USB 3.0 | Куди дівається швидкість?

День у день ми радіємо зручності використання і миттєвого підключення USB-пристроїв. Але буває, ми просто проклинаємо інтерфейс. USB з технологією plug and play неймовірно зручна річ. Але іноді, він наче на зло відмовляється визначати пристрій або забезпечувати ту швидкість роботи з ним, якої ми чекали.

USB 2.0: схоже, це триватиме весь день ...

З появою чіпсетів Intel сьомої серії і AMD Fusion Controller Hub, що підтримують USB 3.0, важко уявити, як ми могли користуватися першим поколінням інтерфейсу USB більше десяти років тому. Максимальна пропускна здатність становила 1,5 Мбайт / с, і файли через USB 1.1 передавалися жахливо повільно, проте ситуація частково зм'якшувалася невеликий ємністю USB-накопичувачів.

Через пару років нашій увазі був представлений оновлений інтерфейс USB 2.0, який мав максимальну заявлену швидкістю передачі в 60 Мбайт / с - величезний стрибок у порівнянні з USB 1.1. Проте, новий інтерфейс обмежувала перевантаження протоколу і кодування 8/10 біт, в результаті реальна швидкість передачі у USB 2.0 перебувала в межах 30-40 Мбайт / с. На той час це було досить. Але з ростом популярності доступних зовнішніх RAID - сховищ і SSD на базі SATA, ми стали більш чутливі до продуктивності, і поступово виявилося очевидним, що швидкості USB 2.0 починає не вистачати.

USB 3.0 задовольнив нашу потребу в інтерфейсі з більш високою пропускною здатністю, максимальний показник якого досягає 625 Мбайт / с. Якщо врахувати фактор передачі сигналів, ми отримуємо стелю в 500 Мбайт / с. Але навіть з огляду на це, реальна продуктивність, схоже, ніколи не доходить так такого високого рівня, як вказується в оптимістичних графіках пропускної здатності, які постачальники материнських плат люблять розміщувати на коробці зі своєю продукцією.

USB 3.0: Краще. Але ми чекаємо більшого!

Грунтуючись на швидкості роботи флешок і зовнішніх жорстких дисків, які є в нашій лабораторії, ми боялися, що так і не досягнемо заявлених швидкостей. Проте, ми приступаємо до вивчення роботи USB 3.0 і постараємося з'ясувати, чи є якась можливість збільшити швидкість передачі даних по цьому інтерфейсу.

USB 3.0 | Що уповільнює швидкість інтерфейсу?

Чому наші пристрої на базі USB 3.0 працюють приблизно на швидкості 150 Мбайт / с, коли заявлений максимум інтерфейсу становить 500 Мбайт / с або близько того? Для того щоб зрозуміти внутрішній устрій USB потрібно розібратися в базовій швидкості і харчуванні.

Оскільки USB не дуже підходить для передачі немодульованих даних, інформацію необхідно закодувати, використовуючи лінійний код і потім декодувати на іншому кінці. Це важливий момент, що дозволяє приймаючій стороні відновлювати синхронізацію. Без цього помилок передачі буде набагато більше. Як і багато інших інтерфейси (наприклад, оптичний Gigabit Ethernet), USB використовує лінійне надлишкове кодування 8/10 біт, що перетворює восьмібітних дані в десятібітние, тим самим досягаючи відповідності з напрямками передачі сигналу. Хоча кодування 8/10 біт забезпечує необхідну синхронізацію потоку, це зменшує швидкість передачі корисної інформації на 20%.

Тому швидкість передачі даних USB 3.0, складова 5 Гбіт / с, перетворюється в 500 Мбайт / с пікової пропускної спроможності. Але це не єдиний фактор, що з'їдає реальну швидкість передачі.

У характеристиці USB 3.0 на форумі USB Implementers Forum (USB-IF), під пунктом 4.4.11 повідомляється наступне:

Ефективність SuperSpeed USB залежить від декількох факторів, що включають кодування символів 8/10 біт, структуру пакету і фреймінг, управління потоками і перевантаження протоколу. На частоті передачі даних 5 Гбіт / с з кодуванням 8/10 біт, чиста пропускна здатність становить 500 Мбайт / с. Коли враховуються контроль потоку, структура пакета і перевантаження протоколу, пропускна здатність корисної інформації становить 400 Мбайт / с або більше.

