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5Gbps正当时!实战USB 3.0传输大提速

    泡泡网主板频道7月20日 前不久我们在《解除30MB/s魔咒! 实战USB 2.0大提速》一文中介绍了USB 2.0(HighSpeed)接口大提速,修改BOT传输块大小后成功将USB 2.0的传输速度提升至40MB/s+的水平,而对于已经在享受USB 3.0(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?

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

    2008年USB-IF组织正式发布了USB 3.0,全面取代已有的USB 2.0规范,理论传输速度达到了5Gbps,相比USB 2.0提升了约10倍。在经历了长达四年的酝酿后,USB 3.0已经展现出强大的竞争力,Intel和AMD基于原生USB 3.0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USB 3.0存储设备也出现了全面开花的景象。

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

    基于5Gbps的传输速度,USB 3.0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USB 3.0存储设备的高速道路呢?崭露头角的UASP协议又将给USB 3.0数据传输带来哪些变革呢?

    我们知道USB 2.0基于半双工单总线设计,只能提供单向数据流传输,而USB 3.0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。

USB 3.0提速

标准USB 3.0接口针脚定义

USB 3.0提速

USB 3.0数据线缆

    USB 3.0的接口相对USB 2.0有很大的变动,线缆增加到9条。由于USB 3.0为了获得超高的传输速度,单纯在USB 2.0四线缆(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USB 2.0,那怎么办呢,于是USB 3.0保留了USB 2.0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)。

USB 3.0提速

USB 2.0/3.0数据传输总线(D+ D-为USB 2.0)

USB 3.0提速

USB 3.0双总线设计

    USB 3.0接口总共有3组数据传输总线,其中两组为USB 3.0专有,而另外一组为USB 2.0专有,所以数据传输就不用像USB 2.0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USB 2.0时代半双工数据传输。

    由于USB 3.0极高的传输速度,迫使其不能再使用USB 2.0时代的NRZI编码(关于NRZI编码参考:揭秘USB 2.0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SATA 3Gbps、PCI-Express 2.0、1Gbps千兆以太网等传输总线上。

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

8b/10b分组编码示意图

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

    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USB 3.0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。

USB 3.0提速

数据发送编码流程

USB 3.0提速

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。

USB 3.0提速

USB 3.0数据总线图

    从上图我们看到当启用USB 3.0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USB 2.0,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。

USB 3.0提速

USB 2.0和USB 3.0数据传输      

    从上图我们可以看到USB 3.0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。

解除30MB/s魔咒! 实战USB 2.0大提速

    回归到USB 3.0传输的协议和编码上去,目前USB 3.0仍然基于传统的BOT协议,理论传输速度和USB 2.0一样都要打折扣,而由于USB 3.0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。

    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USB 3.0带宽已经完全跟上了SATA的脚步。

USB 3.0提速

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SATA I、SATA II和SATA III,传输带宽分别为1.5Gbps、3Gbps和6Gbps。

USB 3.0提速

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USB 3.0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。

USB 3.0提速

主流SATA-USB 3.0芯片规格

    而目前来说主流的SATA-USB 3.0解决方案都停留在SATA 3Gbps,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。

USB 3.0提速

银欣TS-07硬盘盒基于ASMedia ASM1051E设备控制器

    SATA 6Gbps--USB 3.0方案比较常见的有ASMedia(祥硕) ASM1051E和Renesas(瑞萨) uPD720230。目前完美支持SATA 6Gbps规范的产品并不多,已知的仅有银欣TS-07硬盘盒、Tt BlacX 5G硬盘底座,这两款产品均基于ASMedia ASM1051E设备控制器,除了支持SATA 6Gbps,还支持UASP传输协议。

    测试平台方面,由于受到UASP协议的限制,我们使用了祥硕ASM1042 USB 3.0主控方案的主板--华硕P8Z77-V PRO,主板提供了两种USB 3.0解决方案,另外主板还提供四个原生USB 3.0接口(基于Intel Z77芯片组)。

USB 3.0提速

华硕P8Z77-V PRO第三方USB 3.0解决方案--ASMedia ASM1042

USB 3.0提速

麦沃K308U3硬盘底座和威刚256GB SSD

USB 3.0提速

三星64GB SSD

USB 3.0提速

西数320GB HDD

    测试的USB 3.0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USB 3.0的传输极限,为USB 3.0提速做铺垫。

USB 3.0提速    USB 3.0提速

美沃K308硬盘底座内部结构以及设备控制器方案

    规格方面,美沃K308硬盘底座基于祥硕ASM1051 SATA-USB 3.0设备控制器,最高支持SATA 3Gbps传输规范,另外芯片还支持UASP协议。不过使用SATA 6Gbps SSD作为存储介质则会降级至SATA 3Gbps规格。

