Usb2.0速度

发表于 2018-09-02 | 分类于 Linux USB

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我是专门负责USB模块这部分的，有时候需要连接各种USB设备，比如说USB NET、USB Audio、USB Storage等。比如说最近碰到的一个通过USB NET将手机的地图画面传递给车机，车机上滑动地图的体验非常的差。然后客户就说测出来实际上USB的传输速度只有十几M，High-speed的理论速度有480M，肯定是我们车机的USB控制器有问题，有可能是我们的车机将手机识别成全速设备了。
很明显，要说服客户，必须给出强有力的数据，也需要解释关于USB的传输速度是怎么一回事，要怎么来衡量。USB2.0包括Full-speed和Low-speed。这里为了描述方便，将USB2.0与High-speed等价起来。
本文只是简单的解释了一下为什么USB的实际传输速度比USB Spec中说的理论传输速度差异那么大，具体等知道得更多的话再做补充。

USB理论传输速度

• Low-speed：1.5 Mb/s = 1.5Mbps = 0.1875MB/s = 0.1875MBps
• Full-speed：12 Mb/s = 12Mbps = 1.5MB/s = 1.5MBps
• High-speed：480 Mb/s = 480Mbps = 60MB/s = 60MBps

速度单位有小b和大B的区分，小b为bits，大B为Bytes。如果没有将小b和大B区分清楚，就去谈论传输速度都是瞎扯。红色部分是USB Spec宣传的理论速度。
我们使用ipref工具测试了USB NET的TCP的传输速度和UDP的丢包率。得到TCP传输速度平均为112Mbits/s = 14Mbytes/s，这个速度是符合苹果的CarPlay认证要求。

为什么USB2.0的实际传输速度远低于理论速度

在Linux测试U盘读写速度文章中，测试了USB2.0 U盘的读写速度，平均约为13MB/s。同样的，在Windwos上，我们拷贝USB2.0 U盘的内容，传输速度也才十几MB/s。这明显与USB2.0上写的480Mb/s = 60MB/s 有着很大的差距。关于为什么差距那么大，在 https://www.zhihu.com/question/20186057 的文章已经写得很清楚了，在此进行了整理学习。

对于USB2.0，480Mbps是指总线的频率，也就说，总线信号每秒最多能传输这么多bit，这些信号包括控制信号和数据信号。USB2.0规范里给了一个公式，算传输时间的（算法解释就太复杂了，见USB SpecUSB2.0 5.11.3 Calculating Bus Transaction Times的章节）：

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High-speed (Input)：Non-Isochronous Transfer (Handshake Included) = (55 * 8 * 2.083) + (2.083 * Floor(3.167 + BitStuffTime(Data_bc))) + Host_DelayBitStuffTime(Data_bc)

这部分就是数据传输需要的时间，算起来麻烦，但是看到前面有一个2.083就能看出来，传输一个bit基本上需要2.083倍的时间，所以，简单的把480Mbps除以2.083，再转换成字节大概是：28.8MB/s，也就是说，最多就这么快，再刨除bulk-only模式里的那一堆堆的多余指令：一个包需要16个字节左右，Windows一次请求是4KB（可能是为了页对齐），再浪费掉1%左右的时间，以及host delay，也就是主机的校验延迟，那么实际速度就20多MB/s，不管是读还是写。

在https://superuser.com/questions/317217/whats-the-maximum-typical-speed-possible-with-a-usb2-0-drive 中也解释了为啥USB的实际传输速度慢。

Full-speed每1ms会传输一个SOF，也就是微帧；
High-speed每125us会传输一个SOF，相当于1ms传输8个微帧；
Bulk传输最大的包是512Bytes，理论上每个SOF可以传输13个包，那么理论上最大的传输速率为：
512Bytes 13微帧8微帧/ms * 1000ms/s= 53248000Bytes/s = 53MB/s
USB控制器每个微帧仅允许8个或10个数据包，相当常见，分别产生41MB/s或33MB/s的峰值。