Раптово швидкість USB 3.0 втратила ще 100 Мбайт / с. Однак навіть 400 Мбайт / с виглядає досить добре в порівнянні з 40 Мбайт / с у інтерфейсу USB 2.0.

Незважаючи на те, що ці цифри допомагають стримати очікування від USB 3.0, вони не відповідають на питання, чому реальні показники настільки нижче. Ми як і раніше запитуємо, чому пристрої з інтерфейсом USB 3.0 такі повільні, коли в характеристиках зазначено набагато більше пропускної здатності?

По-перше, контролер самого пристрою сильно впливає на продуктивність. На графіку вище Thermaltake BlacX 5G виразно швидше, ніж адаптер Apricorn SATA-to-USB 3.0 Adapter, однак такі дані ви побачите тільки з використанням високопродуктивного SSD. Більше вражає те, що BlacX 5G може обігнати зовнішнє RAID-сховище від Buffalo, результат якого показаний на першому графіку. З трьох зазначених пристроїв тільки BlacX 5G використовує контролер ASM1051. Виходячи з нашого досвіду, пристрої, що підтримують USB 3.0 і використовують контролери ASMedia, забезпечують більш високий рівень продуктивності. Але одного цього переваги мало для того, щоб пройти бар'єр 300 Мбайт / с і просунутися до пікової продуктивності інтерфейсу.

По-друге, неабиякий вплив на пропускну здатність робить сам контролер інтерфейсу. Вищезазначені тести ми проводили на "рідних" портах USB 3.0 материнської плати ASRock Z77 Extreme6 . C урахуванням сказаного, ми бачили суперечливі показники продуктивності і результат, схоже, залежав від особливостей реалізації. Контролер Etron на одній платі забезпечив 250 Мбайт / с, і цей же контролер, але на іншій платформі, не зміг переступити за 200 Мбайт / с. Однак, в цілому, втрата найбільше пов'язана з USB в Platform Controller Hub або Fusion Controller Hub.

І останнє, не дивлячись на те, що інтерфейс USB 3.0 здатний забезпечити 400 Мбайт / с, його потенціалу заважає розвинутися неефективний протокол. Всі види USB включають чотири типи передачі: контроль, переривання, ізохронна передача і лінійна передача. Перші два види Контроль і Переривання визначають, яким чином хост з'єднується з пристроями. Третій тип - ізохронна передача, необхідна для періодичної і постійної передачі даних, вона визначає, як пристрій може зарезервувати певну кількість пропускної здатності з гарантованою затримкою. Ізохронна передача зазвичай використовується в аудіо / відео пристроях, типу карт захоплення, оскільки вона вирішує проблему втрати даних (втрату кадрів в відео), коли використовується кілька пристроїв підключених через USB. І нарешті, режим об'ємної (лінійної) передачі (bulk-only transport) нас сьогодні цікавить більше всього, тому що він використовується для передачі даних на USB-сховища і т.п.

Технологія Bulk-only transport, в інженерних колах відома під абревіатурою "BOT", була розроблена в 1998 році для USB 1.1 в якості протоколу, який брав і обробляв одну команду за раз. Технологія BOT була спеціально задумана для потреб USB флеш-накопичувачів, які на той час мали невеликий обсяг і швидкість. У зв'язку з цим, BOT схожа на IDE в тому, що черговість команд обробляється на хості (що пояснює, чому продуктивність USB падає зі збільшенням глибини черги).

Технологія "BOT" залишилася незмінною з часів інтерфейсу USB 2.0, який дебютував в 2000 році, ймовірно через те, що сама швидкість шини USB є "вузьким місцем", і сенсу в оновленні BOT немає. Але в ретроспективі це може бути не вірно, тому що USB 3.0 вже не повільніше, ніж приєднуються до нього пристрої.

