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USB 2.0和USB 3.0的基本区别对比分析 来源：工程师周亮•作者：电子工程网• 2019-09-29 15:57 • 次阅读 • 个评论简介
USB由于具备简单、成熟、即插即用特征，所以在市场上很流行。然而，USB 2.0 480 Mbps的速度无法支持新一代存储和视频。因此，移植到一个更快标准的时机已经成熟，这就导致了USB 3.0新协议的开发。对于开发商而言，挑战是如何充分利用USB 3.0的潜能。本文将探讨使用USB 3.0硬件软件设计问题，本文主要介绍的是手持产品。首先，我们将比较USB 2.0和USB 3.0的性能，以及过渡到USB 3.0模块影响到的器件。
在一个普通的场景中，在device端，处理器直接连接到USB、存储器和外设。记住这种结构，由High-Speed过渡到SuperSpeed，处理器的影响可以概括如下： USB 2.0 VS USB 3.0 数据速率 USB 2.0和USB 3.0的基本区别是带宽。USB 2.0所提供的理论带宽是480Mbps。事实上，收到的最大吞吐量约为320Mbps （40MBps），它大致是理论值的三分之二。使用USB3.0，数据吞吐量为4.8Gbps。如果我们用相同的比例，那么预期的数据速率是3.2Gbps （400MBps）。然而，许多开发人员希望能提供更高的吞吐量。图1显示了USB 3.0 和USB 2.0用于Buffalo外部存储磁盘进行不同大小文件传输的数据率差异。应该指出的是，USB 3.0数据速率受储存设备约束，否则400 Mbps的数据速率很容易达到。 图1可以看出，单个请求传输大小增大了，数据传输速率也随之增加了。这是因为当请求传输大小增加时，请求数量和因此MSC设备要处理中断减少，那么整体性能就更好了。64 KB传输过后，数据速率达到饱和（因为Windows驱动在一个SCSI请求中不能请求超过64 KB的数据）。这些数据显示了中断在整个系统性能的重要性和影响。 高数据率增加了中断速率和数据请求速率，这使处理器负荷显著提高。当处理器忙于处理USB相关的实时请求时，增加了延时，用户会看到应用处理慢了下来，这并不是一个满意的结果。 数据流 USB 2.0数据请求一次只能是一个方向，与USB 2.0标准不同，USB 3.0支持同时读和写。这是因为USB 2.0是半双工协议，而USB 3.0是全双工协议。全双工通信是通过增加更多连接来支持同时传输数据的。它同时也带来了成本的增加和软件的复杂性。使用USB 2.0，处理器一次只参与传输，并且数据结构和请求处理非常简单。但随着全双工USB 3.0的到来，现在的数据结构需要加倍的信息。USB软件模块还需要能够处理同时的数据操作。 电源管理 封包传输协议改变了（例如，广播定向），设备polling消除了，link的定义和功能级中间状态，使USB3.0电源管理要很不错。我们将讨论USB设备处理器必须要做的事情，因为第三种降低功耗改变了，例如多种中间状态。 在USB 2.0中，状态只有ACTIVE 和SUSPEND。SuperSpeed中有两个以上的状态：FAST EXIT IDLE 和SLOW EXIT IDL。状态越多意味着硬件和软件两个方面都更复杂。外设可以使用link级电源管理发起省电模式。要获得实际利益，处理器需要跟踪USB接口的空闲时间，智能采取行动。对于一个设备来说电源连接状态的入口和出口速率可能很频繁。例如，同步传输允许外设在服务间隔进入低功耗状态。这可以显著增加处理器负载运行时间。 流支持 USB3.0拓展了批量传输模式，支持流模式。批量流提供了同频带信号传输，通过一个标准批量传送支持多路多个独立逻辑数据流协议。这种作法简化了USB设计复杂的类协议。例如，USB SCSI （UAS）海量存储类使用批量流代替简单的BOT协议。在BOT中，一次只有一个pending请求，而在UAS中，一次可能有n-1个请求，这里n是批量端点中支持的流数。实现和维护一个复杂的类协议也可能使处理器一直很忙。对于BOT来说单个平面数据结构就够了，UAS协议要求基于优先级的数据结构用于实现外设端固件。 常用USB设备结构分析 考虑到海量存储设备是市场上最常见的高性能USB外设，我们会举一个海量存储设备的例子，来精确的分析其性能。 我们将讨论数据方面，这是因为大部分时间里接口将涉及数据包传输而不是控制包。 数据传输步骤： 1．处理器收到一个USB请求。 2．处理器处理这个请求。 3．处理器依次存储读/写请求。 4．处理器等待传输完成。 5．处理器发送完成情况到USB host 这次传输的时间结构 总延时 = X Y Z 这里，X，Y和Z是主要的延时构成，解释如下： 1．延时X是传输请求数据包在主机和处理器之间所花的时间。这取决于USB协议和USB设备硬件处理效率。请求数据包大小只有几十个字节，所以延时只有几纳秒。 2．延时Y代表的是处理器处理USB请求和建立直接存储器存取所需要的时间。这取决于处理器类型，线程/过程数目，软件架构。对于通用处理器处理大量的过程和任务来说，操作系统处理延迟可能很大程度取决于中断延时，内容切换延迟，队列延迟等。