解除30MB/s魔咒！ 實(shí)戰(zhàn)USB 2.0大提速
泡泡網(wǎng)主板頻道7月5日 1998年USB 1.1規(guī)范正式發(fā)布，產(chǎn)品主要用于將PC和電話連接起來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)設(shè)備和通訊設(shè)備的完美融合，實(shí)現(xiàn)移動領(lǐng)域內(nèi)的人機(jī)數(shù)據(jù)交互，成為新的廉價(jià)而且方便的通訊連接方案。
很快由于傳輸速率的限制，2000年4月USB-IF（USB Implementers Forum）組織很快制定出了新的USB 2.0傳輸規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率提升至480Mbps，由于方便的熱插拔和快速的數(shù)據(jù)交換速度，使得這一標(biāo)準(zhǔn)被PC廣泛采用。
時(shí)值今日USB 3.0已經(jīng)得到大面積的推廣，這個(gè)建立在2008年的規(guī)范在經(jīng)歷了長達(dá)四年的風(fēng)雨后，已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的競爭力，Intel和AMD基于原生USB 3.0的芯片組控制器已經(jīng)成為主流用戶的標(biāo)配，留給第三方芯片廠商機(jī)會已經(jīng)不多。
而在USB 2.0到USB 3.0過渡的過程中，很多人由于種種原因堅(jiān)守在USB 2.0陣線上，理論上高達(dá)60MB/s的傳輸速度本可以滿足絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸需求，不過糟糕的協(xié)議和編碼方式使得長期以來USB 2.0最高實(shí)際傳輸速度被限制在30MB/s左右，本文將從數(shù)據(jù)傳輸?shù)讓臃治鯱SB 2.0傳輸原理和編碼方式，找出一條提升USB 2.0傳輸速度的途徑，最大限度縮短傳輸時(shí)間。
雖然USB 3.0普及之路有了很大的起色，不過目前在用的USB主控和終端設(shè)備大部分依然基于USB 2.0規(guī)范，這也直接導(dǎo)致很多高速設(shè)備無法享受到5Gbps的高速帶寬。
我們知道USB 2.0的理論傳輸速率為480Mbps，也就是60MB/s的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，而在實(shí)際應(yīng)用中這一速率受到傳輸協(xié)議（Bulk-Only Transport(BOT)協(xié)議）、編碼方式的影響被限制在35MB/s以下，理論帶寬利用率只有一半左右。
正是基于此，USB 3.0的設(shè)計(jì)完全拋棄了USB 2.0的總線，新增兩組數(shù)據(jù)總線，而為了保證向下兼容，USB 3.0保留了USB 2.0的一組數(shù)據(jù)總線。而在傳輸協(xié)議方面，USB 3.0除了支持傳統(tǒng)的BOT協(xié)議，還新增了USB Attached SCSI Protocol（UASP）協(xié)議，可以完全發(fā)揮出5Gbps的高速帶寬優(yōu)勢，雖然目前只有很少的設(shè)備能達(dá)到這一傳輸速率。
傳統(tǒng)BOT協(xié)議早在1999年USB 1.1發(fā)布不久后就誕生，它規(guī)定USB設(shè)備在同一時(shí)間只能接收或處理一條命令，而到USB 2.0時(shí)代，雖然設(shè)備傳輸速率得到了極大的提升，但BOT協(xié)議并沒有改善，隨著存儲設(shè)備傳輸速率的提升，BOT協(xié)議阻礙USB傳輸速率的問題已經(jīng)顯現(xiàn)出來。于是大容量數(shù)據(jù)交換就迫切需要新的傳輸協(xié)議，因此USB-IF組織就將SCSI和USB相結(jié)合推出了新的UASP協(xié)議，支持多命令并發(fā)執(zhí)行和NCQ隊(duì)列功能，極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，另外由于支持UASP的主控設(shè)備都具備獨(dú)立的計(jì)算內(nèi)存模塊，使得USB數(shù)據(jù)傳輸對CPU的依賴大幅降低。