USB 3.0 | Turbo Mode: швидший USB, із застереженнями

Максимальний розмір транзакції для BOT-передач на рівні операційної системи становить 64 кбайт. Однак послідовні дані зазвичай передаються блоками розміром 128 кбайт, для чого потрібні дві BOT-транзакції. Технологія під назвою "Turbo mode" намагається подолати це обмеження через збільшення максимального розміру транзакції до 1 Мбайт або більше, дозволяючи драйверу USB упаковувати декілька послідовних запитів по 128 кбайт в одну велику транзакцію. Менша кількість маленьких транзакцій означає менше USB-команд очікування, підготовки і підтвердження, що в свою чергу збільшує пропускну здатність.

З функцією Turbo mode швидкість USB 2.0 зазвичай збільшується на 8-10 Мбайт / с, і продуктивність зростає на ~ 25-33%. Приріст буде незалежно від того, чи використовуєте ви звичайний жорсткий диск або SSD, тому що швидкість роботи накопичувачів вище пропускної здатності інтерфейсу.

Як ми знаємо, USB 3.0 прибирає це "вузьке місце". При встановленому HDD, максимальна швидкість послідовного читання складає ~ 128 Мбайт / с, і Turbo mode не робить ніякого впливу. Просто жорсткий диск мало швидкий для інтерфейсу USB третього покоління, тому навіть при більш високій швидкості передачі даних, HDD стримує продуктивність.

Після перемикання на Vertex 3 240 Гбайт, технологія Turbo mode починає грати вагомішу роль. Пропускна здатність на адаптері Apricorn SATA-USB 3.0 зросла приблизно на 30-40 Мбайт / с, або на ~ 20-25%. Цікаво, що за замовчуванням Thermaltake BlacX 5G настільки хороший, що Turbo mode не дає додаткова перевага.

Розбираємося в Turbo Mode

Turbo mode - це відносно нескладна технологія, зазвичай включає просту модифікацію BOT-драйвера на рівні операційної системи. утиліти ASRock XFast USB і Asus USB 3.0 Boost включають Turbo mode, однак ці програми призначені спеціально для материнських плат ASRock або Asus.

Включити вручну Turbo mode на материнській платі від постачальника, який не пропонує власну утиліту можна через модифікацію ключа в реєстрі HKEY_LOCAL_MACHINES \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Control \ usbstor \ 054C00C1. Додайте 32-бітове значення DWORD під назвою "MaximumTransferLength" і вкажіть значення максимального розміру транзакції між 65535 (64 кбайт) і 2097120 (2 Мбайт) в поле даних. Залежно від виробника плати, деякі оптимізації Turbo mode відбуваються на рівні сигналів в шині, щоб скоротити команди очікування, підготовки і підтвердження властивих USB. Проте, ці оптимізації грають лише незначну роль в тому, як Turbo mode покращує продуктивність, а іноді можуть і погіршити ситуацію.

Зовнішні накопичувачі переважно працюють з послідовною передачею. Набагато рідше в гру вступають випадкові операції введення / виводу. Якщо спробувати запустити Windows з флеш-накопичувача, то буде здійснюватися доступ до безлічі маленьких файлів розкиданих по ньому. В такому випадку, Turbo mode негативно вплине на пропускну здатність (хоча ця позначиться тільки на SSD, оскільки HDD отже справляються з випадковими запитами недостатньо швидко). З включеним Turbo mode, швидкість випадкового читання блоками по 4 кбайт на адаптері Apricorn SATA-USB 3.0 падає з 48 Мбайт / с до 36 MB /, в той час як випадкова запис зменшується не так помітно.

Не існує дійсно хорошого способу обійти втрати продуктивності випадкових операцій введення / виводу з BOT. На відміну від послідовної передачі даних, маленькі випадкові блоки не можна упакувати разом. Алгоритм очікування драйвера USB відправляє транзакції по частинах, тому що LBA-адреси не є суміжними.

