USB笔记 USB2.0 不同传输类型下的理论最大速率

USB2.0协议中定义了三种速率，低速(low speed)，全速(full speed)，高速(high speed)。

最大速率如下：

	最大速率(bps)
低速(low speed)	1.5Mb/s
全速(full speed)	12Mb/s
高速(high speed)	480Mb/s

USB传输的实际数据传输速率是要小于总线速率的，因为实际数据传输速率受到了以下几种情况的影响：

通信协议的开销：传输的过程中需要进行位识别、同步和错误检查等，同时根据传输类型的不同，还要进行不同的开销。
USB带宽的分配：USB协议根据不同的传输类型，会为其分配不同大小的带宽，然后根据总线实际的繁忙程度，不同传输类型会得到的带宽是不同的，且会实时变化的。
软件影响

例如USB控制器程序，总线驱动程序，设备驱动程序等各种软件程序，这些程序的实现方式不同，都会对实际传输速率产生影响。
硬件影响

硬件上，例如USB控制器实际支持的传输速率，CPU的处理速率，还有USB线材等都会对实际传输速率产生影响。
环境影响

环境上，例如在电磁干扰很强的环境下，会导致传输出现错误，进而导致重传等，都会对实际传输速率产生影响。
其他因素

所以，USB传输的实际数据传输速率是要小于总线速率的，并且难以准确的确定速率。

下面要描述计算的USB最大速率，是基于上述的第一点来进行讨论的，具体就是指不考虑任何外部影响，在总线空闲时不同速率模式下的不同传输类型的理论最大速率。因为是非常理论的速率，所以实际情况下是难以达到的。

首先先看一下各种传输类型的带宽分配方式。

各种传输类型的带宽分配方式

传输类型	带宽分配情况
控制传输(Control Transfer)	为低速和全速非周期传输保留10% 为高速非周期传输保留20%
批量传输(Bulk Transfer)	根据总线上的带宽情况进行分配
中断传输(Interrupt Transfer)	要求低速/全速端点的任意帧为周期传输分配不超过90% 要求高速端点的任意帧为周期传输分配不超过80%
等时传输(Isochronous Transfer)	要求全速端点的任意帧为周期传输分配不超过90% 要求高速端点的任意帧为周期传输分配不超过80%

高速high speed

USB高速状态(high speed)下总线的理论最大传输速率为480 Mb/s(即60 MB/s)。

对于高速high speed的情况下，各种传输类型的带宽分配如下：

传输类型	最大带宽分配	最大速率/(MB/s)
控制传输(Control Transfer)	100%	60
中断传输(Interrupt Transfer)	80%	48
批量传输(Bulk Transfer)	100%	60
等时传输(Isochronous Transfer)	80%	48

从Table High-speed Control Transfer Limits中可以看到，控制传输最大传输速率是每包数据64个字节，每微帧最大传输次数31，最大传输速率15.872MB/s。

从Table High-speed Interrupt Transaction Limits可以看到，中断传输最大传输速率是每包数据512个字节，每微帧最大传输次数13，最大传输速率53.248MB/s，但是中断传输最大只能分配80%的带宽，所以只能按80%的带宽重新计算，会发现每包数据256个字节，每微帧最大传输次数23，这时候的传输速率最高，最大传输速率47.104MB/s，带宽78.5%。然后对于USB设备端来说，每个微帧的最大传输次数为3，所以对于USB设备端来说，最大传输速率的计算方式不同，在不考虑高带宽端点(high-bandwidth endpoint)的情况下，最大传输速率计算变为，每包数据1024个字节，每微帧最大传输次数3，最大传输速率24.576MB/s，对于高带宽端点(high-bandwidth endpoint)来说，最大传输速率计算变为，每包数据2048个字节，每微帧最大传输次数2，最大传输速率32.768MB/s。

从Table High-speed Bulk Transaction Limits可以看到，批量传输最大传输速率是每包数据512个字节，每微帧最大传输次数13，最大传输速率53.248MB/s。

从Table High-speed Isochronous Transaction Limits可以看到，等时传输最大传输速率是每包数据1024个字节，每微帧最大传输次数7，最大传输速率57.344MB/s，但是等时传输最大只能分配80%的带宽，所以只能按80%的带宽重新计算，会发现每包数据256个字节，每微帧最大传输次数23，这时候的传输速率最高，最大传输速率47.104MB/s，带宽78.5%。然后对于USB设备端来说，每个微帧的最大传输次数为3，所以对于USB设备端来说，最大传输速率的计算方式不同，在不考虑高带宽端点(high-bandwidth endpoint)的情况下，最大传输速率计算变为，每包数据1024个字节，每微帧最大传输次数3，最大传输速率24.576MB/s，对于高带宽端点(high-bandwidth endpoint)来说，最大传输速率计算变为，每包数据2048个字节，每微帧最大传输次数2，最大传输速率32.768MB/s。

