Как повысить скорость обмена по Hi-Speed USB

Для загрузки информации в портативное устройство наиболее часто используется интерфейс USB, поскольку на сегодняшний день он является самым распространенным и универсальным. Стандарт USB объединяет несколько конфигураций начиная от Full-Speed и заканчивая High-Speed USB.
Первые версии стандарта (Full-Speed) обеспечивали очень низкую скорость передачи порядка 12 Мбит/с. Для копирования музыки этого достаточно, а для видео нужны более высокие скорости. Именно это и привело к созданию
Hi-Speed USB, обеспечивающего скорость до 480 Мбит/с, т.е. в 40 раз выше.

Интерфейс Hi-Speed USB стал практически обязательным для современных устройств, он удобен и подходит для широкого круга задач. В зависимости от архитектурного исполнения, Hi-Speed USB может обладать разными характеристиками. Рассмотрим несколько основных архитектур (см. рис. 1).
Во-первых, в некоторых процессорах имеется встроенная поддержка USB. Такие процессоры обычно содержат несколько ядер, чтобы обрабатывать одновременно несколько потоков (музыка и видео, например). В этом случае требуется только внешний приемопередатчик USB, чтобы обеспечить физический уровень обмена. Можно использовать и внутренний, однако это менее эффективный и более затратный вариант, поскольку аналоговая схема USB займет много места на кристалле.
Другой вариант подключения — через автономный USB-контроллер (см. рис. 1б). Он содержит в себе все блоки, необходимые для обмена по протоколу Hi-Speed USB, в т.ч. механизм последовательного интерфейса (SIE — serial interface engine) и приемопередатчик. Контроллер подключается к главному процессору через интерфейс ОЗУ.
Третий способ подключения основан на применении микросхем обмена (bridge chip), которые помимо других возможностей обеспечивают поддержку USB. Как и в предыдущем случае, эти устройства обычно подключаются к процессору через интерфейс памяти.

а)                                                   б)                                                            в) Рис. 1. Способы реализации подключения USB

Хотя скорость обмена по Hi-Speed USB имеет теоретический предел 480 Мбит/с, на практике он не достигается из-за программной обработки сигнала. Архитектура и реализация канала Hi-Speed USB имеют определяющее значение для характеристик подключения.
Проведем эксперимент. Засечем время, необходимое для записи 1 видеофайла размером 677 Мбайт на телефоны различных производителей. Диаграмма с результатами приведена на рисунке 2. Видно, что скорость передачи сильно различается, примерно от 10 до более 140 Мбит/с.

Рис. 2. Время, необходимое для записи фильма размером 677 Мбайт на мобильный телефон

Если подключение осуществляется через автономный контроллер, то принимаемые данные сначала буферизуются в SDRAM, а только затем поступают на карту памяти устройства (NAND или SD). Процесс записи производится в несколько этапов и занимает большую часть ресурсов процессора (см. рис. 3).

Рис. 3. Механизм записи информации на портативное устройство с использованием внутреннего USB-контроллера

При использовании внутреннего контроллера в идеальном случае сигнал проходит напрямую от USB-устройства в запоминающее устройство (см. рис. 4). Однако на практике все усложняется (см. рис. 5).

Рис. 4. Упрощенная схема записи информации с использованием внешнего USB-контроллера

Рис. 5. Механизм записи информации с использованием внешнего USB-контроллера

Ядро ЦП1 используется для управления блоком SIE, а ЦП2 — для обмена со схемой памяти NAND/SD. Для буферизации используется общее синхронное динамическое ОЗУ (SDRAM), разделенное на две независимые области. Каждое ядро имеет доступ только к своей области ОЗУ, поэтому принятые данные буферизуются дважды — при получении и перед записью на устройство хранения. Этот процесс может занять довольно много ресурсов системы, ухудшив быстродействие обмена.
Наконец, третья архитектура (см. рис. 1в) на основе микросхемы обмена (bridge chip). Микросхема обмена обеспечивает поддержку тех периферийных устройств, которые не поддерживаются процессором, образуя своеобразный мост. По аналогии с южным и северным мостами в компьютерной технике такие встраиваемые устройства получили название западных мостов. Архитектура западного моста (West bridge) позволяет быстро добавить поддержку новых периферийных устройств и протоколов.
Из рисунка 6 видно, что USB-устройство и карта памяти обмениваются напрямую, без участия процессора. Соответственно, она является наиболее эффективной и быстродействующей из рассмотренных. С другой стороны, она является самой дорогостоящей.

Рис. 6. Механизм записи информации с помощью микросхемы обмена

Выбор в пользу той или иной архитектуры всегда зависит от конкретных условий и требований заказчика. Для простых устройств с малым объемом карты памяти, скорее всего, наиболее подходящей является архитектура со встроенным USB-контроллером. Если в системе объем ОЗУ довольно большой, то лучше использовать микросхемы обмена, которые освободят ресурсы основного процессора для других задач.