ADVERTISEMENT
快速瀏覽：
- 推廣 USB 3.0 的2大癥結點
硬體不是只有硬體
現在說到想買USB裝置，大家都知道要挑USB 3.0版本，除了價格和USB 2.0產品相近甚至是更便宜，傳輸速度也加快了幾倍。相信多數人都懂得這樣聰明採購，就算電腦只有USB 2.0也值得，未來升級主機就不用把裝置砍掉重練。不過當你對這速度快感趕到滿足時，可別以為技術發展早就已經頂天了，其實它才剛「ready」而已！
USB 3.0實體產品在2009年正式上路，除了主控制器蹦出來，還有外接硬碟必要的橋接器。這些都屬於硬體元件，要構成完整應用組合，還少不了驅動程式這軟體層元素。先前礙於沒有作業系統支援，使用者還得安裝廠商各自提供的主控制器驅動程式，才能在Windows之類作業系統下運作。
系統支援普及更快
儘管Windows歷來評價褒貶不一，身為滲透率最高的個人電腦作業系統，Microsoft經常致力於為新硬體裝置，或者是相關規範提供支援。雖然現在買顯示、磁碟陣列，音效等介面卡，仍然少不了要自行安裝驅動程式，系統原生內建支援的影響力卻很微妙，往往被視為USB新規範普及的關鍵點。
ADVERTISEMENT
Windows 8所扮演角色，是首款支援xHCI 1.0規範，以及UASP傳輸模式的作業系統。所謂支援自然是指內建驅動程式，我們不再需要為USB 3.0主控制器安裝特定驅動程式，如果你有相對應規格的周邊裝置，那麼同樣是無需多此一舉，就能立即體驗到UASP加速效果的威力。
▲UASP過去不容易構成完整的軟硬體環境，只能依賴像是主機板廠商提供的解決方案。
ADVERTISEMENT
推廣USB 3.0的2大癥結點
我們曾經提過幾次xHCI，還有UASP傳輸模式等，都屬於USB 3.0規範中的重要元素，在此簡單快速地溫習一番。
xHCI發展較硬體慢
xHCI（Extensible Host Controller Interface，可擴展主機控制器接口）是由Intel領導制定，和過往USB 2.0世代的EHCI，以及USB 1.x的OHCI/UHCI作用相同。其目的是建立一套相容性標準化機制，用以確保包含USB 2.0規格在內的設備，都能夠相容運作。因此牽動層面甚廣，舉如主控制器、裝置端，乃至於驅動程式等都有關聯。
Intel在2008年8月發表xHCI 0.90草創版本，做為第一個設計參考規範，但是直到2009年5月xHCI 0.96版公布後，才由Renesas（NEC）率先量產主控制器µPD720200。Intel很快地在2010年5月頒布首個正式版本xHCI 1.0，稍後包含Renesas（NEC） µPD720202等，多款符合新規範的控制器接連誕生。
ADVERTISEMENT
▲xHCI架構橫跨硬體與軟體層，掌握為之關鍵的相容性。
左右速度與功耗表現
xHCI除了牽動相容性，對傳輸速度、消耗功率，以及虛擬化亦具有影響。兩者間主要差異是TRB（Transfer Ring Block，傳輸環塊）安排的不同，xHCI 1.0版提升了驅動程式與硬體傳輸效率，而且改善向下相容性，以及強化電源管理機制。在軟體層面，它屬於主控制器的驅動程式統一標準，讓系統廠商得以遵循撰寫出通用版本。
ADVERTISEMENT
但是相對的，xHCI 1.0版設計複雜度相對提高，認證過程也比xHCI 0.96版耗時。雖然舊版控制器看似落伍了，卻也不是完全沒有轉圜的餘地，某程度上來說藉由韌體更新補強，可以從xHCI 0.96版升級到xHCI 1.0版本。像ASMedia ASM1042這款xHCI 0.96版主控制器，官方在近期宣稱也通過xHCI 1.0測試認證，就是個很好的實例。
老卡不急著升級換新
從現實面而言，xHCI版本對使用者的影響是近乎無感，所以這部分我們輕描淡寫帶過就好。你只需要記得Windows 8所扮演角色，它是首個原生內建支援xHCI 1.0的作業系統，並且向下相容xHCI 0.96版本控制器，灌系統時都不再需要手動安裝驅動程式即可。
