無論是Boost還是Turbo模式,傳輸速率提升都非常微弱,這也再次印證了低速(相對於5Gbps速度來說)USB 3.0傳輸設備的數據傳輸瓶頸不在於傳輸規範,而是設備本身,因為此時的USB 3.0數據帶寬是完全冗餘的,無論是改變傳輸協議還是傳輸模式,傳輸速率都不會有明顯的提升。

3Gbps已過時 HDD/SSD混戰原生SATA接口

最後一組附加測試和USB 3.0其實並沒有具體關係,納入文章主要是反映SATA理論傳輸速率也存在傳輸效率的問題,測試的三款2.5英吋HDD/SSD規格分別為:320GB HDD--SATA 3Gbps、64GB SSD--SATA 6Gbps、256GB SSD--SATA 6Gbps。

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Intel Z77芯片組提供2種規格SATA接口

測試分兩組進行,其中一組測試SATA 3Gbps模式下傳輸速率,對應的接口為Z77原生SATA 3Gbps接口,另外一組為SATA 6Gbps模式,對應的接口則為Z77原生SATA 6Gbps接口。

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
ATTO Disk Benchmark項目測試

5Gbps正当时!实战USB 3.0大提速
AS SSD項目測試

320GB HDD在實際測試中無論是SATA 3Gbps模式還是在SATA 6Gbps模式,傳輸速度幾乎一致,這也從一個側面反映出HDD順應潮流採用新的SATA 6Gbps接口沒有多大必要。

64GB SSD和256GB SSD由於具備優秀的讀寫性能,由SATA 3Gbps變化為SATA 6Gbps模式後傳輸速度出現了大幅提升,尤其是讀取速度,特別是在ATTO Disk Benchmark測試中最大讀寫速度達到了驚人的558MB/s,逼近SATA 6Gbps的理論傳輸極限。

而從兩款SSD的SATA 3Gbps和SATA 6Gbps傳輸速率對比成績來看,我們有理由相信如果有更高的傳輸規格,傳輸速率應該還有一定的提升空間。

 (文/PCPOP)

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