按照USB-IF組織的計(jì)劃，UASP除了支持USB 3.0，還向下對USB 2.0開放，不過到目前為止USB 2.0方面還沒有任何音訊，另外受到USB 2.0傳輸編碼方式和匱乏的D+、D-總線限制，UASP要在USB 2.0上展開并不是很容易。
目前由于設(shè)備傳輸速率限制以及USB 3.0 5Gbps傳輸帶寬的冗余，UASP協(xié)議并沒有急于展開，另外要實(shí)現(xiàn)UASP協(xié)議的支持，除了主控設(shè)備，終端設(shè)備也需要支持UASP，終端設(shè)備的芯片設(shè)計(jì)難度將會加大，這使得閃存等小型存儲設(shè)備的成本和體積將會顯著增加，不利于產(chǎn)品推廣，現(xiàn)有的一些支持UASP的設(shè)置僅限于外置存儲。
30MB/s成了USB 2.0存儲設(shè)備的實(shí)際極限速度
回歸到主流的USB 2.0設(shè)備上來，前文我們已經(jīng)提到，受BOT傳輸協(xié)議、編碼方式的影響USB 2.0傳輸速度被限制在35MB/s以下，也就是說USB 2.0傳輸帶寬還有不小的提升空間。
USB 2.0使用了NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted）編碼，它是基于串行傳輸模式，傳輸連續(xù)的0、1字符串。在RZ（Return-to-zero Code）編碼中，正電平代表邏輯1，負(fù)電平代表邏輯0，并且每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號返回到零電平，也就是說，信號線上會出現(xiàn)3種電平：正電平、負(fù)電平、零電平。
而零電平因?yàn)槭歉郊拥膬?nèi)容浪費(fèi)傳輸帶寬，所以需要去掉歸零，于是就變化成了NRZ（Non-return-to-zero Code）編碼。在USB傳輸中，每個(gè)USB數(shù)據(jù)包，最開始都有個(gè)同步域（SYNC），這個(gè)域固定為0000 0001，這個(gè)域通過NRZI編碼之后，就是一串方波，接受者可以用這個(gè)SYNC域來同步之后的數(shù)據(jù)信號。此外，因?yàn)樵赨SB的NRZI編碼下，邏輯0會造成電平翻轉(zhuǎn)，所以接受者在接受數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)接收到的翻轉(zhuǎn)信號不斷調(diào)整同步頻率，保證數(shù)據(jù)傳輸正確。
但是，這樣還是會有一個(gè)問題，就是雖然接受者可以主動和發(fā)送者的頻率匹配，但是兩者之間總會有誤差。假如數(shù)據(jù)信號是1000個(gè)邏輯1，經(jīng)過USB的NRZI編碼之后，就是很長一段沒有變化的電平，在這種情況下，即使接受者的頻率和發(fā)送者相差千分之一，就會造成把數(shù)據(jù)采樣成1001個(gè)或者999個(gè)1了。
USB對這個(gè)問題的解決辦法，就是強(qiáng)制插0，也就是傳說中的bit-stuffing，如果要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中有7個(gè)連續(xù)的1，發(fā)送前就會在第6個(gè)1后面強(qiáng)制插入一個(gè)0，讓發(fā)送的信號強(qiáng)制出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，從而強(qiáng)制接受者進(jìn)行頻率調(diào)整。接受者只要?jiǎng)h除6個(gè)連續(xù)1之后的0，就可以恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)了。
由于強(qiáng)制插0保持發(fā)送者和接收者頻率同步會造成USB 2.0傳輸帶寬的浪費(fèi)，浪費(fèi)的大小則根據(jù)插0的多少而不同。這樣USB 2.0 60MB/s的傳輸帶寬就要打一定折扣了。對于USB 3.0來說，由于要保證高達(dá)5Gbps數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，采用了時(shí)下流行的8b/10b編碼方式，有效數(shù)據(jù)利用率為80%。也就是USB 3.0的有效數(shù)據(jù)傳輸帶寬為500MB/s。