這等於代表現階段不需要衝著xHCI 1.0，盤算將使用中的舊版本控制器擴充卡，或者是主機板、筆電等設備，進行汰換升級等動作。與其在意這點，不如早早升級Windows 8會更為實際，稍後要會進一步探討，證明升級作業系統的價值所在。
加速後燃器UASP
過去筆者常將UASP（USB Attached SCSI Protocol）掛在嘴上，現在Windows 8原生內建支援能帶來什麼好處，同樣來簡單扼要的重點複習。打從1999年USB 1.1時代開始，USB一直使用名為BOT（Bulk-Only Transport）的資料傳輸架構，即便發展到USB 2.0仍然沒有更動過，並且延續下來成為USB 3.0基本傳輸模式之一。
BOT特性是會將傳輸資料切割為64KB大小的封包，由於同一時間單位內，只能傳送1組控制命令寫入資料，以及進行讀取資料的動作，所以稱之為半雙工傳輸模式。這樣的資料傳輸模式很沒有效率，因此種下實際速度難以突破40MB/s（相等320Mbps），離480Mbps理論頻寬還有段差距的因果。
為改善資料傳輸效率，USB-IF在制定USB 3.0規範時，取用源自SCSI架構的設計進而推出UASP。它具備多命令平行處理能力，以及任務管理與控制力等機制，亦支援NCQ（Native Command Queuing，原生指令排序）。此外資料封包切割大小新納入1MB規格，得以改善大量持續傳輸的效率，近乎可以視作為USB 3.0版本的SATA。
▲xHCI硬體層包含USB 3.0主控制器，以及裝置端使用的橋接器晶片。
多工傳輸榨乾頻寬
UASP運作中分為命令（Command）、狀態（Status）、資料輸入（Data-in），資料輸出（Data-Out）等4種狀態，這些基本控制訊號架構和BOT相當。而且基於異同步傳輸特性，可以同時間進行資料傳輸與接收，因此被歸屬在全雙工傳輸模式類型。
參考附圖可發現，UASP送出第一筆命令控制訊號後，資料輸入與資料輸出得以同步執行，過程中不需要停下來等待狀態訊號，可以持續反覆進行資料傳輸作業。反觀BOT控制訊號有排列組合限制，而且每次只能進行寫入或讀取其中一個動作，過多控制指令徒增時間延遲，自然無法拉高傳輸效率。
具體來說，UASP多工運作能夠提升資料傳輸效率，在多裝置同步傳輸的高負載條件下，更可以充分利用總和5Gbps理論頻寬。
▲BOT與UASP運作模式示意圖，UASP（下圖）同時間內可以送出多筆讀取與寫入指令，因此資料傳輸速度與總和頻寬利用率，都比只能處理讀與寫各1筆存取指令的BOT（上圖）來得高。
匝道儀控調整速度
將USB 3.0理論頻寬想像成高速公路速限，而資料封包切割大小是車輛乘載人員數量，BOT與UASP則是入口匝道儀控管制機制。同時放行進入高速公路主幹道的車輛越多，自然可以在短時間內輸送更多人到達目的地，相對來說就是更有效率。
BOT紅綠燈就像施行儀控管制，在每個紅、綠、黃燈跳閃周期內，綠燈時只允許一輛車通過。UASP具有2種組態，一是儀控的綠燈時間很長，允許放行較多車輛，二是像沒有儀控管制時，車輛可以連續湧進高速公路。兩相比較，UASP自然是輕鬆勝過BOT模式，成為USB 3.0賣點可不是浪得虛名。
▲BOT具有指令迴圈特性，指令完成所有運作動作後，才能繼續執行下一筆新指令，近似於單工運作模式。
關鍵驅動難取得
相較於xHCI 1.0，UASP條件要求嚴苛了許多，除了主控制器與裝置端橋接器都得支援，還要搭配相對應的驅動程式才能構成完整環境。其中主控制器部分，Intel 7系列晶片組與NEC是明確支援，NEC早在推出第一代控制器時，就已經積極開發出相對應的驅動程式，因此不論新舊晶片的支援度都很高。
相對應的周邊裝置部分，現階段USB隨身碟是不用抱以希望，因為還沒聽說有廠商針對UASP應用開發產品的消息。唯一可以把玩的是外接硬碟橋接器，舉如ASMedia 、LucidPort、Ti、JMicron都在支援名單之內，說來不多也不算少。
