鱼鹰：探究 USB2.0 的真实传输速度是多少？

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID   ：emOsprey

今天鱼鹰简单聊聊 STM32F103 USB 外设实际传输速度的问题。

103 的外设号称 USB 2.0，但实际上是全速的 USB 2.0，即传输 1 bit 数据的速度是 12Mbit/s，类似串口波特率 115200 的概念。

但是我们知道串口协议本身也是有开销的，比如 1 bit 起始位，1 bit 停止位，这都是必须的，否则接收方就无法正确接收。

下图是 8 位数据情况下的传输波形图（来源STM32官方手册）

所以上述情况下，115200 波特率换算字节单位，实际传输速度为 11.52KB/s ，注意这里的 B 是大写，代表字节 Byte，小 b 代表位 bit，这里面的区别很大，别被忽悠了。

比如 10 M 网速宽带，一般说的是 bit 单位，所以实际传输大概在 1 MB 左右。

说回 USB 的话题，STM32F103 搭载的 USB 外设支持 2.0 协议，但是 2.0 协议也分两种，一种是 全速 版本，即 USB1.1 ， 12 Mb/s，另外一种是 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 芯片才可以达到高速，否则也只能以全速的方式工作。

那么 F103 的 USB 真实传输速度可以达到多少呢？

首先说说为什么想得到这个值，有些产品要求速率很高，必须 1 s 传输 1 M字节的传输速度（1 MB/s）才行，但为了降成本，使用了 103 的芯片，认为全速 12 Mb/s 的速度怎么也够了吧，殊不知，这里的速度单位是 bit，还没考虑 USB 协议的开销。

所以当你绞尽脑汁优化代码，你都无法达到这个目标，因为它的理论值只有 12/8 = 1.5 MB/s ，可能你会说，这也够了啊？

但是 USB 本身是有协议开销的，就像串口有开始、停止位一样，USB 也有令牌包、数据包、CRC校验之类的开销，还有一次传输事务的结束，一般会间隔一小段时间再进行下一次传输，还有协议中也会 1 ms 发送一次帧号。

上图是鱼鹰弄的 USB 双缓冲传输波形（一个白块代表了一次传输事务），我们可以看到，每传输一个数据包之后都会停顿一段时间，而每一次事务里面也不全包含了用户数据，这些用户数据被封装在 USB 协议包里面。

所以，对于用户来说，实际传输速度远远不到 1.5 MB/s，估计就 1 MB/s（最为理想情况下，即不浪费每一次 IN  OUT 令牌包的机会，另外 USB 总线上只有一个设备需要传输数据才可能达到），而如果在数据传输过程中，还加入了上层协议，比如 模拟 U 盘，里面会加入协议，速度就更低了。

所以，为了尽可能达到接近 1 MB/s 的用户数据传输速度，可以使用如下方式：批量传输 + 双缓冲 + 环形缓冲（比如 SD 卡的数据可以在 USB 传输时同步写入 FIFO 中）。尽可能的利用带宽。

在鱼鹰测试模拟 U 盘的性能时，发现传输速度可以稳定在 700 KB /s 以上（单向）。而如果没有 U 盘协议本身开销和加大代码优化（即不浪费 IN 、OUT 令牌包），估计能到 900 KB/s，刚好模拟串口就没有多少协议开销，到时候可以测试一波数据。

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