解除30MB/s魔咒！ 實戰USB 2.0大提速

    泡泡網主板頻道7月5日 1998年USB 1.1規范正式發布，產品主要用于將PC和電話連接起來實現計算機設備和通訊設備的完美融合，實現移動領域內的人機數據交互，成為新的廉價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傳輸規范，數據傳輸速率提升至480Mbps，由于方便的熱插拔和快速的數據交換速度，使得這一標準被PC廣泛采用。

    時值今日USB 3.0已經得到大面積的推廣，這個建立在2008年的規范在經歷了長達四年的風雨后，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用戶的標配，留給第三方芯片廠商機會已經不多。

    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守在USB 2.0陣線上，理論上高達60MB/s的傳輸速度本可以滿足絕大部分數據傳輸需求，不過糟糕的協議和編碼方式使得長期以來USB 2.0最高實際傳輸速度被限制在30MB/s左右，本文將從數據傳輸底層分析USB 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主控和終端設備大部分依然基于USB 2.0規范，這也直接導致很多高速設備無法享受到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的數據傳輸帶寬，而在實際應用中這一速率受到傳輸協議（Bulk-Only Transport(BOT)協議）、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的設計完全拋棄了USB 2.0的總線，新增兩組數據總線，而為了保證向下兼容，USB 3.0保留了USB 2.0的一組數據總線。而在傳輸協議方面，USB 3.0除了支持傳統的BOT協議，還新增了USB Attached SCSI Protocol（UASP）協議，可以完全發揮出5Gbps的高速帶寬優勢，雖然目前只有很少的設備能達到這一傳輸速率。

    傳統BOT協議早在1999年USB 1.1發布不久后就誕生，它規定USB設備在同一時間只能接收或處理一條命令，而到USB 2.0時代，雖然設備傳輸速率得到了極大的提升，但BOT協議并沒有改善，隨著存儲設備傳輸速率的提升，BOT協議阻礙USB傳輸速率的問題已經顯現出來。于是大容量數據交換就迫切需要新的傳輸協議，因此USB-IF組織就將SCSI和USB相結合推出了新的UASP協議，支持多命令并發執行和NCQ隊列功能，極大的提高了數據傳輸效率，另外由于支持UASP的主控設備都具備獨立的計算內存模塊，使得USB數據傳輸對CPU的依賴大幅降低。

    按照USB-IF組織的計劃，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。

    目前由于設備傳輸速率限制以及USB 3.0 5Gbps傳輸帶寬的冗余，UASP協議并沒有急于展開，另外要實現UASP協議的支持，除了主控設備，終端設備也需要支持UASP，終端設備的芯片設計難度將會加大，這使得閃存等小型存儲設備的成本和體積將會顯著增加，不利于產品推廣，現有的一些支持UASP的設置僅限于外置存儲。 

30MB/s成了USB 2.0存儲設備的實際極限速度

    回歸到主流的USB 2.0設備上來，前文我們已經提到，受BOT傳輸協議、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，傳輸連續的0、1字符串。在RZ（Return-to-zero Code）編碼中，正電平代表邏輯1，負電平代表邏輯0，并且每傳輸完一位數據，信號返回到零電平，也就是說，信號線上會出現3種電平：正電平、負電平、零電平。

    而零電平因為是附加的內容浪費傳輸帶寬，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USB數據包，最開始都有個同步域（SYNC），這個域固定為0000 0001，這個域通過NRZI編碼之后，就是一串方波，接受者可以用這個SYNC域來同步之后的數據信號。此外，因為在USB的NRZI編碼下，邏輯0會造成電平翻轉，所以接受者在接受數據的同時，根據接收到的翻轉信號不斷調整同步頻率，保證數據傳輸正確。

    但是，這樣還是會有一個問題，就是雖然接受者可以主動和發送者的頻率匹配，但是兩者之間總會有誤差。假如數據信號是1000個邏輯1，經過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送者相差千分之一，就會造成把數據采樣成1001個或者999個1了。

   USB對這個問題的解決辦法，就是強制插0，也就是傳說中的bit-stuffing，如果要傳輸的數據中有7個連續的1，發送前就會在第6個1后面強制插入一個0，讓發送的信號強制出現翻轉，從而強制接受者進行頻率調整。接受者只要刪除6個連續1之后的0，就可以恢復原始的數據了。

    由于強制插0保持發送者和接收者頻率同步會造成USB 2.0傳輸帶寬的浪費，浪費的大小則根據插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5Gbps數據傳輸的正確性，采用了時下流行的8b/10b編碼方式，有效數據利用率為80%。也就是USB 3.0的有效數據傳輸帶寬為500MB/s。