USB-IF將UASP驅動程式開放由第三方軟體廠商進行開發，得以付費型態提供給硬體製造商，姑且不論是否會有相容性問題，這種做法無疑會墊高產品成本，導致硬體廠商興趣缺缺。再者，該由主控制器還是裝置廠商負責提供，也成了個大問題。因此Windows 8能夠納入支援，著實讓人感到「足感心」，終於有機會體驗到UASP加速快感。
關鍵字：SCSI
SCSI（Small Computer System Interface，小型電腦系統介面）是磁碟傳輸介面的一種，和PATA同為並列傳輸，目前已由序列傳輸的SAS（Serial Attached SCSI，串列SCSI）取代。SATA的NCQ指令功能，也是取經自SCSI TCQ指令架構，並且精簡而來。
選購時得睜大眼睛
雖然Windows 8解決了驅動程式問題，周邊裝置支援性卻仍然存在麻煩。即便橋接器支援，用以搭配的韌體可以決定該功能關閉或啟用，晶片廠商有可能將之列為額外收費項目。就以Icy Dock MB668U3-1SB這款外接盒為範例，它採用LucidPort USB300-REV2橋接器，儘管LucidPort官方規格標示支援UASP，實際試驗結果其實不然，十之八九正是韌體在作祟。
外接盒產品最常見這種陷阱，市場大小外接盒品牌多如牛毛，採用的橋接器倒是集中在特定幾家晶片廠商，具有相當高的同質性。選購時得特別留意，即便使用的橋接器相同，可不代表每家產品的功能性會一致。裝置製造商強調支援者，才肯定能夠正常以UASP模式運作。
UASP驅動免動手
當東風具備之後，你還需要的就只有Windows 8而已。而且一如USB的即插即用精神，使用者不需要手動加裝任何驅動程式，也沒有進行設定調整的必要。系統會自動偵測插入的裝置類型，予以合適的BOT或UASP模式驅動，使用上是不會感受到其中差異，惟獨傳輸速度會不同而已。
如果你好奇作用中的模式，可以進入「控制器」>「系統」>「裝置管理員」，最簡易辨識方式是點開「磁碟機」，裝置名稱結尾顯示為「USB Device」者就是以BOT方式傳輸資料，UASP則是以「SCSI Device」來顯示。另外點開「存放控制器」項目，會看到多了個「USB Attached SCSI（UAS）Mass Storage Device」磁碟控制器，代表UASP正常作用中。
▲BOT模式以USB Mass Storage Device字樣顯示，UASP則是在「存放控制器」內，以USB Attached SCSI（UAS）Mass Storage Device顯示之。
測了才知道作用
在UASP模式下，裝置名稱顯示為SCSI Device，某程度上來說算是Windows的一種特性吧。這並不會影響到USB熱插拔等，既有運作機制與特性，它仍然是百分百的USB裝置。寫入資料後可別急著拔掉插頭，建議按「安全地移除硬碟並退出媒體」退出裝置，免得暫存資料還沒完全寫入，進而造成檔案損毀等問題發生。
這邊提醒大家，USB 3.0主控制器理論上都支援UASP，Windows 8卻有點挑嘴。據悉Microsoft只針對xHCI 1.0主控制器撰寫UASP驅動程式，xHCI 0.96版本控制器被排除在外，仍得由廠商提供的驅動程式與韌體來決定功能性。不過筆者試驗發現，Renesas（NEC） µPD720200A屬於xHCI 0.96版本，Windows 8預設狀態下仍然得以自動啟用UASP模式，這點相當值得玩味。
▲Windows 8原生內建BOT與UASP驅動程式，如果選擇安裝晶片廠商提供的版本，就會被取而代之。
▲筆者猜想USB 3.0控制器型號結尾數字，代表符合的xHCI版本規格，自行加裝驅動程式之後，就不會有這些字樣出現。
延伸閱讀：
（後面還有：USB 3.0極致性能研究）
ADVERTISEMENT