除了編碼方式，影響USB 2.0傳輸速率的還有BOT傳輸協(xié)議，BOT協(xié)議在操作系統(tǒng)下限制最大為64KB區(qū)塊，而持續(xù)數(shù)據(jù)塊大小為128KB。由于BOT協(xié)議的原因，BOT區(qū)塊會因?yàn)榇刑幚矶速M(fèi)大量等待時(shí)間，這又一次將有限的60MB/s傳輸帶寬浪費(fèi)了不少，NRZI和BOT雙重限制下，有效傳輸帶寬就剩下50%左右了。
USB傳輸?shù)讓覰RZI編碼方式我們無法改變，不過我們可以擴(kuò)大BOT協(xié)議的區(qū)塊大小，增加USB帶寬利用率，這對于持續(xù)傳輸尤其有效。
修改BOT區(qū)塊大小之前，我們要從微軟官方下載一個(gè)補(bǔ)丁Windows6.1-KB2581464，補(bǔ)丁將Usbstor.sys驅(qū)動程序中的最大傳輸尺寸值從默認(rèn)的64KB增加到2MB。
安裝補(bǔ)丁后，系統(tǒng)還無法直接為存儲設(shè)備應(yīng)用為2MB區(qū)塊模式，這個(gè)時(shí)候我們還需要將存儲設(shè)備的INF設(shè)備信息（INF設(shè)備信息是由VID_xxxx&PID_xxxx字符串組成，唯一的標(biāo)識了這款產(chǎn)品）添加到Usbstor.sys下面。
打開注冊表，定位到“HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\CurrentControlSet\\Control\\usbstor”下面，新建一個(gè)INF存儲設(shè)備項(xiàng)，然后建立“MaximumTransferLength”=dword:001fffe0（001fffe0十進(jìn)制數(shù)值為2097120，也就是2MB）的DEWORD值，保存后重啟系統(tǒng)就完成了INF信息配置。
在安裝、配置完后，現(xiàn)在就可以享受到性能的提升。由于USB 2.0已經(jīng)非常普及，而USB 3.0也向下兼容，為保證USB 2.0傳輸滿速，我們代替的使用了USB 3.0存儲設(shè)備測試這一提速效果。
● 測試平臺
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泡泡網(wǎng)主板頻道測試平臺 | |
| 硬件配置 | |
|---|---|
| 處理器 | Intel Core i7 3770K (4C8T，L3=8MB,3.5-3.9GHz) |
| 主板 | GigaByte GA-Z77M-D3H (Intel Z77) |
| 內(nèi)存 | Samsung 4GB DDR3-1600 x2 (9-9-9-24 1T) |
| 顯卡 | NVIDIA GeForce GT 640 |
| 固態(tài)硬盤 | OCZ Vertex 3 240GB |
| 電源 | Antec TPQ-1000 |
| 顯示器 | Dell 3007WFP |
| 軟件配置 | |
| 操作系統(tǒng) | Windows 7 Ultimate SP1 64bit |
| 顯卡驅(qū)動 | ForceWare 301.42 WHQL |
在測試之前先說明下USB 2.0提速的原理，首先提速是基于USB 2.0控制器以及BOT傳輸協(xié)議、NRZI編碼，也就是說USB 2.0控制器、存儲設(shè)備并不是使其傳輸速度低于35MB/s的原因，獲得的性能提升是來源于總線上的效能改善，換句話說如果你的USB存儲設(shè)備傳輸速率低于30MB/s，那么提速將沒有明顯的效果，因?yàn)榇朔N情況下，USB 2.0的總線還是可以滿足你的存儲設(shè)備傳輸帶寬需求的，這也是我們不采用USB 2.0存儲設(shè)備的原因，因?yàn)榇蟛糠值腢SB 2.0速度是達(dá)不到30MB/s以上的傳輸速率的。
