Концентратор не помеха?

Сергей Асмаков

USB: технический экскурс

Проведение измерений

Анализ результатов

Выводы и рекомендации

 

Если для подключения всех необходимых периферийных устройств у ПК или ноутбука не хватает свободных портов USB, приходится использовать USB-концентраторы. Но не приносится ли при этом в жертву скорость передачи данных? Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели небольшой эксперимент.

Уже более десяти лет интерфейс USB является наиболее распространенным решением для подключения периферийных устройств и разнообразных гаджетов к ПК. Возможность горячего подключения, наличие шины питания, удобный и компактный разъем — всё это способствовало росту популярности и широкому распространению интерфейса USB не только в ПК, но и в бытовых цифровых устройствах. Определенным недостатком первой получившей широкое распространение ревизии USB (спецификация версии 1.1) была невысокая скорость передачи данных, которая ограничивала сферу ее применения главным образом подключением низкоскоростных периферийных устройств (мышей, клавиатур, игровых манипуляторов и т.д.). Впрочем, несколько лет тому назад индустрия перешла на использование гораздо более скоростной версии USB (соответствующей спецификации 2.0), пропускная способность которой уже вполне приемлема и для работы с внешними накопителями высокой емкости.

Еще одним важным достоинством интерфейса USB по сравнению с ранее использовавшимися в ПК портами ввода-вывода (COM, параллельным IEEE-1284, PS/2 и пр.) является возможность подключения к одному хост-контроллеру очень большого количества устройств. Каждому из них присваивается уникальный 7-разрядный идентификатор, а это значит, что к одному хосту теоретически можно подключить до 127 устройств. Но каким образом реализовать это на практике, ведь даже у настольных ПК обычно имеется не более дюжины портов USB, а у ноутбуков и того меньше? Здесь-то и придут на помощь концентраторы — устройства, позволяющие подключить к одному порту USB одновременно несколько устройств.

USB: технический экскурс

Напомним, что топология шины USB представляет собой многоуровневую звезду (рис. 1). Вершиной этой схемы является хост-устройство, или корневой концентратор (root hub). Обычно он реализован на системной плате ПК, но иногда встречаются и другие варианты — например хост-контроллеры, выполненные в виде плат расширения, которые устанавливаются в слот PCI (рис. 2), а также карт стандарта PCMCIA для портативных ПК (рис. 3). К портам корневого концентратора могут быть подключены как периферийные устройства, так и нижестоящие концентраторы. Последние могут быть выполнены в виде как внешних (рис. 4), так и внутренних (рис. 5) модулей, в том числе встроенных в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы и т.д.).

 

Рисунок

Рис. 1. Схема возможных вариантов подключения устройств по интерфейсу

Рисунок

Рис. 2. Хост-контроллер USB 2.0, выполненный
в виде платы расширения PCI

Рисунок

Рис. 3. Хост-контроллер USB 2.0, выполненный
в формфакторе карты PCMCIA

Рисунок

Рис. 4. Внешний 4-портовый
USB-концентратор

Рисунок

Рис. 5. 4-портовый USB-концентратор, предназначенный
для установки в 3,5-дюймовый отсек корпуса ПК

Чтобы увеличить количество доступных портов USB, к одному хосту можно подключить несколько концентраторов. В силу ряда причин технического характера максимальное количество уровней подключения ограничено семью. При этом на уровнях со второго по шестой включительно могут располагаться как периферийные устройства, так и концентраторы, а на последнем (седьмом) — только периферийные устройства.

И если уж быть совсем точным, то подключить 127 периферийных устройств, используя USB-концентраторы, всё равно не получится. Дело в том, что каждый подключенный концентратор тоже является USB-устройством и получает идентификатор. Следовательно, теоретический максимум возможных подключений для конечных устройств уменьшится на количество задействованных концентраторов. Но, по большому счету, вряд ли у кого-нибудь возникнет необходимость в подключении сотни различных устройств к одному ПК.

Вернемся к USB-концентраторам. Использование этих устройств позволяет увеличить количество свободных портов, а значит подключить больше устройств к одному хосту. Однако здравый смысл подсказывает, что увеличение количества подключенной периферии наверняка приведет к снижению скорости передачи данных: дополнительный концентратор, подключенный к одному из портов хост-контроллера, должен будет делить полосу пропускания между всеми нижестоящими устройствами, которые подключены к его портам.

Впрочем, высокая пропускная способность необходима далеко не всем устройствам.