    除了編碼方式，影響USB 2.0傳輸速率的還有BOT傳輸協議，BOT協議在操作系統下限制最大為64KB區塊，而持續數據塊大小為128KB。由于BOT協議的原因，BOT區塊會因為串行處理而浪費大量等待時間，這又一次將有限的60MB/s傳輸帶寬浪費了不少，NRZI和BOT雙重限制下，有效傳輸帶寬就剩下50%左右了。

    USB傳輸底層NRZI編碼方式我們無法改變，不過我們可以擴大BOT協議的區塊大小，增加USB帶寬利用率，這對于持續傳輸尤其有效。

    修改BOT區塊大小之前，我們要從微軟官方下載一個補丁Windows6.1-KB2581464，補丁將Usbstor.sys驅動程序中的最大傳輸尺寸值從默認的64KB增加到2MB。

    安裝補丁后，系統還無法直接為存儲設備應用為2MB區塊模式，這個時候我們還需要將存儲設備的INF設備信息（INF設備信息是由VID_xxxx&PID_xxxx字符串組成，唯一的標識了這款產品）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INF存儲設備項，然后建立“MaximumTransferLength”=dword:001fffe0（001fffe0十進制數值為2097120，也就是2MB）的DEWORD值，保存后重啟系統就完成了INF信息配置。

     在安裝、配置完后，現在就可以享受到性能的提升。由于USB 2.0已經非常普及，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存儲設備測試這一提速效果。

    ● 測試平臺

   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傳輸協議、NRZI編碼，也就是說USB 2.0控制器、存儲設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存儲設備傳輸速率低于30MB/s，那么提速將沒有明顯的效果，因為此種情況下，USB 2.0的總線還是可以滿足你的存儲設備傳輸帶寬需求的，這也是我們不采用USB 2.0存儲設備的原因，因為大部分的USB 2.0速度是達不到30MB/s以上的傳輸速率的。

    當然選擇的USB 3.0設備雖然支持5Gbps傳輸，不過由于接駁在USB 2.0接口上，所以傳輸規范和總線協議依然是基于USB 2.0，所以理論速率還是會被限制在480Mbps以內。

    測試所用的三組設備Kinston DT G2 USB 3.0高速閃存、SATA 6Gbps SSD轉USB 3.0外置存儲、SATA 3Gbps HDD轉USB 3.0外置存儲在SuperSpeed模式下實際傳輸速率（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。

    測試選取的三組設備Kinston DT G2 USB 3.0高速閃存、SATA 6Gbps SSD轉USB 3.0外置存儲、SATA 3Gbps HDD轉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。

    首先進行的ATTO Disk Benchmark測試中，默認配置下，所有三款設備的讀寫速度最高只有36.5MB/s，加速后讀寫速度都出現了顯著的增加，其中最高的SATA 6Gbps SSD轉USB 3.0讀取達到了44.8MB/s，這在以往USB 2.0數據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，相對默認環境還是有不小的突破，能夠節約不少時間。

    另外一項AS SSD測試主要基于存儲設備的持續讀寫性能、4K、4K-64線程傳輸速率，由于移動存儲設備主要用于文件拷貝，所以測試僅選取了持續讀寫這一項。

    整個測試基本和ATTO Disk Benchmark表現一致，默認情況下SATA 3Gbps HDD轉USB 3.0存儲設備獲得了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%。

    整個組建、測試下來，我們看到經過改善后的USB 2.0最大傳輸速度已經有了明顯的提升，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，畢竟USB 2.0的傳輸協議和編碼方式已經嚴重制約了其理論傳輸速度的發揮。

離60MB/s理論還是有一定差距

    雖然目前USB 2.0設備很多都沒有達到30MB/s的傳輸速率，不過在USB 3.0存儲設備普及之前，一些老的高速傳輸設備，使用USB 2.0加速還是能為數據傳輸節約不少的時間，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獲得傳輸性能的提升也是一件不錯的事。

    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存儲設備，其實是因為USB 2.0的傳輸協議和編碼規范影響了傳輸速度，而不是設備本身，而USB 3.0雖然目前還是基于BOT傳輸協議，但是5Gbps的帶寬，除了SSD以外，很少設備能將其喂飽，也就是說在不使用高速設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傳輸規范，UASP協議將是未來的一個重點開發對象，在USB 3.0性能出現瓶頸前，USB-IF組織將會大力推廣UASP協議，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，它將全面取代現有的BOT傳輸協議。■<