為什么高速USB并不一定表示手機(jī)擁有高速性能

為什么高速USB并不一定表示手機(jī)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(fèi)者接觸和享受多媒體娛樂節(jié)目的方式。現(xiàn)在消費(fèi)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(jìn)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(duì)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(jìn)一步鞏固了其作為手機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)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(gè)小時(shí)將數(shù)據(jù)從100 MP3傳輸?shù)狡渌O(shè)備。該數(shù)量級(jí)的等待時(shí)間對(duì)于消費(fèi)者來說是無法接受的，他們需要更快的傳輸速度。隨著手機(jī)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(chǔ)容量的增長，需要更快的傳輸接口。業(yè)內(nèi)對(duì)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(dá)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(jī)的基本需求，設(shè)計(jì)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(dāng)向更小尺寸技術(shù)發(fā)展時(shí)，例如65nm及以下，不能達(dá)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(huì)降低成本并且有效利用空間。

第二種選擇是使用單獨(dú)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(chǔ)接口連接到主機(jī)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(chǔ)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(chǔ)接口進(jìn)行連接。

性能對(duì)比

我們快速看一下手機(jī)市場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)手機(jī)的選擇范圍很大?，F(xiàn)代手機(jī)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(jī)。由于音樂手機(jī)的普及性，驅(qū)使在現(xiàn)在的手機(jī)中廣泛采用高速USB。同時(shí)，手機(jī)也普遍支持海量存儲(chǔ)，并提供多種選擇。對(duì)于手機(jī)的高速USB設(shè)計(jì)，上述3種架構(gòu)均適用。

由于高速USB的最大理論性能可達(dá)480Mbps，在實(shí)際的應(yīng)用中，由于軟件架構(gòu)的限制，達(dá)不到最大理論性能。高速USB的架構(gòu)和設(shè)計(jì)是實(shí)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(jī)（高速USB的實(shí)現(xiàn)方式不同）的USB性能對(duì)比。在相同環(huán)境下的各手機(jī)中，用戶將677MB的視頻文件傳輸?shù)绞謾C(jī)上的海量存儲(chǔ)區(qū)。為了保證一致性，在所有應(yīng)用中采用了海量存儲(chǔ)模式和相同的移動(dòng)式海量存儲(chǔ)?？梢詮南旅娴氖疽鈭D中看到該對(duì)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(shí)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(shí)間到不超過1分鐘（超過140Mbps），相差25倍以上。為什么差距會(huì)如此之大？其答案在于USB的架構(gòu)不同。

在使用單獨(dú)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(chǔ)接口連接到處理器。通常與存儲(chǔ)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(chǔ)。從主機(jī)輸入的數(shù)據(jù)通過USB控制器傳輸?shù)街魈幚砥鳌Ｔ擖c(diǎn)的處理器在將數(shù)據(jù)寫入海量存儲(chǔ)前先緩存到SDRAM。整個(gè)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(jī)（高速USB的實(shí)現(xiàn)方式不同）的USB性能對(duì)比。(高速USB對(duì)比、 1部電影的傳輸時(shí)間)

高速USB實(shí)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(gè)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(dú)的高速USB控制器的高速USB的數(shù)據(jù)路徑。（存儲(chǔ)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?chǔ)。然而，數(shù)據(jù)從USB到海量存儲(chǔ)的實(shí)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(shí)際數(shù)據(jù)流。

圖4：使用集成了USB控制器的處理器來實(shí)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(gè)CPU內(nèi)核用于控制USB SIE，另一個(gè)CPU內(nèi)核用于海量存儲(chǔ)控制器。所有內(nèi)核共用相同的SDRAM，SDRAM被分成兩個(gè)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(chǔ)區(qū)前在CPU2中進(jìn)行緩存。該過程會(huì)帶來很大的系統(tǒng)負(fù)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(shí)現(xiàn)的高速USB在實(shí)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(huì)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)的高速USB理想的數(shù)據(jù)路徑。

該架構(gòu)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，提供了海量存儲(chǔ)的直接路徑，優(yōu)化了USB到海量存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)區(qū)和PC之間任一獨(dú)立的數(shù)據(jù)路徑傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以達(dá)到最高效率。該架構(gòu)具有上述討論的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的特點(diǎn)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(chǔ)量多媒體中心設(shè)備需要高性能傳輸性能。要達(dá)到最大傳輸性能，應(yīng)選擇具有到海量存儲(chǔ)的直接路徑的橋接器。

隨著手機(jī)多媒體和存儲(chǔ)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(jī)設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)研究其設(shè)計(jì)需要哪種等級(jí)的USB性能。