為什么高速USB并不一定表示手機擁有高速性能

為什么高速USB并不一定表示手機擁有高速性能

數(shù)碼多媒體向日用電器的發(fā)展改變了消費者接觸和享受多媒體娛樂節(jié)目的方式?，F(xiàn)在消費者可以通過撲克牌大小的設(shè)備來收聽音樂，觀看電影和瀏覽照片。但是，這些技術(shù)先進卻面臨不少挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)之一是將數(shù)碼多媒體傳輸?shù)皆O(shè)備自身。由于USB對于PC的普遍性以及便攜性，USB成為多媒體傳輸?shù)谋厝贿x擇。用戶可以很容易地使用USB來傳輸多媒體、同步數(shù)據(jù)，并且為他們的設(shè)備充電，進一步鞏固了其作為手機接口標準的地位。但是，許多第一代設(shè)備僅支持全速USB，數(shù)據(jù)傳輸速度不超過12Mbps。使用全速USB，需要用一個小時將數(shù)據(jù)從100 MP3傳輸?shù)狡渌O(shè)備。該數(shù)量級的等待時間對于消費者來說是無法接受的，他們需要更快的傳輸速度。隨著手機的多媒體功能從單一的音樂功能發(fā)展到電影以及更高需求，隨著數(shù)據(jù)和存儲容量的增長，需要更快的傳輸接口。業(yè)內(nèi)對此挑戰(zhàn)的解決方案便是出現(xiàn)了高速USB，最大理論傳輸速率可達480Mbps——比全速USB速度要快40倍。

可供選擇的幾種高速USB架構(gòu)

隨著高速USB成為新型多媒體中心手機的基本需求，設(shè)計者可以選擇幾種不同的架構(gòu)來支持高速USB。

第一種選擇（若可行）是在所選的處理器內(nèi)使用高速USB邏輯。在這種架構(gòu)中，直接由處理器支持高速USB，外接USB收發(fā)器用于物理層通訊。典型情況下，USB收發(fā)器為處理器的外接設(shè)備，從而節(jié)省住處理器內(nèi)的硅面積。由于USB收發(fā)器的模擬屬性，當向更小尺寸技術(shù)發(fā)展時，例如65nm及以下，不能達到數(shù)字技術(shù)規(guī)格。將模擬元件（例如USB收發(fā)器）外接通常會降低成本并且有效利用空間。

第二種選擇是使用單獨的高速USB控制器。該器件包含了支持高速USB需要的所有部分，包括SIE和收發(fā)器。這些器件通常通過存儲接口連接到主機處理器。

第三種選擇是使用橋接器，可以在其它特性內(nèi)包含高速USB功能，例如海量存儲控制。與專用高速USB控制器類似，這些設(shè)備通常通過處理器存儲接口進行連接。

性能對比

我們快速看一下手機市場，可以發(fā)現(xiàn)手機的選擇范圍很大。現(xiàn)代手機的范圍可以從簡單的單一功能到復(fù)雜的多功能智能手機。由于音樂手機的普及性，驅(qū)使在現(xiàn)在的手機中廣泛采用高速USB。同時，手機也普遍支持海量存儲，并提供多種選擇。對于手機的高速USB設(shè)計，上述3種架構(gòu)均適用。

由于高速USB的最大理論性能可達480Mbps，在實際的應(yīng)用中，由于軟件架構(gòu)的限制，達不到最大理論性能。高速USB的架構(gòu)和設(shè)計是實際性能的重要決定因素。

下面我們看一下具有高速USB的一些手機（高速USB的實現(xiàn)方式不同）的USB性能對比。在相同環(huán)境下的各手機中，用戶將677MB的視頻文件傳輸?shù)绞謾C上的海量存儲區(qū)。為了保證一致性，在所有應(yīng)用中采用了海量存儲模式和相同的移動式海量存儲?？梢詮南旅娴氖疽鈭D中看到該對比的結(jié)果。

圖1：支持高速USB的三種不同架構(gòu)。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們可以從上述結(jié)果看出，實際的高速USB性能變化范圍很大。從超過20分鐘（低于10Mbps）的傳輸時間到不超過1分鐘（超過140Mbps），相差25倍以上。為什么差距會如此之大？其答案在于USB的架構(gòu)不同。