Але чому збільшення розміру транзакції уповільнює рух випадкових блоків по 4 кбайт? Річ у тім, більший розмір транзакції збільшує кількість часу, за які драйвер USB намагається і, в кінцевому результаті, не упаковує блоки по 4 кбайт в великі пакети. В результаті привід Vertex 3 ледь проходить позначку 80 Мбайт / с. І це при тому, що при великій глибині черги, цей привід здатний видати ~ 325 Мбайт / с при підключенні через SATA.

USB 3.0 | USB Attached SCSI (UAS): збільшуємо продуктивність

USB Attached SCSI (UAS) - це новий протокол USB 3.0 який замінює старий протокол USB 2.0 BOT. UAS покликаний більш повно використовувати потенціал USB 3.0 , В ньому представлено два головних архітектурних зміни.

1. Чотирьохканальна модель: раніше, запити та команди розділяли один канал з переданими даними. UAS protocol (UASP) інтерфейсу USB 3.0 не поєднує типи передач, і кожен тип даних має власний канал. UAS можна уявити як багато-процес, а BOT більше схожий на послідовний.
2. Черговість команд: на відміну від технології BOT, UAS обробляє передачі паралельно, і чекати наступної команди немає необхідності.

Справа в тому, що включити підтримку UAS не так-то просто. Щоб вона працювала, платформа повинна мати чотири елементи:

1. підтримка UAS в драйверах USB;
2. Апаратна підтримка UAS на пристрої;
3. Програмна підтримка UAS на пристрої;
4. Системний контролер сумісний з UAS.

Якщо якогось компонента бракує, UAS не працюватиме і включитися резервний режим USB 2.0 BOT для збереження сумісності. Таким чином, немає сенсу підключати пристрій сумісний з UAS до материнської плати, яка його не підтримує, або підключити клієнтське BOT-пристрій до платформи, яка підтримує UAS.

Можна тільки гадати, скільки існуючих пристроїв з інтерфейсами USB 2.0 або 3.0 підтримують протокол UAS. Але ми знаємо, що контролер хоста і пристрої повинні апаратно підтримувати цю функцію. Ще ми впевнені, що багато USB-пристрої, які сьогодні поставляються, швидше за все, вже підтримують UAS. Але за оновлення прошивки, яка дозволить використовувати цей протокол, несуть відповідальність виробники.

Thermaltake BlacX 5G використовує контролер ASMedia ASM1051 USB 3.0 сумісний з протоколом UAS. Проте, з сайту довелося завантажити прошивку, яка дозволить його задіяти.

У поточний момент протокол UAS не підтримують Windows 7, OS X і Linux (в залежності від ядра), але Microsoft стверджує, що в Windows 8 така підтримка буде додана. І справді, встановивши Windows 8 Release Preview ми виявили "рідний" драйвер UAS Mass Storage Driver. Однак підтримка UAS на Windows 8 схоже працює тільки з USB 3.0 . У компанії нам сказали, що оновлення з підтримкою UAS для Windows 7 вийде незабаром після початку поставок Windows 8.

Щодо сумісності UAS з OS X нічого не говориться. Однак ми знаємо, що розробники Apple працюють з цим протоколом, тому мабуть, підтримка з'явиться в операційній системі після Lion. На жаль, інформації щодо підтримки UAS в Linux у нас немає.

Нам не доведеться чекати поки вийде Windows 8, щоб протестувати UAS. На щастя, Asus доклала певних зусиль і випустила програму USB 3.0 Boost, яка додає підтримку Turbo mode і UASP до деяких моделей, включаючи платформи на базі Z77, X79, Z68, 990FX / 990X / 970 і A75 з контролером ASMedia ASM1042 USB 3.0 .

Якщо у вас одна з таких материнських плат Asus, то в утиліті Asus USB 3.0 Boost поряд з кнопкою Normal з'явиться або кнопка "Turbo", або "UASP" в момент, коли до порту USB 3.0 приєднано відповідний пристрій. І не важливо, чи є цей порт чіпсетний або обслуговується окремим контролером. Turbo mode характерний для будь-яких пристроїв USB 2.0 або USB 3.0 без UAS, і якщо ваш пристрій, підключений через USB 3.0 , Підтримує UAS, то Turbo mode буде йому недоступний. За замовчуванням для всіх пристроїв встановлюється режим "Normal" (BOT).