USB 3.0提速

金士顿DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB U盘

USB 3.0提速

西部数据My Passport 1TB移动硬盘

    另外作为便携USB 3.0存储的主力军,我们也加入了USB 3.0 U盘和USB 3.0移动硬盘来验证提速效果,测试的U盘型号为金士顿DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB,移动硬盘则来自西部数据的My Passport 1TB,不过这两款产品和测试的硬盘底座不同,并不支持UASP协议。

    测试成绩方面共有四部分--BOT协议默认、BOT协议提速、UASP协议以及原生SATA协议。其中UASP协议属于USB 3.0新规范特有,虽然USB-IF有规划在USB 2.0上推广UASP协议,不过面临USB 3.0全面席卷以及USB 2.0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:USB 2.0大提速!实战BOT协议改良

USB 3.0提速

UASP模式数据传输模型图

USB 3.0提速

Boost模式数据传输模型图

    BOT协议提速方面,华硕主板提供了USB 3.0 Boost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USB 2.0大提速》一文中用到的提速技术,实际上和华硕USB 3.0 Boost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USB 3.0 Boost技术描述为Boost,而提速技术描述为Turbo。

USB 3.0提速

UASP协议是USB和SCSI的结合体

    华硕USB 3.0提速技术通过整合在AI Suite工具套件中的USB 3.0 Boost应用程序,自动实现USB 3.0存储设备的提速,提速分为两种模式:Turbo和UASP,目前所有的存储设备都已经至少支持Boost提速技术,而少部分支持UASP传输协议,这些产品会在接入USB 3.0后自动开启UASP传输模式。

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

可开启UASP传输模式

迎战速度巅峰! USB 3.0数据传输提速

可开启Boost传输模式

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

    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SATA 3Gbps原生模式的读写性能成绩,以对比USB 3.0的传输效率。

5Gbps正当时!实战USB 3.0传输大提速

ATTO Disk Benchmark项目测试

5Gbps正当时!实战USB 3.0传输大提速

AS SSD项目测试

    在AS SSD和ATTO Disk Benchmark测试中,无论是读取还是写入,SATA原生均全面领先USB 3.0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USB 3.0的传输带宽并没有明显的依赖,无论是采用SATA还是USB 3.0,也无论是USB 3.0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320GB HDD的数据传输率并不高,无论是USB 3.0还是SATA 3Gbps带宽都没有被充分利用,也就是传输带宽并不构成瓶颈,320GB HDD传输性能几乎没有损失。对于两款SSD(SATA 6Gbps)其理论读取速度已经超过了SATA 3Gbps的传输极限300MB/s,测试成绩之所以没有达到300MB/s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USB 3.0提速上来,我们看到UASP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USB 3.0传输带宽利用率低下所致。而Turbo性能表现也非常抢眼,已经能和UASP相媲美了。

    接下来一组测试则是基于便携的USB 3.0闪存和USB 3.0移动硬盘,很可惜这两款设备并不支持UASP协议,我们知道华硕P8Z77-V PRO主板USB 3.0 Boost提供三种工作模式:默认、Boost、UASP,而一款设备只能支持UASP和Boost模式中的一种,而本组测试的闪存和移动硬盘启用的就是Boost模式,另外我们也照例加入了一组Turbo模式测试成绩。

USB 3.0提速

ATTO Disk Benchmark项目测试

USB 3.0提速

AS SSD项目测试

    AS SSD和ATTO Disk Benchmark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Boost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)USB 3.0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USB 3.0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。

    最后一组附加测试和USB 3.0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的问题,测试的三款2.5英寸HDD/SSD规格分别为:320GB HDD--SATA 3Gbps、64GB SSD--SATA 6Gbps、256GB SSD--SATA 6Gbps。

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Intel Z77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SATA 3Gbps模式下传输速率,对应的接口为Z77原生SATA 3Gbps接口,另外一组为SATA 6Gbps模式,对应的接口则为Z77原生SATA 6Gbps接口。

USB 3.0提速

ATTO Disk Benchmark项目测试

USB 3.0提速

AS SSD项目测试

    320GB HDD在实际测试中无论是SATA 3Gbps模式还是在SATA 6Gbps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SATA 6Gbps接口没有多大必要。

    64GB SSD和256GB SSD由于具备优秀的读写性能,由SATA 3Gbps变化为SATA 6Gbps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ATTO Disk Benchmark测试中最大读写速度达到了惊人的558MB/s,逼近SATA 6Gbps的理论传输极限。

    而从两款SSD的SATA 3Gbps和SATA 6Gbps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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