При подключении к хост-контроллеру USB, соответствующему требованиям спецификации ревизии 2.0, USB-устройство может задействовать один из трех скоростных режимов: низкоскоростной (low speed, до 1500 Кбит/c), полноскоростной (full speed, до 12 Мбит/с) либо высокоскоростной (hi-speed, до 480 Мбит/с). Очевидно, что проблема уменьшения полосы пропускания вследствие увеличения количества устройств актуальна лишь для периферии, использующей высокоскоростной режим. К этой категории, в частности, относятся современные USB флэш-диски и внешние модели накопителей на жестких дисках.

Проведение измерений

Теоретически скорость передачи данных через интерфейс USB в режиме hi-speed может достигать 480 Мбит/с. Впрочем, добиться такого результата в реальных условиях вряд ли возможно, даже если подключиться к порту корневого концентратора, а носитель внешнего накопителя (например, жесткий диск) будет обладать заведомо более высокой производительностью. На практике удается получить стабильную скорость на уровне 240-280 Мбит/с — то есть чуть больше половины теоретически возможного максимума. Но можно ли достичь такого же результата, если подключение будет производиться через внешний USB-концентратор?

Чтобы проверить это, мы решили измерить скорость чтения и записи различных моделей USB флэш-дисков, изменяя схему их подключения к ПК. Для того чтобы получить целостную картину, были взяты накопители с различными скоростными характеристиками. В роли контрольного образца (наименее чувствительного к ограничению скорости) выступал флэш-диск неизвестного производителя емкостью 1 Гбайт. Современное поколение накопителей было представлено двумя 16-гигабайтными моделями компании Silicon Power — относительно медленной LuxMini 720 и высокоскоростной LuxMini 920. В ходе испытаний были использованы два четырехпортовых USB-концентратора с поддержкой режима hi-speed, подключенные к внешним источникам питания.

В качестве тестового стенда был задействован ПК следующей конфигурации:

  • процессор — Intel Core i7 Extreme 965 (тактовая частота 3,2 ГГц);
  • системная плата — ASUS RAMPAGE II EXTREME;
  • чипсет системной платы — Intel X58 Express;
  • Intel Chipset Device Software — 9.1.0.1007;
  • память — DDR3-1066 (Qimonda IMSH1GU03A1F1C-10F PC3-8500);
  • объем памяти — 3 Гбайт (три модуля по 1024 Мбайт);
  • режим работы памяти — DDR3-1333, трехканальный режим;
  • тайминги памяти — 7-7-7-20;
  • видеокарта — GeForce GTX295;
  • жесткий диск — Western Digital WD2500JS.

Измерение скорости чтения и записи данных производилось при помощи утилиты Flash Memory Toolkit версии 1.20 в режиме File Benchmark.

Для начала необходимо установить точку отсчета — то есть получить исходные данные для дальнейшего сравнения. Для этого мы выполнили измерения, поочередно подключая каждый из трех флэш-дисков к одному и тому же порту USB на коммутационной панели системной платы ПК. Согласно полученным данным (см. табл. 1), скорость чтения файлов с контрольного флэш-диска составила порядка 10 Мбайт/с, а записи — лишь около 1 Мбайт/с. По сравнению с ним более современные носители компании Silicon Power выглядят гораздо лучше. Модель LuxMini 720 обеспечивает скорость чтения на уровне 15 Мбайт/с, но несколько разочаровывает в режиме записи — в зависимости от размера файлов скорость варьируется в пределах от 1,5 до 11 Мбайт/с. Как и ожидалось, накопитель LuxMini 920, пару месяцев назад победивший в сравнительном тестировании USB флэш-дисков, продемонстрировал просто великолепный результат: скорость передачи данных в режиме записи варьируется в пределах 23-28 Мбайт/с, а при чтении превышает 30 Мбайт/с. Не исключено, что в режиме чтения потенциал этого накопителя был раскрыт не в полной мере вследствие ограничений используемого интерфейса. Таким образом, именно по изменению результатов LuxMini 920 можно будет наиболее отчетливо проследить влияние USB-концентраторов.

Далее была проведена основная часть испытаний, разбитая на четыре этапа. В ходе каждого из них флэш-диски подключались к ПК по определенной схеме, после чего производилось измерение их скоростных характеристик.

На первом этапе выполнялось поочередное подключение каждого из трех флэш-дисков к одному и тому же порту внешнего USB-концентратора, подсоединенного к порту USB на коммутационной панели системной платы (рис. 6).

 

Рисунок

Рис. 6. Схема подключения устройств
на первом этапе испытаний

В ходе второго этапа все три флэш-диска были одновременно подключены к портам внешнего USB-концентратора, который, в свою очередь, был подсоединен к USB-порту ПК. Четвертый порт концентратора был задействован для подключения мыши (рис. 7).

