再次提起 USB 3.0 這個菜市場老梗,如果不換點新花招,看起來也無趣的很。所以這次要來個阿呆的小實驗,把 USB 3.0 連接埠插滿裝置,同時跑軟體測速,驗證規格上號稱「多埠同時傳輸資料、彼此干擾降低」的說法對不對。

USB Root Hub分頻寬

筆者會想出這看似無聊的議題,當然還是有一些前因後果,研究題目發想起源其實也很簡單。在以往USB 1.0、USB 2.0世代產品的使用經驗上,許多人都發現到裝置接得越多,同時間傳輸資料的速度會掉很大。這現象一般會以USB屬於頻寬分享的架構來解釋之,實際上也是如此。

因為各世代USB控制器(host controller),內部架構亦具有集線器(hub)的設計,其用意和特性與外接式集線器相同,都是用來變出更多實體連接埠。可簡單視為每個USB控制器核心,原則上只能連接1個裝置,但是為了提供充足的連接埠,所以內建整合「根」集線器(root hub)。

▲在裝置管理員裡面可以看到,USB都會包含控制器(host controller)和根集線器(root hub)兩種元素。

理想與現實難以並存

至於為何會這樣設計,跟眾多因素有關。如果為了追求傳輸效率而讓每個連接埠擁有獨立控制核心,會牽動成本、電路設計複雜度、電路體積等問題。再者,控制器最終都得連接到系統匯流排介面上,這樣的設計和主機板一口氣配置數顆控制器的結果相同,都會占用許多寶貴的PCI、PCI-E匯流排通道,因而難以實現。

況且會連接一堆周邊裝置,同時傳輸大量資料的人是極少數,所以獨立的電路設計沒有太多實質效益。而直接在控制器內部加入根集線器,讓多個裝置共享1個控制核心資源,算是成本與實用性的折衷方案。至於缺點,則是連接在同組根集線器上的裝置,得共享可用資料傳輸頻寬。

USB 3.0同樣內建Hub

那麼USB 3.0的架構設計同樣如此嗎?很不幸的,答案是「一樣」!只不過在USB-IF制定的規範上,標榜資料傳輸架構經過最佳化設計,可以改善以往多裝置同時傳輸資料降速的老毛病。這裡就針對目前USB 3.0相關裝置規格特點,準備了以下測試平台。

▲主機板附加的第三方USB 3.0控制器,都是2個連接埠設計,準備2個外接儲存裝置,就能進行各項極速驗證。

測試平台設定
處理器 Intel Core i7-2600K
主機板 Asus P8Z68-V(ASMedia ASM1042)
GIGABYTE GA-H67A-UD3H(NEC µPD720200)
GIGABYTE GA-Z68XP-UD3P(Etron EJ168)
記憶體 Kingston HyperX DDR3-1600 4GB Kit
顯示卡 Asus ENGTX560 Ti DCII/2DI/1GD5
硬碟 Kingston SSDNowV 64GB(測試平台)
OCZ Agility 3 240GB x 3
作業系統 Microsoft Windows 7 Ultimate 64bit SP1
外接盒 Asus Leather II External HDD USB 3.0(SATA 6Gb/s)

 

我們挑選搭載ASMedia、Etron、NEC,這3家常見USB 3.0控制器的主機板,一律將韌體與驅動程式更新到最新版本。這些控制器都是2個連接埠設計,所以準備Asus Leather II External HDD USB 3.0和Raidon GR3630-SB3這2款外接盒,並搭配OCZ Agility 3固態硬碟來實測。

(後面還有:實測結果)

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速度平均掉20%以上

▲ASMedia控制器擁有最佳傳輸速度,最高可達275.6MB/s,同時傳輸速度總和為322.3MB/s。

▲雖然ASMedia控制器跑得快,2個裝置同時傳輸的效能變化,明顯有頻寬分配不一的現象,速度一高一低。

USB 3.0傳輸速率為5Gbps,理論頻寬達500MB/s,遇上採用SATA 6Gb/s介面設計的裝置端橋接晶片,理想傳輸速度也是以500MB/s為標竿,但筆者認為實務上只要能達到400MB/s就算很棒了。參考數據圖可發現,個別單一測試狀態下,Etron和NEC幾乎都卡在200MB/s左右,只有ASMedia能衝到270MB/s以上。這個結果可以看出,裝置端橋接器晶片效能還有改善空間。

▲單一裝置傳輸測試下,Etron控制器速度表現不如ASMedia,和NEC同樣並未達到220MB/s,比ASMedia慢了些。

▲2個裝置同時運作,Etron控制器傳輸速度折損最少,各裝置獲得的資源也頗為均等,所以速度降幅相近。

至於同步進行測試時,是以Etron速度折損最少,讀寫速度降低範圍在9~23%左右。反觀ASMedia和NEC控制器,速度降幅介於9~45%之間。以傳輸速度數據進一步來分析,連接到Etron和NEC控制器的裝置,都是有相近的降低幅度。反觀ASMedia並不成比例,測試結果像是將多數資源給予其中1個裝置,所以速度一高一低。

▲NEC控制器個別測試裝置的傳輸速度,都和Etron相當接近,並未有ASMedia那般高速暴走的演出。

▲在2個裝置同時傳輸測試部分,NEC控制器速度折損幅度頗高,總和速度略低於Etron,但是降幅平均。

USB 3.0極限有待考驗

總和來說,USB 3.0確實還是存在頻寬共享的問題。即便是效能最好的ASMedia控制器,2個裝置同時測試的總傳輸頻寬,也不過在322.3~378.4MB/s之間。不過回歸現實來說,除非你的電腦全都配備高速固態硬碟,否則現階段不需要擔心這樣的頻寬共享問題。

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