实测USB 3.0数据传输速度大提速最高可以达到5Gbps

2024-05-08 16:15:06

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供稿：网友

2008年USB-IF组织正式发布了USB 3.0，全面取代已有的USB 2.0规范，理论传输速度达到了5Gbps，相比USB 2.0提升了约10倍。在经历了长达四年的酝酿后，USB 3.0已经展现出强大的竞争力，Intel和AMD基于原生USB 3.0的芯片组控制器已经成为主流产品的标配，留给第三方芯片厂商机会已经不多，而USB 3.0存储设备也出现了全面开花的景象。

基于5Gbps的传输速度，USB 3.0不得不改用全新的传输总线设计，而为保持向下兼容，陈旧的BOT传输协议并没有立马升级。BOT是否已经过时，阻碍了USB 3.0存储设备的高速道路呢？崭露头角的UASP协议又将给USB 3.0数据传输带来哪些变革呢？
双路并发！USB 3.0数据传输总线解析
我们知道，USB 2.0基于半双工单总线设计，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用了对偶四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。

标准USB 3.0接口针脚定义

USB 3.0数据线缆
USB 3.0的接口相对USB 2.0有很大的变动，线缆增加到9条。由于USB 3.0为了获得超高的传输速度，单纯在USB 2.0四线缆（实际数据传输为单对总线设计）上提升难度非常大，几乎不可能实现。但是又不能因此而放弃USB 2.0，那怎么办呢，于是USB 3.0保留了USB 2.0传输的4条线缆，添加2对全新的传输总线。分别为Rx和Tx（共4条）。

USB 2.0/3.0数据传输总线（D+ D-为USB 2.0)

USB 3.0双总线设计
USB 3.0接口总共有3组数据传输总线，其中两组为USB 3.0专有，而另外一组为USB 2.0专有，所以数据传输就不用像USB 2.0那样半双工工作，所以Rx（接收）和Tx（发送）就能各司其职，只负责单向传输，能够有效的提高传输速度，重要的是它结束了USB 2.0时代半双工数据传输。

为高速而生！USB 3.0数据编码方式解析
由于USB 3.0极高的传输速度，迫使其不能再使用USB 2.0时代的NRZI编码，而是采用了安全性更高的8b/10b编码方式，这一传输协议被广泛应用于SATA 3Gbps、PCI Express 2.0、1Gbps千兆以太网等传输总线上。
详细阅读：USB3.0知识扫盲 usb3.0和2.0的区别

8b/10b分组编码示意图

8b/10b编码对传输的数据每8b进行分组，然后向8b数据插入2b的校验数据，如果传输过程发生异常，就可以根据校验原理，还原出原始的数据。这样USB 3.0的实际最大有限速率就要打80%的折扣了，也就是5Gbps*8/10=4Gbps，或者说500MB/s。

数据发送编码流程

数据接收解码流程
在这里要提到一个问题那就是B和b的区别。很多读者分不清这两者的区别，B是指1个字节(Byte)，也就是8b，主要是用来度量数据容量的，当然也可以用---B/s表示数据传输速度。b则是一个比特(bit)，用来衡量数据传输速度的单位，因为在数据传输的过程中是以一个比特为单位的，所以用b。

USB 3.0数据总线图
从上图我们看到当启用USB 3.0传输时，实际用于数据传输的就是Rx（接收）和Tx（发送）两组数据总线，相比USB 2.0，分离的总线设计，保证了发送和接收数据的独立，而借助新的8b/10b数据传输编码方式，可以大幅提升传输带宽频率，另外数据传输的安全性也得到了极大的提高。

USB 2.0和USB 3.0数据传输　　
从上图我们可以看到USB 3.0的两对数据总线能够同时发送和接受数据而不受影响，而8b/10b的编码方式也使数据传输更加安全准确。

回归到USB 3.0传输的协议和编码上去，目前USB 3.0仍然基于传统的BOT协议，理论传输速度和USB 2.0一样都要打折扣，而由于USB 3.0理论500MB/s的实际数据传输率，目前来说大部分的存储设备是无法达到这一传输速度，我们可以预见对于低俗存储设备，提速效果并不明显。

便携大容量存储先锋 SATA-USB方案解析
作为大容量存储的典范，SATA-USB方案受到了不少用户的青睐，相比传统的Flash存储，产品拥有足够的容量、成本控制也渐趋合理，另外在传输速度方面也有不错的表现，更重要的是USB 3.0带宽已经完全跟上了SATA的脚步。

