魚(yú)鷹：探究 USB2.0 的真實(shí)傳輸速度是多少？

來(lái)源：公眾號(hào)【魚(yú)鷹談單片機(jī)】

作者：魚(yú)鷹Osprey

ID   ：emOsprey

今天魚(yú)鷹簡(jiǎn)單聊聊 STM32F103 USB 外設(shè)實(shí)際傳輸速度的問(wèn)題。

103 的外設(shè)號(hào)稱 USB 2.0，但實(shí)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(lèi)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(kāi)銷(xiāo)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(wú)法正確接收。

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

所以上述情況下，115200 波特率換算字節(jié)單位，實(shí)際傳輸速度為 11.52KB/s ，注意這里的 B 是大寫(xiě)，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(shuō)的是 bit 單位，所以實(shí)際傳輸大概在 1 MB 左右。

說(shuō)回 USB 的話題，STM32F103 搭載的 USB 外設(shè)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(dá)到高速，否則也只能以全速的方式工作。

那么 F103 的 USB 真實(shí)傳輸速度可以達(dá)到多少呢？

首先說(shuō)說(shuō)為什么想得到這個(gè)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(rèn)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(méi)考慮 USB 協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)。

所以當(dāng)你絞盡腦汁優(yōu)化代碼，你都無(wú)法達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，因?yàn)樗睦碚撝抵挥?12/8 = 1.5 MB/s ，可能你會(huì)說(shuō)，這也夠了??？

但是 USB 本身是有協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)的，就像串口有開(kāi)始、停止位一樣，USB 也有令牌包、數(shù)據(jù)包、CRC校驗(yàn)之類(lèi)的開(kāi)銷(xiāo)，還有一次傳輸事務(wù)的結(jié)束，一般會(huì)間隔一小段時(shí)間再進(jìn)行下一次傳輸，還有協(xié)議中也會(huì) 1 ms 發(fā)送一次幀號(hào)。

上圖是魚(yú)鷹弄的 USB 雙緩沖傳輸波形（一個(gè)白塊代表了一次傳輸事務(wù)），我們可以看到，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包之后都會(huì)停頓一段時(shí)間，而每一次事務(wù)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(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，實(shí)際傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到 1.5 MB/s，估計(jì)就 1 MB/s（最為理想情況下，即不浪費(fèi)每一次 IN  OUT 令牌包的機(jī)會(huì)，另外 USB 總線上只有一個(gè)設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)才可能達(dá)到），而如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，還加入了上層協(xié)議，比如 模擬 U 盤(pán)，里面會(huì)加入?yún)f(xié)議，速度就更低了。

所以，為了盡可能達(dá)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(shí)同步寫(xiě)入 FIFO 中）。盡可能的利用帶寬。

在魚(yú)鷹測(cè)試模擬 U 盤(pán)的性能時(shí)，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(méi)有 U 盤(pán)協(xié)議本身開(kāi)銷(xiāo)和加大代碼優(yōu)化（即不浪費(fèi) IN 、OUT 令牌包），估計(jì)能到 900 KB/s，剛好模擬串口就沒(méi)有多少協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，到時(shí)候可以測(cè)試一波數(shù)據(jù)。