魚鷹：探究 USB2.0 的真實傳輸速度是多少？

來源：公眾號【魚鷹談單片機】

作者：魚鷹Osprey

ID   ：emOsprey

今天魚鷹簡單聊聊 STM32F103 USB 外設實際傳輸速度的問題。

103 的外設號稱 USB 2.0，但實際上是全速的 USB 2.0，即傳輸 1 bit 數(shù)據(jù)的速度是 12Mbit/s，類似串口波特率 115200 的概念。

但是我們知道串口協(xié)議本身也是有開銷的，比如 1 bit 起始位，1 bit 停止位，這都是必須的，否則接收方就無法正確接收。

下圖是 8 位數(shù)據(jù)情況下的傳輸波形圖（來源STM32官方手冊）

所以上述情況下，115200 波特率換算字節(jié)單位，實際傳輸速度為 11.52KB/s ，注意這里的 B 是大寫，代表字節(jié) Byte，小 b 代表位 bit，這里面的區(qū)別很大，別被忽悠了。

比如 10 M 網(wǎng)速寬帶，一般說的是 bit 單位，所以實際傳輸大概在 1 MB 左右。

說回 USB 的話題，STM32F103 搭載的 USB 外設支持 2.0 協(xié)議，但是 2.0 協(xié)議也分兩種，一種是 全速 版本，即 USB1.1 ， 12 Mb/s，另外一種是 高速 版本，480 Mb/s，而 103 只支持全速模式。

F4系列在增加外部 USB PHY 芯片才可以達到高速，否則也只能以全速的方式工作。

那么 F103 的 USB 真實傳輸速度可以達到多少呢？

首先說說為什么想得到這個值，有些產(chǎn)品要求速率很高，必須 1 s 傳輸 1 M字節(jié)的傳輸速度（1 MB/s）才行，但為了降成本，使用了 103 的芯片，認為全速 12 Mb/s 的速度怎么也夠了吧，殊不知，這里的速度單位是 bit，還沒考慮 USB 協(xié)議的開銷。

所以當你絞盡腦汁優(yōu)化代碼，你都無法達到這個目標，因為它的理論值只有 12/8 = 1.5 MB/s ，可能你會說，這也夠了啊？

但是 USB 本身是有協(xié)議開銷的，就像串口有開始、停止位一樣，USB 也有令牌包、數(shù)據(jù)包、CRC校驗之類的開銷，還有一次傳輸事務的結束，一般會間隔一小段時間再進行下一次傳輸，還有協(xié)議中也會 1 ms 發(fā)送一次幀號。

上圖是魚鷹弄的 USB 雙緩沖傳輸波形（一個白塊代表了一次傳輸事務），我們可以看到，每傳輸一個數(shù)據(jù)包之后都會停頓一段時間，而每一次事務里面也不全包含了用戶數(shù)據(jù)，這些用戶數(shù)據(jù)被封裝在 USB 協(xié)議包里面。

所以，對于用戶來說，實際傳輸速度遠遠不到 1.5 MB/s，估計就 1 MB/s（最為理想情況下，即不浪費每一次 IN  OUT 令牌包的機會，另外 USB 總線上只有一個設備需要傳輸數(shù)據(jù)才可能達到），而如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中，還加入了上層協(xié)議，比如 模擬 U 盤，里面會加入?yún)f(xié)議，速度就更低了。

所以，為了盡可能達到接近 1 MB/s 的用戶數(shù)據(jù)傳輸速度，可以使用如下方式：批量傳輸 + 雙緩沖 + 環(huán)形緩沖（比如 SD 卡的數(shù)據(jù)可以在 USB 傳輸時同步寫入 FIFO 中）。盡可能的利用帶寬。

在魚鷹測試模擬 U 盤的性能時，發(fā)現(xiàn)傳輸速度可以穩(wěn)定在 700 KB /s 以上（單向）。而如果沒有 U 盤協(xié)議本身開銷和加大代碼優(yōu)化（即不浪費 IN 、OUT 令牌包），估計能到 900 KB/s，剛好模擬串口就沒有多少協(xié)議開銷，到時候可以測試一波數(shù)據(jù)。