Програма ASRock XFast USB виглядає більш відшліфованою і включає Turbo mode на будь-якому порте USB, навіть якщо до нього приєднаний накопичувач, ще не відформатований в NTFS або FAT. Проте, тільки Asus дозволяє включити протокол UAS в Windows 7 за допомогою ліцензійного драйвера MCCI ExpressDisk UASP Driver .

Драйвер Asus UASP працює краще, ніж BOT і "рідний" драйвер UAS в Windows 8, особливо з операціями випадкового читання.

При послідовній передачі даних драйвер UAS в Windows 8 виявляється швидше, і забезпечує майже 360 Мбайт / с, обганяючи драйвер Asus UASP на 25 Мбайт / с в операціях читання. Для порівняння, максимальним для BOT є показник ~ 300 Мбайт / с. Драйвер UASP від ​​Asus лідирує в послідовній запису досягаючи швидкості ~ 340 Мбайт / с. Драйвер UAS системи Windows 8 дає тільки ~ 325 Мбайт / с. Але обидва режими UASP забезпечує помітне поліпшення в порівнянні з BOT, максимум якого становить ~ 315 Мбайт / с.

USB 3.0 | Включаємо UAS на старих материнських платах з підтримкою USB 3.0

Як ми вже відзначали, навіть якщо у вас є пристрій, що підтримує UAS, система, в яку ви його встановлюєте, також повинна його підтримувати, інакше толку від цього не буде. Для цього треба враховувати апаратні і програмні фактори.

Набір драйверів Windows 7 не включає підтримку UAS, ось чому утиліта Asus USB 3.0 Boost має конфігураційні inf-файли в настановної папці. Ці файли є відсутньою ланкою.

Як виявилося, технічно ви можете використовувати ці ж драйвери, щоб включити UAS вручну. Однак на цьому шляху є одна перешкода. Коли компанія Asus ліцензувала драйвер MCCI UAS, вона додала підпрограму, яка перевіряє виробника і модель вашої материнської плати. Якщо ви використовуєте плату іншій компанії, все відразу ускладнюється (хоча в нашій лабораторії ми змусили утиліту працювати).

Але якщо CPU-Z визначає розробника вашої материнської плати як "ASUSTek Computer INC", ручна заміна "USB Mass Storage Driver" на "ASUS USB 3.0 Boost Storage Driver" у властивостях системи додає другий "UAS Storage Driver."

Спроба виконати цей фокус на платі не від Asus приведе до повідомлення про помилку. Єдиний спосіб обійти її - модифікувати рядок SMBIOS за допомогою спеціальної утиліти. Знову ж, не кожному захочеться стільки возитися, особливо якщо врахувати, що це ще не вся процедура.

Щоб переконатися остаточно, ми взяли стару плату Asus, яка має USB 3.0 , Але не підтримує UAS.

апаратна частина

Те, що драйвер встановлений, ще не означає, що UAS працює. Також необхідна відповідна апаратна підтримка. Візьмемо як приклад Asus P8P67 Deluxe. Само собою, вона містить потрібну строчку SMBIOS, але в ній використовується контролер Renesas USB 3.0 , Тому ця модель не вказана в списку плат, що підтримують USB 3.0 Boost. Всі плати в цьому списку мають одну загальну складову - контролер ASMedia ASM1042.

Справа в тому, що контролер ASMedia підтримує UAS, а Renesas немає. Нам вдалося змусити працювати UAS через "рідний" порт USB 3.0 чіпсета Z77 з допомогою Windows 8 на материнській платі ASRock Z77 Extreme6 (поряд з драйвером Asus UAS на платі P8Z77-V Deluxe з чіпсетом Z77), це говорить про те, що вбудований контроллер Intel підтримує протокол UAS.

Для порівняння у старого контролера Renesas або відсутня необхідна апаратна підтримка, або він потребує оновлення драйвера.