成熟的SATA-USB存储解决方案
而在本文里面我们把主要测试集中在SATA-USB方面，既有大容量HDD也有高速的SSD。我们知道，SATA接过IDE的枪后，已经经历了三代SATA I、SATA II和SATA III，传输带宽分别为1.5Gbps、3Gbps和6Gbps。

SATA数据传输也采用了双总线设计（发送和接收总线互相独立）
从1.5Gbps、3Gbps和6Gbps表面上来看，对应的数据传输率分别为187.5MB/s、375MB/s和750MB/s，但是实际上SATA传输协议也采用了8b/10b的编码方式，和USB 3.0表现一致，得到的实际有效数据传输率则分别为150MB/s、300MB/s和600MB/s。

主流SATA-USB 3.0芯片规格
而目前来说主流的SATA-USB 3.0解决方案都停留在SATA 3Gbps，所以你很难看到实际传输速率大于300MB/s的硬盘盒或底座，而本次测试的产品--麦沃K308U3也是基于这一解决方案。

银欣TS-07硬盘盒基于ASMedia ASM1051E设备控制器
SATA 6Gbps--USB 3.0方案比较常见的有ASMedia(祥硕) ASM1051E和Renesas(瑞萨) uPD720230。目前完美支持SATA 6Gbps规范的产品并不多，已知的仅有银欣TS-07硬盘盒、Tt BlacX 5G硬盘底座，这两款产品均基于ASMedia ASM1051E设备控制器，除了支持SATA 6Gbps，还支持UASP传输协议。
测试平台和测试方法介绍
测试平台方面，由于受到UASP协议的限制，我们使用了祥硕ASM1042 USB 3.0主控方案的主板--华硕P8Z77-V PRO，主板提供了两种USB 3.0解决方案，另外主板还提供四个原生USB 3.0接口（基于Intel Z77芯片组）。

华硕P8Z77-V PRO第三方USB 3.0解决方案--ASMedia ASM1042

麦沃K308U3硬盘底座和威刚256GB SSD

三星64GB SSD

西数320GB HDD
测试的USB 3.0存储设备为美沃K308硬盘底座。测试的硬盘既有高速SSD，也有常规HDD。其中HDD更接近主流用户的使用体验，而使用SSD测试则是尽量逼近USB 3.0的传输极限，为USB 3.0提速做铺垫。

美沃K308硬盘底座内部结构以及设备控制器方案
规格方面，美沃K308硬盘底座基于祥硕ASM1051 SATA-USB 3.0设备控制器，最高支持SATA 3Gbps传输规范，另外芯片还支持UASP协议。不过使用SATA 6Gbps SSD作为存储介质则会降级至SATA 3Gbps规格。

金士顿DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB U盘

西部数据My Passport 1TB移动硬盘
另外作为便携USB 3.0存储的主力军，我们也加入了USB 3.0 U盘和USB 3.0移动硬盘来验证提速效果，测试的U盘型号为金士顿DataTraveler Ultimate 3.0 G2 16GB，移动硬盘则来自西部数据的My Passport 1TB，不过这两款产品和测试的硬盘底座不同，并不支持UASP协议。

提速核心：UASP和Turbo传输模式解析
测试成绩方面共有四部分--BOT协议默认、BOT协议提速、UASP协议以及原生SATA协议。其中UASP协议属于USB 3.0新规范特有，虽然USB-IF有规划在USB 2.0上推广UASP协议，不过面临USB 3.0全面席卷以及USB 2.0提速潜力不大的缘故，这一计划很大可能会搁浅。

UASP模式数据传输模型图

Boost模式数据传输模型图
BOT协议提速方面，华硕主板提供了USB 3.0 Boost提速技术，该技术通过加大串行传输模块大小，以提升带宽利用效率进而提高传输速率，另外我们还会加入之前用到的提速技术，实际上和华硕USB 3.0 Boost提速技术使用了相同的原理，只不过优化略有不同，为区分这两个提速方案，我们将华硕USB 3.0 Boost技术描述为Boost，而提速技术描述为Turbo。

UASP协议是USB和SCSI的结合体
华硕USB 3.0提速技术通过整合在AI Suite工具套件中的USB 3.0 Boost应用程序，自动实现USB 3.0存储设备的提速，提速分为两种模式：Turbo和UASP，目前所有的存储设备都已经至少支持Boost提速技术，而少部分支持UASP传输协议，这些产品会在接入USB 3.0后自动开启UASP传输模式。

可开启UASP传输模式

可开启Boost传输模式
值得注意的是启用UASP需要Host Controller（主控）和Device ontroller（存储设备控制器）同时支持UASP传输协议，二者缺一不可，并需要在系统平台上安装UASP协议驱动。

直逼SATA原生性能硬盘底座UASP提速测试
首先测试的一组成绩为美沃K308硬盘底座搭配三款2.5英寸SSD/HDD的成绩，另外我们也加入了一组SATA 3Gbps原生模式的读写性能成绩，以对比USB 3.0的传输效率。

ATTO Disk Benchmark项目测试

AS SSD项目测试
在AS SSD和ATTO Disk Benchmark测试中，无论是读取还是写入，SATA原生均全面领先USB 3.0解决方案，这还包括提速后的性能成绩。我们注意到，低速的HDD对USB 3.0的传输带宽并没有明显的依赖，无论是采用SATA还是USB 3.0，也无论是USB 3.0默认还是提速模式下，整体读写速度都没有明显的改善，这完全在预料之中。
由于320GB HDD的数据传输率并不高，无论是USB 3.0还是SATA 3Gbps带宽都没有被充分利用，也就是传输带宽并不构成瓶颈，320GB HDD传输性能几乎没有损失。对于两款SSD（SATA 6Gbps）来说，其理论读取速度已经超过了SATA 3Gbps的传输极限300MB/s，测试成绩之所以没有达到300MB/s理论速度，是因为传输环境干扰、数据编码转换浪费了一定的带宽。
回到USB 3.0提速上来，我们看到UASP模式已经具备非常高的效率，相比默认BOT协议传输速率得到大幅提升，这主要是默认USB 3.0传输带宽利用率低下所致。Turbo性能表现也非常抢眼，已经能和UASP相媲美了。

设备性能成瓶颈移动存储Turbo提速测试
接下来一组测试则是基于便携的USB 3.0闪存和USB 3.0移动硬盘，很可惜这两款设备并不支持UASP协议，我们知道华硕P8Z77-V PRO主板USB 3.0 Boost提供三种工作模式：默认、Boost、UASP，而一款设备只能支持UASP和Boost模式中的一种，而本组测试的闪存和移动硬盘启用的就是Boost模式，另外我们也照例加入了一组Turbo模式测试成绩。

ATTO Disk Benchmark项目测试

AS SSD项目测试
AS SSD和ATTO Disk Benchmark测试成绩再次表现出惊人的相似，受到U盘和移动硬盘读写速度平平的影响，无论是Boost还是Turbo模式，传输速率提升都非常微弱，这也再次印证了低速（相对于5Gbps速度来说）USB 3.0传输设备的数据传输瓶颈不在于传输规范，而是设备本身，因为此时的USB 3.0数据带宽是完全冗余的，无论是改变传输协议还是传输模式，传输速率都不会有明显的提升。
3Gbps已过时 HDD/SSD混战原生SATA接口
最后一组附加测试和USB 3.0其实并没有具体关系，纳入文章主要是反映SATA理论传输速率也存在传输效率的问题，测试的三款2.5英寸HDD/SSD规格分别为：320GB HDD--SATA 3Gbps、64GB SSD--SATA 6Gbps、256GB SSD--SATA 6Gbps。

Intel Z77芯片组提供2种规格SATA接口
测试分两组进行，其中一组测试SATA 3Gbps模式下传输速率，对应的接口为Z77原生SATA 3Gbps接口，另外一组为SATA 6Gbps模式，对应的接口则为Z77原生SATA 6Gbps接口。

ATTO Disk Benchmark项目测试

AS SSD项目测试
320GB HDD在实际测试中无论是SATA 3Gbps模式还是在SATA 6Gbps模式，传输速度几乎一致，这也从一个侧面反映出HDD顺应潮流采用新的SATA 6Gbps接口没有多大必要。
64GB SSD和256GB SSD由于具备优秀的读写性能，由SATA 3Gbps变化为SATA 6Gbps模式后传输速度出现了大幅提升，尤其是读取速度，特别是在ATTO Disk Benchmark测试中最大读写速度达到了惊人的558MB/s，逼近SATA 6Gbps的理论传输极限。
而从两款SSD的SATA 3Gbps和SATA 6Gbps传输速率对比成绩来看，我们有理由相信如果有更高的传输规格，传输速率应该还有一定的提升空间。

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