最坏的情况下，延时Y可能达到数百微秒。 3．延迟Z是指数据在USB和存储设备之间传输所需的时间，这取决于请求类型。还取决于直接存储器存取结构和存储设备类型，并不取决于USB速度，因为这里瓶颈会是存储速度而不是USB速度（如SuperSpeed）。延迟Z可能在几毫秒和数微秒之间，取决于存储设备类型和数据大小。 虽然USB速度快了十倍（从480Mbps 到 5Gbps），但是真正的吞吐量将远远低于理论值，因为USB延时（X）比操作系统处理延迟（Y）和存储传输延迟（Z）都小得多，其相对于总延时可以忽略不计。Z延时可以通过选择更好的存储设备来改进，但是Y延时，则需要通过更有效地系统设计来管理。 效率 要发挥USB 3.0的全部潜力，需进行以下变化： 高性能处理器：处理器由于USB 3.0引起的复杂性和任务处理的数量都将大幅上升。如果希望其他应用性能不受影响，就需要一个功能强大的处理器。 影响：这不仅会增加产品成本，而且还会增加功耗，对于手持设备来说，这是很不利的。 必须改变现有的系统架构来适应USB 3.0。同时，如果USB 3.0的全部潜能都可以实现，就需要大容量和高性能的存储设备。 影响：这将增加系统的复杂度，因此影响了推向市场的时间和项目风险。 重新设计来提高性能 如果I/O模块有自己的本地存储器，那么就称为I/O处理器。这种设置减少了通用处理器的参与。使用这种方式，可以避免需要使用高性能处理器和结构的变化，从而可以减少系统成本和量产风险。西桥就是这样一个智能I/O处理器，它把外设控制器增强了并模块化到了一个嵌入式计算机结构。南桥也是用很类似的方式来提高数据在PC的吞吐量，西桥结构提高了吞吐量，可以用于USB，通用处理器，存储器，及其他外设之间的高吞吐量数据传输。 西桥器件是专为这种操作设计的，可以显著提高性能。由于数据传输的总延迟依赖于处理延迟，当使用西桥结构后会大大降低这种延迟。 影响通用处理器性能的主要因素取决于中断的频率。简而言之，每次GP收到中断，内容都需要切换，执行ISR，从而增加了其他运行程序的时间。当使用西桥器件时，大部分USB相关中断由它处理，从而提高了GP的性能。 下面是一个15.1 GB的嵌入式多媒体卡（eMMC） 使用海量存储类驱动枚举的性能测试。没有西桥时GP不得不处理很多中断。下图描绘了系统的各项任务处理结果。中断数量为log2单位。 上表反映了使用特定应用的I/O处理器（如西桥）时，GP必须处理的中断减少的数目。没有西桥，GP要处理大量的中断，产生‘super speed’迫使GP要很长时间保持空闲状态（由于次要的内容切换）。相反，GP可以把这些任务释放给西桥，保持其处理其他实时任务的效率，充分发挥USB 3.0的潜力。西桥结构不仅可以简化整体系统平台结构，它还可以提高整体性能并降低项目风险。来源；电子工程网
USB功率输出2.0 vs 3.0 2.0的完结和过时。尽管现在USB 3.1都有了，很多应用仍在持续使用USB 2.0。同样的，无论是3.0还是2.0，他们都是进行USB功率输送的靠谱选择，且二者具有一定的互操作性。我们需摒弃USB2021-11-10 09:39:1686FPGA和USB3.0通信-USB3.0 PHY介绍可以和FPGA搭配使用的USB3.0 PHY芯片通过之前的介绍 FPGA和USB3.0通信-USB3.0协议介绍USB3.0 PHY简介首先我们需要了解PHY具体完成哪些工作以及我利...2021-12-20 19:11:161USB3.0连接器的性能和特性USB3.0连接器的性能和特性 1.USB3.0具有十倍于USB2.0的数据带宽，可达5Gb/s(480MB/s)，同步传输带宽可达384MB/s。 2.低功耗(数据传输量为20MB/s2021-12-13 10:12:1438USB3.0接口的传输速率是多少?480Mbps的传输速率可能不快，更何况没有USB2.0设备能做到理论上的最高速率。但USB3.0接口的另一个问题是：编码规则选用8/10的方法，控制信号为2b，因此USB3.0的基础理论数据传输速率为5Gbps/10bitt=500MB/s。2021-11-23 09:48:15563USB3.0接口和USB2.0接口在功耗等方面的比较相对比较USB3.0接口比USB2.0接口好的地方，有几个因素是我们无法回避的，即传输速度、物理总线、功耗、带宽、总线利用率。使用USB3.0接口可以在需要时为设备带来更加多的交流电源，并在设备连接但空余时节省交流电源。2021-11-20 11:14:34218USB3.0 HUB的资料USB3.0 HUB的资料2021-11-16 14:55:3222FPGA和USB3.0通信-USB3.0 PHY简介可以和FPGA搭配使用的USB3.0 PHY芯片 通过之前的介绍FPGA和USB3.0通信-USB3.0协议介绍，我们大致了解到USB3.0整个协议异常复杂，就连物理层都需要SerDes（FPGA2021-11-09 09:39:491064电脑USB 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