Ймовірно, простіше буде купити карту Syba USB 3.0 PCIe (SD-PEX20112) . Це недороге рішення працює з тієї причини, що воно засноване на контролері ASM1042, який підтримує протокол UAS. Просто встановіть драйвер ASM1042 від Asus, і все готове до роботи.

Тестові прогони Iometer на Thermaltake BlacX 5G, підключеного через карту Syba USB 3.0 , Підтверджують роботу UAS. Швидкість послідовного читання досягає 325 Мбайт / с, такий показник ми і хотіли побачити на платі з "рідної" підтримкою UAS.

USB 3.0 | На шляху до більш високої продуктивності

продуктивність USB 3.0 сильно коливається в залежності від контролерів, пристроїв і хоста, про це свідчать дані наших тестів. І щоб з'ясувати, яка комбінація компонентів дасть кращий результат, дійсно варто було провести дослідження.

Turbo mode і UAS - дві привабливі технології, які покращують початкове поведінка USB 3.0 . Але для обох рішень потрібні пристрої, які не будуть "з'їдати" продуктивність і дадуть інтерфейсу розкритися на повну. Підключіть зовнішній жорсткий диск через USB 3.0 , І він буде працювати на однаковій швидкості практично в будь-якій ситуації. Щоб дійсно відчути різницю, необхідно використовувати швидкісний твердотільний накопичувач.

Але не сподівайтеся на збільшену швидкість роботи випадкових операцій введення / виводу. Ми уявляємо собі, скільки людей розраховують на накопичувач, підключений через USB і працює з завданнями, які передбачають велику кількість операцій з випадковим розташуванням даних, і хочемо звернути увагу, що Turbo mode і UAS вам в цьому не допоможуть. Насправді, тільки операції лінійного читання / запису зможуть отримати приріст швидкості в цих режимах.

Можливо, це і дивно, але найбільший приріст швидкості завдяки Turbo mode ми бачили на пристроях USB 3.0 , Які продемонстрували найнижчий рівень продуктивності. Адаптер Apricorn SATA-USB 3.0 Adapter - наш улюблений лабораторний інструмент - використовує погано оптимізований контролер. багато дешеві USB 3.0 -Сховище і флеш-накопичувачі потрапляють в цю категорію, і саме такі пристрої найбільше виграють від Turbo, і це добре, оскільки Turbo mode за визначенням безкоштовна.

Однак включати режим Turbo марно, коли ви використовуєте більш дорогі пристрої на базі USB 3.0 , Як, наприклад Thermaltake BlacX 5G, тому що їх продуктивність в стандартному режимі (BOT) і так досить хороша. У цій ситуації багато що вирішує UAS, в залежності від вашої системи, швидкість послідовної передачі даних може бути на 20% вище.

UAS - це відносно нова технологія, тому на даний момент ми утримаємося від будь-яких висновків. Деякі з постачальників, з якими ми зв'язалися, заявили, що в своїх лабораторіях вони отримали більш високі результати, і у нас є підстави цьому вірити. За словами деяких інженерів, з новими розробляються пристроями швидкість послідовних операцій досягає 430 Мбайт / с, а випадкових - 100 Мбайт / с. Для порівняння, на нашому обладнанні нам вдалося отримати 350 і 70 Мбайт / с відповідно.

Зрештою, інтерфейс UAS надає величезний потенціал, і ентузіасти можуть бути не єдиними, хто отримає від нього виграш. Як помітив один з інженерів Western Digital, ця технологія більш актуальна для мобільних систем і десктопних оточень початкового рівня. При роботі в режимі BOT USB сильно навантажує центральний процесор, і це пояснює, чому USB 2.0 і USB 3.0 дуже часто працюють повільно на старих системах. Протокол UAS більш ефективний і дає істотно менше навантаження ЦП. Додавання підтримки черговості команд відкрило двері для збільшеної продуктивності, оскільки операції обробляються паралельно. Все це в підсумку допомагає поліпшити продуктивність на старих і дешевих комп'ютерах, розвантажуючи процесор для інших завдань.