當(dāng)然選擇的USB 3.0設(shè)備雖然支持5Gbps傳輸，不過由于接駁在USB 2.0接口上，所以傳輸規(guī)范和總線協(xié)議依然是基于USB 2.0，所以理論速率還是會被限制在480Mbps以內(nèi)。
測試所用的三組設(shè)備Kinston DT G2 USB 3.0高速閃存、SATA 6Gbps SSD轉(zhuǎn)USB 3.0外置存儲、SATA 3Gbps HDD轉(zhuǎn)USB 3.0外置存儲在SuperSpeed模式下實(shí)際傳輸速率（讀寫）都超過了60MB/s，理論上是不會對所測試的USB 2.0傳輸造成性能瓶頸。
測試選取的三組設(shè)備Kinston DT G2 USB 3.0高速閃存、SATA 6Gbps SSD轉(zhuǎn)USB 3.0外置存儲、SATA 3Gbps HDD轉(zhuǎn)USB 3.0外置存儲，其中SSD和HDD使用了相同的USB 3.0硬盤底座。
首先進(jìn)行的ATTO Disk Benchmark測試中，默認(rèn)配置下，所有三款設(shè)備的讀寫速度最高只有36.5MB/s，加速后讀寫速度都出現(xiàn)了顯著的增加，其中最高的SATA 6Gbps SSD轉(zhuǎn)USB 3.0讀取達(dá)到了44.8MB/s，這在以往USB 2.0數(shù)據(jù)傳輸中基本不可能看到，而寫入速度也一舉突破40MB/s為42.2MB/s，表現(xiàn)同樣出色。
雖然這些成績在USB 3.0下能夠很輕松取得，但是對于那些USB 2.0老用戶來說在不升級USB 3.0的前提下獲得40MB/s的傳輸帶寬，相對默認(rèn)環(huán)境還是有不小的突破，能夠節(jié)約不少時(shí)間。
另外一項(xiàng)AS SSD測試主要基于存儲設(shè)備的持續(xù)讀寫性能、4K、4K-64線程傳輸速率，由于移動存儲設(shè)備主要用于文件拷貝，所以測試僅選取了持續(xù)讀寫這一項(xiàng)。
整個(gè)測試基本和ATTO Disk Benchmark表現(xiàn)一致，默認(rèn)情況下SATA 3Gbps HDD轉(zhuǎn)USB 3.0存儲設(shè)備獲得了32.2MB/s的讀取速度，寫入速度只有29.1MB/s，開啟加速后，讀寫速度分別提升至39.9MB/s和39.3MB/s，提升幅度分別為24%和35%。
整個(gè)組建、測試下來，我們看到經(jīng)過改善后的USB 2.0最大傳輸速度已經(jīng)有了明顯的提升，雖然離60MB/s理論速度還有一定的差距，但是我們知道這只存在于理想狀態(tài)，畢竟USB 2.0的傳輸協(xié)議和編碼方式已經(jīng)嚴(yán)重制約了其理論傳輸速度的發(fā)揮。
離60MB/s理論還是有一定差距
雖然目前USB 2.0設(shè)備很多都沒有達(dá)到30MB/s的傳輸速率，不過在USB 3.0存儲設(shè)備普及之前，一些老的高速傳輸設(shè)備，使用USB 2.0加速還是能為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)約不少的時(shí)間，另外作為大容量存儲的代表，基于USB 2.0的移動硬盤在不升級的情況下免費(fèi)獲得傳輸性能的提升也是一件不錯(cuò)的事。
談到這里，很多人會疑問這種加速模式是否可以適用于USB 3.0，提升其傳輸性能，答案是肯定的！不過正如我們測試所用到的高速USB 3.0存儲設(shè)備，其實(shí)是因?yàn)閁SB 2.0的傳輸協(xié)議和編碼規(guī)范影響了傳輸速度，而不是設(shè)備本身，而USB 3.0雖然目前還是基于BOT傳輸協(xié)議，但是5Gbps的帶寬，除了SSD以外，很少設(shè)備能將其喂飽，也就是說在不使用高速設(shè)備的情況下加速前后傳輸速度微乎其微。
未來USB傳輸是屬于UASP的
對于USB 3.0傳輸規(guī)范，UASP協(xié)議將是未來的一個(gè)重點(diǎn)開發(fā)對象，在USB 3.0性能出現(xiàn)瓶頸前，USB-IF組織將會大力推廣UASP協(xié)議，相對于本文的USB 2.0改善措施，UASP將帶來USB傳輸史上的革命，它將全面取代現(xiàn)有的BOT傳輸協(xié)議?！?
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