 

Рисунок

Рис. 7. Схема подключения устройств на втором этапе испытаний

Для проведения третьего этапа был задействован второй USB-концентратор. Подключение каждого из трех флэш-дисков выполнялось поочередно к одному и тому же порту внешнего USB-концентратора, который, в свою очередь, был подсоединен к порту ПК через вышестоящий концентратор (рис. 8).

 

Рисунок

Рис. 8. Схема подключения устройств
на третьем этапе испытаний

И наконец, на четвертом этапе все три флэш-диска были одновременно подсоединены к USB-концентратору, подключенному к ПК через вышестоящий USB-концентратор (рис. 9).

 

Рисунок

Рис. 9. Схема подключения устройств на четвертом этапе испытаний

Анализ результатов

Проанализируем данные, полученные в ходе описанных тестов. Для начала сопоставим эталонные значения с результатами, полученными при поочередном подключении флэш-дисков через один и два концентратора (табл. 2). Как видите, рассматриваемые варианты подключений практически не влияют на производительность контрольного флэш-диска и модели LuxMini 720. Небольшой разброс значений вполне объясним влиянием случайных факторов и погрешностью измерений. А вот более скоростному LuxMini 920 дополнительные устройства явно создают помехи. При этом интересно отметить, что скорость записи снизилась в обоих случаях, а скорость чтения — лишь при подключении через два концентратора.

Теперь сравним эталонные значения с результатами, показанными при подключении флэш-дисков к внешнему концентратору поочередно и одновременно с остальными (табл. 3). Здесь наблюдается похожая картина: на показатели производительности контрольного флэш-диска и модели LuxMini 720 изменения в схеме подключения практически не повлияли. В то же время по результатам LuxMini 920 хорошо видно, что в случае одновременного подключения к USB-концентратору нескольких устройств в режиме hi-speed полоса пропускания, доступная для каждого из них, сужается. По сравнению с исходными 29-32 Мбайт/с скорость считывания данных с LuxMini 920 упала примерно в полтора раза — до 20-22 Мбайт/с. Скорость записи также снизилась — до 18-20 Мбайт/с.

И наконец, сопоставим эталонные значения с данными, полученными в ходе второго и четвертого этапов — то есть при одновременном подключении трех накопителей к USB-концентраторам, находящимся на разных уровнях (табл. 4). Тенденция к небольшому снижению скорости чтения при включении в цепочку дополнительного концентратора заметна даже у контрольного флэш-диска и накопителя LuxMini 720. Применительно к этим устройствам подобный эффект, скорее всего, вызван не столько ограничением полосы пропускания, сколько увеличением времени задержки при передаче пакетов данных. Что касается LuxMini 920, то в соответствующем разделе таблицы прослеживается четкая связь между скоростью передачи данных и длиной цепочки промежуточных концентраторов, отделяющих накопитель от USB-порта компьютера.

Выводы и рекомендации

Какие же выводы можно сделать, исходя из результатов проведенного эксперимента? Как и ожидалось, при подключении периферийных устройств через концентраторы скорость обмена данными будет уменьшаться. Насколько — зависит от количества устройств и схемы их подключения. В то же время необходимо отметить, что данная проблема актуальна лишь при эксплуатации устройств, работающих в режиме hi-speed и обеспечивающих обмен данными со скоростью более 15 Мбайт/с. Для менее скоростных устройств схема подключения не является критичным фактором. Наличие в цепочке одного-двух концентраторов (разумеется, поддерживающих работу с устройствами в режиме hi-speed) приведет к снижению производительности лишь на несколько процентов, и пользователь вряд ли это заметит.

И в заключение — практический совет тем, кто по тем или иным причинам вынужден использовать USB-концентраторы для подключения периферийных устройств.

Во многих моделях ноутбуков и нетбуков предусмотрена лишь пара разъемов USB. Предположим, что возникла необходимость подключить сразу несколько устройств, в том числе и высокоскоростной накопитель (например, внешний жесткий диск или USB флэш-диск). Оптимальное решение состоит в том, чтобы один из имеющихся портов задействовать для прямого подключения высокопроизводительного накопителя, а к другому подключить несколько низкоскоростных периферийных устройств (мышь, игровой контроллер, «медленный» флэш-диск и т.д.) через USB-концентратор. Пример схемы подключения представлен на рис. 10.

 

Рисунок

Рис. 10. Оптимальная схема подключения устройств с использованием
USB-концентратора при наличии на ПК двух свободных портов USB

В начало В начало

КомпьютерПресс 9'2009

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует