為什么高速USB并不一定表示手機擁有高速性能

數碼多媒體向日用電器的發展改變了消費者接觸和享受多媒體娛樂節目的方式。現在消費者可以通過撲克牌大小的設備來收聽音樂，觀看電影和瀏覽照片。但是，這些技術先進卻面臨不少挑戰。

挑戰之一是將數碼多媒體傳輸到設備自身。由于USB對于PC的普遍性以及便攜性，USB成為多媒體傳輸的必然選擇。用戶可以很容易地使用USB來傳輸多媒體、同步數據，并且為他們的設備充電，進一步鞏固了其作為手機接口標準的地位。但是，許多第一代設備僅支持全速USB，數據傳輸速度不超過12Mbps。使用全速USB，需要用一個小時將數據從100 MP3傳輸到其它設備。該數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展到電影以及更高需求，隨著數據和存儲容量的增長，需要更快的傳輸接口。業內對此挑戰的解決方案便是出現了高速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

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

第一種選擇（若可行）是在所選的處理器內使用高速USB邏輯。在這種架構中，直接由處理器支持高速USB，外接USB收發器用于物理層通訊。典型情況下，USB收發器為處理器的外接設備，從而節省住處理器內的硅面積。由于USB收發器的模擬屬性，當向更小尺寸技術發展時，例如65nm及以下，不能達到數字技術規格。將模擬元件（例如USB收發器）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，可以發現手機的選擇范圍很大。現代手機的范圍可以從簡單的單一功能到復雜的多功能智能手機。由于音樂手機的普及性，驅使在現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設計，上述3種架構均適用。

由于高速USB的最大理論性能可達480Mbps，在實際的應用中，由于軟件架構的限制，達不到最大理論性能。高速USB的架構和設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的實現方式不同）的USB性能對比。在相同環境下的各手機中，用戶將677MB的視頻文件傳輸到手機上的海量存儲區。為了保證一致性，在所有應用中采用了海量存儲模式和相同的移動式海量存儲。可以從下面的示意圖中看到該對比的結果。

圖1：支持高速USB的三種不同架構。

內部結構

我們可以從上述結果看出，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的架構不同。

在使用單獨的高速USB控制器的架構中，控制器通常通過主處理器外接存儲接口連接到處理器。通常與存儲設備共享此接口，例如NAND，NAND可用于代碼或用戶數據存儲。從主機輸入的數據通過USB控制器傳輸到主處理器。該點的處理器在將數據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用的數據流。

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

高速USB實現的另一種可選架構是使用集成了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用的理想的數據路徑。

圖3：使用單獨的高速USB控制器的高速USB的數據路徑。（存儲總線）

由于USB控制器集成在處理器中，理想情況是數據直接從USB傳輸到海量存儲。然而，數據從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據流。

圖4：使用集成了USB控制器的處理器來實現的高速USB理想的數據路徑。

從該示意圖中，可以看到一個CPU內核用于控制USB SIE，另一個CPU內核用于海量存儲控制器。所有內核共用相同的SDRAM，SDRAM被分成兩個內存，專用于各CPU內核。由于CPU內核不能訪問其它CPU內核的內存，CPU1必須將數據緩存，然后將數據發送到CPU2，并且在寫入存儲區前在CPU2中進行緩存。該過程會帶來很大的系統負荷，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的高速USB在實際應用中的數據路徑。

第三種架構是使用橋接器架構。類似于PC業的北橋和南橋架構，橋接器會為處理器本來不支持的外圍設備提供支持。在嵌入式領域，已經開發出了西橋架構，以滿足快速添加新的外圍設備和通信協議的需要。該設備（例如美國賽普拉斯半導體有限公司的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。

在這種應用中，USB數據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的數據路徑。

圖6：使用橋接器架構來實現的高速USB理想的數據路徑。

該架構具有幾個優點。首先，提供了海量存儲的直接路徑，優化了USB到海量存儲的數據路徑和性能。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，主基帶處理器可用來處理其它任務。沿處理器、存儲區和PC之間任一獨立的數據路徑傳輸數據時，可以達到最高效率。該架構具有上述討論的優點，可以更好地均衡方案、成本之間的關系。

結論

很明顯，現在有多種高速USB供選擇，方案的選擇最終取決于期望的手機的特點和規范。配置有限海量的單一設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備需要高性能傳輸性能。要達到最大傳輸性能，應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，手機設計者必須仔細研究其設計需要哪種等級的USB性能。