总结如下：

对于USB主机端各种传输类型的理论最大速率：

传输类型	数据有效载荷(Data Payload)/Byte	最大传输次数(Max Transfers)/每微帧(Microframe)	最大速率(Max Bandwidth)/(MB/s)
控制传输	64	31	15.872
中断传输	512	23	47.104
批量传输	512	13	53.248
等时传输	512	23	47.104

对于USB设备端各种传输类型的理论最大速率：

传输类型	数据有效载荷(Data Payload)/Byte	最大传输次数(Max Transfers)/每微帧(Microframe)	最大速率/(MB/s)
控制传输	64	31	15.872
中断传输	1024	3	24.576
批量传输	512	13	53.248
等时传输	1024	3	24.576

全速full speed

USB全速状态(full speed)下总线的理论最大传输速率为12 Mb/s(即1.5 MB/s)。

对于全速full speed的情况下，各种传输类型的带宽分配如下：

传输类型	最大带宽分配	最大速率/(MB/s)
控制传输	100%	1.5
中断传输	90%	1.35
批量传输	100%	1.5
等时传输	90%	1.35

从Table Full-speed Control Transfer Limits中可以看到，控制传输最大传输速率是每包数据64个字节，每帧最大传输次数13，最大传输速率0.832MB/s。

从Table Full-speed Interrupt Transaction Limits可以看到，中断传输最大传输速率是每包数据64个字节，每帧最大传输次数19，最大传输速率1.216MB/s，使用带宽81.07%，小于90%。对于USB设备端来说，每帧的最大传输次数为1，所以最大传输速率为0.064MB/s。

从Table Full-speed Bulk Transaction Limits中可以看到，批量传输最大传输速率是每包数据64个字节，每帧最大传输次数19，最大传输速率1.216MB/s。

从Table Full-speed Isochronous Transaction Limits可以看到，等时传输最大传输速率是每包数据64/128/256个字节，每帧最大传输次数20/10/5，最大传输速率1.28MB/s，使用带宽85.33%，小于90%。对于USB设备端来说，每帧的最大传输次数为1，所以最大传输速率计算变为，每包数据1023个字节，每帧最大传输次数1，最大传输速率1.023MB/s。

总结如下

对于USB主机端：

传输类型	数据有效载荷/Byte	最大传输次数/每帧(Frame)	最大速率/(MB/s)
控制传输	64	13	0.832
中断传输	64	19	1.216
批量传输	64	19	1.216
等时传输	64/128/256	20/10/5	1.28

对于USB设备端：

传输类型	数据有效载荷/Byte	最大传输次数/每帧(Frame)	最大速率/(MB/s)
控制传输	64	13	0.832
中断传输	64	1	0.064
批量传输	64	19	1.216
等时传输	1023	1	1.023

低速low speed

USB低速状态(low speed)下总线的理论最大传输速率为1.5 Mb/s(即0.1875MB/s)。

对于低速low speed的情况下，各种传输类型的带宽分配如下：

传输类型	最大带宽分配	最大速率/(MB/s)
控制传输	100%	0.1875
中断传输	90%	0.16875

从Table Low-speed Control Transfer Limits中可以看到，控制传输最大传输速率是每包数据8个字节，每帧最大传输次数3，最大传输速率0.024MB/s。

从Table Low-speed Interrupt Transaction Limits可以看到，中断传输最大传输速率是每包数据8个字节，每帧最大传输次数6，最大传输速率0.048MB/s，使用带宽25.6%，小于90%。对于USB设备端来说，每帧的最大传输次数为1，所以最大传输速率为0.008MB/s。

总结如下

对于USB主机端：

传输类型	数据有效载荷/Byte	最大传输次数/每帧(Frame)	最大速率/(MB/s)
控制传输	8	3	0.024
中断传输	8	6	0.048

对于USB设备端：

传输类型	数据有效载荷/Byte	最大传输次数/每帧(Frame)	最大速率/(MB/s)
控制传输	8	3	0.024
中断传输	8	1	0.008

小结

可以看到，上述所有的最大速率计算都是非常理论化的，是基于USB2.0协议，在总线完全空闲的情况下，并且只进行单一传输类型下，不考虑任何外部影响的情况下的最大传输速率。

由于水平有限，上述的最大传输速率计算可能有误，请谨慎参考。

[参考资料]

Universal Serial Bus Specification Revision 2.0

USB2.0与OTG规范及开发指南

USB Complete, 5th Edition

USB开发大全

本文链接：https://blog.csdn.net/u012028275/article/details/122018056