为什么高速USB并不一定表示手机拥有高速性能

为什么高速USB并不一定表示手机拥有高速性能

数码多媒体向日用电器的发展改变了消费者接触和享受多媒体娱乐节目的方式。现在消费者可以通过扑克牌大小的设备来收听音乐，观看电影和浏览照片。但是，这些技术先进却面临不少挑战。

挑战之一是将数码多媒体传输到设备自身。由于USB对于PC的普遍性以及便携性，USB成为多媒体传输的必然选择。用户可以很容易地使用USB来传输多媒体、同步数据，并且为他们的设备充电，进一步巩固了其作为手机接口标准的地位。但是，许多第一代设备仅支持全速USB，数据传输速度不超过12Mbps。使用全速USB，需要用一个小时将数据从100 MP3传输到其它设备。该数量级的等待时间对于消费者来说是无法接受的，他们需要更快的传输速度。随着手机的多媒体功能从单一的音乐功能发展到电影以及更高需求，随着数据和存储容量的增长，需要更快的传输接口。业内对此挑战的解决方案便是出现了高速USB，最大理论传输速率可达480Mbps——比全速USB速度要快40倍。

可供选择的几种高速USB架构

随着高速USB成为新型多媒体中心手机的基本需求，设计者可以选择几种不同的架构来支持高速USB。

第一种选择（若可行）是在所选的处理器内使用高速USB逻辑。在这种架构中，直接由处理器支持高速USB，外接USB收发器用于物理层通讯。典型情况下，USB收发器为处理器的外接设备，从而节省住处理器内的硅面积。由于USB收发器的模拟属性，当向更小尺寸技术发展时，例如65nm及以下，不能达到数字技术规格。将模拟元件（例如USB收发器）外接通常会降低成本并且有效利用空间。

第二种选择是使用单独的高速USB控制器。该器件包含了支持高速USB需要的所有部分，包括SIE和收发器。这些器件通常通过存储接口连接到主机处理器。

第三种选择是使用桥接器，可以在其它特性内包含高速USB功能，例如海量存储控制。与专用高速USB控制器类似，这些设备通常通过处理器存储接口进行连接。

性能对比

我们快速看一下手机市场，可以发现手机的选择范围很大。现代手机的范围可以从简单的单一功能到复杂的多功能智能手机。由于音乐手机的普及性，驱使在现在的手机中广泛采用高速USB。同时，手机也普遍支持海量存储，并提供多种选择。对于手机的高速USB设计，上述3种架构均适用。

由于高速USB的最大理论性能可达480Mbps，在实际的应用中，由于软件架构的限制，达不到最大理论性能。高速USB的架构和设计是实际性能的重要决定因素。

下面我们看一下具有高速USB的一些手机（高速USB的实现方式不同）的USB性能对比。在相同环境下的各手机中，用户将677MB的视频文件传输到手机上的海量存储区。为了保证一致性，在所有应用中采用了海量存储模式和相同的移动式海量存储。可以从下面的示意图中看到该对比的结果。

图1：支持高速USB的三种不同架构。

内部结构

我们可以从上述结果看出，实际的高速USB性能变化范围很大。从超过20分钟（低于10Mbps）的传输时间到不超过1分钟（超过140Mbps），相差25倍以上。为什么差距会如此之大？其答案在于USB的架构不同。

在使用单独的高速USB控制器的架构中，控制器通常通过主处理器外接存储接口连接到处理器。通常与存储设备共享此接口，例如NAND，NAND可用于代码或用户数据存储。从主机输入的数据通过USB控制器传输到主处理器。该点的处理器在将数据写入海量存储前先缓存到SDRAM。整个过程分多步完成，需要占用大部分处理器，从而限制了USB的传输性能。在下面的示意图中描述了这种应用的数据流。

图2：部分手机（高速USB的实现方式不同）的USB性能对比。(高速USB对比、 1部电影的传输时间)

高速USB实现的另一种可选架构是使用集成了USB控制器的处理器。许多支持高速USB的处理器还具有多个CPU内核，以提高处理能力，例如音乐和视频。在下面的示意图中显示了这种应用的理想的数据路径。

图3：使用单独的高速USB控制器的高速USB的数据路径。（存储总线）

由于USB控制器集成在处理器中，理想情况是数据直接从USB传输到海量存储。然而，数据从USB到海量存储的实际传输路径并不是描述的那样直接传输。在下面的示意图中显示了处理器中的实际数据流。

图4：使用集成了USB控制器的处理器来实现的高速USB理想的数据路径。

从该示意图中，可以看到一个CPU内核用于控制USB SIE，另一个CPU内核用于海量存储控制器。所有内核共用相同的SDRAM，SDRAM被分成两个内存，专用于各CPU内核。由于CPU内核不能访问其它CPU内核的内存，CPU1必须将数据缓存，然后将数据发送到CPU2，并且在写入存储区前在CPU2中进行缓存。该过程会带来很大的系统负荷，影响整体USB性能。

图5：使用集成了USB控制器的处理器来实现的高速USB在实际应用中的数据路径。

第三种架构是使用桥接器架构。类似于PC业的北桥和南桥架构，桥接器会为处理器本来不支持的外围设备提供支持。在嵌入式领域，已经开发出了西桥架构，以满足快速添加新的外围设备和通信协议的需要。该设备（例如美国赛普拉斯半导体有限公司的West Bridge Antioch）是含有高速USB控制器并提供海量存储支持的西桥控制器。

在这种应用中，USB数据流和海量存储均由西桥控制器管理。在下面的示意图中显示了该架构的数据路径。

图6：使用桥接器架构来实现的高速USB理想的数据路径。

该架构具有几个优点。首先，提供了海量存储的直接路径，优化了USB到海量存储的数据路径和性能。其次，由于桥接器直接支持海量存储控制和USB，不再需要主基带处理器来处理这些任务，主基带处理器可用来处理其它任务。沿处理器、存储区和PC之间任一独立的数据路径传输数据时，可以达到最高效率。该架构具有上述讨论的优点，可以更好地均衡方案、成本之间的关系。

结论

很明显，现在有多种高速USB供选择，方案的选择最终取决于期望的手机的特点和规范。配置有限海量的单一设备采用集成于处理器中的USB方案就能满足需求，而大存储量多媒体中心设备需要高性能传输性能。要达到最大传输性能，应选择具有到海量存储的直接路径的桥接器。

随着手机多媒体和存储需求的不断增长，高性能传输需求也随之增长。随着高性能传输需求的增长，手机设计者必须仔细研究其设计需要哪种等级的USB性能。