USB3.0的高速信息传输瓶颈研究

朱君丽，汪文

（中国地质大学 机械与电子信息学院，武汉430074）

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。

引 言

自从USB－IF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5Gb／s。引用Intel专家Jeff Ravencraft的话来讲：“以25GB的文件传输为例，USB2.0需要14min，而3.0只需70s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5Gb／s，而USB2.0为半双工方式，速度为480Mb／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5V电压（一般都是在4～5V左右浮动），但是电流部分从一组HUB最高500mA增加到了900mA，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5cm，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As－Media104XUSB3.0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2 USB2.0与USB3.0速率对比（续）

图2 USB2.0与USB3.0速率对比

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。

［1］Hewlett－Packard Company，Intel Corporation， Microsoft Corporation，et al.Universal Serial Bus 3.0Specification，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）.