實測USB 3.0數據傳輸速度大提速最高可以達到5Gbps

2024-05-08 16:15:06

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供稿：網友

2008年USB-IF組織正式發布了USB 3.0，全面取代已有的USB 2.0規范，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后，USB 3.0已經展現出強大的競爭力，Intel和AMD基于原生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。

基于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傳輸協議并沒有立馬升級。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？
雙路并發！USB 3.0數據傳輸總線解析
我們知道，USB 2.0基于半雙工單總線設計，只能提供單向數據流傳輸，而USB 3.0采用了對偶四線制差分信號線，故而支持雙向并發數據流傳輸，這也是新規范速度猛增的關鍵原因。

標準USB 3.0接口針腳定義

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。由于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，那怎么辦呢，于是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）。

USB 2.0/3.0數據傳輸總線（D+ D-為USB 2.0)

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
由于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，而是采用了安全性更高的8b/10b編碼方式，這一傳輸協議被廣泛應用于SATA 3Gbps、PCI Express 2.0、1Gbps千兆以太網等傳輸總線上。
詳細閱讀：USB3.0知識掃盲 usb3.0和2.0的區別

8b/10b分組編碼示意圖

8b/10b編碼對傳輸的數據每8b進行分組，然后向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。

數據發送編碼流程

數據接收解碼流程
在這里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。

USB 3.0數據總線圖
從上圖我們看到當啟用USB 3.0傳輸時，實際用于數據傳輸的就是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。

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。

回歸到USB 3.0傳輸的協議和編碼上去，目前USB 3.0仍然基于傳統的BOT協議，理論傳輸速度和USB 2.0一樣都要打折扣，而由于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，我們可以預見對于低俗存儲設備，提速效果并不明顯。

便攜大容量存儲先鋒 SATA-USB方案解析
作為大容量存儲的典范，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。

成熟的SATA-USB存儲解決方案
而在本文里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的槍后，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。

SATA數據傳輸也采用了雙總線設計（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傳輸協議也采用了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。

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于300MB/s的硬盤盒或底座，而本次測試的產品--麥沃K308U3也是基于這一解決方案。

銀欣TS-07硬盤盒基于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規范的產品并不多，已知的僅有銀欣TS-07硬盤盒、Tt BlacX 5G硬盤底座，這兩款產品均基于ASMedia ASM1051E設備控制器，除了支持SATA 6Gbps，還支持UASP傳輸協議。
測試平臺和測試方法介紹
測試平臺方面，由于受到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（基于Intel Z77芯片組）。

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

麥沃K308U3硬盤底座和威剛256GB SSD

三星64GB SSD

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測試則是盡量逼近USB 3.0的傳輸極限，為USB 3.0提速做鋪墊。

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硬盤底座基于祥碩ASM1051 SATA-USB 3.0設備控制器，最高支持SATA 3Gbps傳輸規范，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。

金士頓DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB U盤

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，并不支持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協議屬于USB 3.0新規范特有，雖然USB-IF有規劃在USB 2.0上推廣UASP協議，不過面臨USB 3.0全面席卷以及USB 2.0提速潛力不大的緣故，這一計劃很大可能會擱淺。

UASP模式數據傳輸模型圖

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。

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后自動開啟UASP傳輸模式。

可開啟UASP傳輸模式

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，并需要在系統平臺上安裝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英寸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。

ATTO Disk Benchmark項目測試

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，這還包括提速后的性能成績。我們注意到，低速的HDD對USB 3.0的傳輸帶寬并沒有明顯的依賴，無論是采用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。
由于320GB HDD的數據傳輸率并不高，無論是USB 3.0還是SATA 3Gbps帶寬都沒有被充分利用，也就是傳輸帶寬并不構成瓶頸，320GB HDD傳輸性能幾乎沒有損失。對于兩款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于便攜的USB 3.0閃存和USB 3.0移動硬盤，很可惜這兩款設備并不支持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。

ATTO Disk Benchmark項目測試

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（相對于5Gbps速度來說）USB 3.0傳輸設備的數據傳輸瓶頸不在于傳輸規范，而是設備本身，因為此時的USB 3.0數據帶寬是完全冗余的，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
最后一組附加測試和USB 3.0其實并沒有具體關系，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英寸HDD/SSD規格分別為：320GB HDD--SATA 3Gbps、64GB SSD--SATA 6Gbps、256GB SSD--SATA 6Gbps。

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。

ATTO Disk Benchmark項目測試

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順應潮流采用新的SATA 6Gbps接口沒有多大必要。
64GB SSD和256GB SSD由于具備優秀的讀寫性能，由SATA 3Gbps變化為SATA 6Gbps模式后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。

注：相關教程知識閱讀請移步到電腦常識頻道。

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