在使用單獨的高速USB控制器的架構(gòu)中，控制器通常通過主處理器外接存儲接口連接到處理器。通常與存儲設(shè)備共享此接口，例如NAND，NAND可用于代碼或用戶數(shù)據(jù)存儲。從主機輸入的數(shù)據(jù)通過USB控制器傳輸?shù)街魈幚砥?。該點的處理器在將數(shù)據(jù)寫入海量存儲前先緩存到SDRAM。整個過程分多步完成，需要占用大部分處理器，從而限制了USB的傳輸性能。在下面的示意圖中描述了這種應(yīng)用的數(shù)據(jù)流。

圖2：部分手機（高速USB的實現(xiàn)方式不同）的USB性能對比。(高速USB對比、 1部電影的傳輸時間)

高速USB實現(xiàn)的另一種可選架構(gòu)是使用集成了USB控制器的處理器。許多支持高速USB的處理器還具有多個CPU內(nèi)核，以提高處理能力，例如音樂和視頻。在下面的示意圖中顯示了這種應(yīng)用的理想的數(shù)據(jù)路徑。

圖3：使用單獨的高速USB控制器的高速USB的數(shù)據(jù)路徑。（存儲總線）

由于USB控制器集成在處理器中，理想情況是數(shù)據(jù)直接從USB傳輸?shù)胶Ａ看鎯?。然而，?shù)據(jù)從USB到海量存儲的實際傳輸路徑并不是描述的那樣直接傳輸。在下面的示意圖中顯示了處理器中的實際數(shù)據(jù)流。

圖4：使用集成了USB控制器的處理器來實現(xiàn)的高速USB理想的數(shù)據(jù)路徑。

從該示意圖中，可以看到一個CPU內(nèi)核用于控制USB SIE，另一個CPU內(nèi)核用于海量存儲控制器。所有內(nèi)核共用相同的SDRAM，SDRAM被分成兩個內(nèi)存，專用于各CPU內(nèi)核。由于CPU內(nèi)核不能訪問其它CPU內(nèi)核的內(nèi)存，CPU1必須將數(shù)據(jù)緩存，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU2，并且在寫入存儲區(qū)前在CPU2中進行緩存。該過程會帶來很大的系統(tǒng)負荷，影響整體USB性能。

圖5：使用集成了USB控制器的處理器來實現(xiàn)的高速USB在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)路徑。

第三種架構(gòu)是使用橋接器架構(gòu)。類似于PC業(yè)的北橋和南橋架構(gòu)，橋接器會為處理器本來不支持的外圍設(shè)備提供支持。在嵌入式領(lǐng)域，已經(jīng)開發(fā)出了西橋架構(gòu)，以滿足快速添加新的外圍設(shè)備和通信協(xié)議的需要。該設(shè)備（例如美國賽普拉斯半導(dǎo)體有限公司的West Bridge Antioch）是含有高速USB控制器并提供海量存儲支持的西橋控制器。

在這種應(yīng)用中，USB數(shù)據(jù)流和海量存儲均由西橋控制器管理。在下面的示意圖中顯示了該架構(gòu)的數(shù)據(jù)路徑。

圖6：使用橋接器架構(gòu)來實現(xiàn)的高速USB理想的數(shù)據(jù)路徑。

該架構(gòu)具有幾個優(yōu)點。首先，提供了海量存儲的直接路徑，優(yōu)化了USB到海量存儲的數(shù)據(jù)路徑和性能。其次，由于橋接器直接支持海量存儲控制和USB，不再需要主基帶處理器來處理這些任務(wù)，主基帶處理器可用來處理其它任務(wù)。沿處理器、存儲區(qū)和PC之間任一獨立的數(shù)據(jù)路徑傳輸數(shù)據(jù)時，可以達到最高效率。該架構(gòu)具有上述討論的優(yōu)點，可以更好地均衡方案、成本之間的關(guān)系。

結(jié)論

很明顯，現(xiàn)在有多種高速USB供選擇，方案的選擇最終取決于期望的手機的特點和規(guī)范。配置有限海量的單一設(shè)備采用集成于處理器中的USB方案就能滿足需求，而大存儲量多媒體中心設(shè)備需要高性能傳輸性能。要達到最大傳輸性能，應(yīng)選擇具有到海量存儲的直接路徑的橋接器。

隨著手機多媒體和存儲需求的不斷增長，高性能傳輸需求也隨之增長。隨著高性能傳輸需求的增長，手機設(shè)計者必須仔細研究其設(shè)計需要哪種等級的USB性能。