体验全带宽 三路提速——真SATA6G&USB3.0技术解析

　　在电脑系统中，CPU、内存、显卡等配件的发展日新月异，性能早就超越了一般用户的使用需求，因此近年来很多电脑用户都提不起升级欲望。但电脑系统中最大的瓶颈——慢如蜗牛般的磁盘子系统，相信无论高端还是低端用户都深有体会……
系统和软件启动速度太慢、图片、视频、文档半天打不开、保存很费时间
一部蓝光电影30-40GB，普通USB移动硬盘需要近半个小时才能拷完
大型游戏动辄10-20GB，游戏加载和读档时硬盘灯闪烁不停却什么也做不了
硬盘性能已经严重影响到电脑整体性能发挥，是因为机械式的硬盘本身速度不够？不是，固态硬盘的速度早已接近300MB/s，特殊版本甚至可高达1GB/s的恐怖性能！是因为移动硬盘本身性能不济导致拷贝时间漫长吗？也不是，普通硬盘平均速度就达100MB/s，笔记本硬盘也能达到70MB/s以上，远远超过了USB2.0接口速度。

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很显然，制约硬盘性能的关键，并非硬盘自身，而是接口标准。硬盘内部接口SATA2.0和外部接口USB2.0都分别有4年和7年的历史，最高速度分别为300MB/s和35MB/s，已经无法满足高速传输的需要。

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于是，在2009年SATA和USB标准双双升级至3.0版，将理论速度提升至600MB/s和500MB/s，基本上消除了瓶颈，不再限制存储系统的性能发挥。但SATA3.0和USB3.0由于速度实在太快，甚至快过系统PCI-E总线的速度，以至于新标准的普及出现了一些意想不到的问题。
芯片组不支持新标准 需第三方控制芯片
● 芯片组不支持新标准 需集成第三方芯片
    作为最新的接口标准，目前Intel和AMD所有芯片组都未能提供原生支持，尤其是Intel，作为SATA3.0和USB3.0标准的制定者和推动者之一，刚刚发布的P55芯片组居然不支持，这的确让人非常遗憾。
    因此主板厂商必须集成第三方控制芯片才能提供支持，这种方案不仅增加了成本，而且性能方面可能会受到一些限制。
■ SATA3.0控制芯片——Marvell 88SE9123

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Marvell 88SE9123是目前使用最广泛的SATA3.0控制芯片，一线主板厂商都使用这颗芯片提供额外的SATA3.0高速接口支持，但解决方案略有差别，后文中再做详细的介绍。

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Marvell 88SE91XX系列控制芯片架构图
Marvell 88SE9123基于PCI-E 2.0 X1接口界面，能够提供一路PATA(两个设备)和两路SATA3.0通道，为主板提供全面的接口支持。
■ USB3.0控制芯片——NEC D720200F1

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    USB3.0桥接解决方案目前也是唯一的，量产的芯片只有NEC D720200F1这一颗，它也是通过PCI-E 2.0 X1总线转接成USB3.0接口，500MB/s的带宽刚好能够满足USB3.0的理论带宽。但实际情况却不是这样的，且听笔者慢慢道来……
南桥带宽不够用 偷天换日借用CPU带宽
● 南桥带宽不够用 特殊解决方案登场
    通过前面的介绍可以知道，SATA3.0控制芯片Marvell 88SE9134和USB3.0控制芯片NEC D720200F1都是基于PCI-E 2.0 X1总线，这样500MB/s的带宽刚好可以满足USB3.0的500MB/s理论值，勉强满足SATA3.0 600MB/s的带宽。

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    遗憾的是，Intel最新的P55芯片组和ICH10R(X58和P45配套南桥)都仅支持PCI-E 1.1标准，最大带宽被限制在250MB/s，如此一来USB3.0的速度将直接损失一半，而SATA3.0的速度甚至还不如SATA2.0（300MB/s），那该怎么办呢？

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    注意：上图中Intel所标出的PCI-E总线是双向带宽值（上下行同时传输数据），可以看到，CPU中整合的PCI-E控制器带宽是P55芯片组的两倍。如果算单行带宽的话，P55的PCI-E X1只有250MB/s。
■ 偷天换日——使用CPU提供的PCI-E通道
    P55芯片组虽然不支持PCI-E 2.0总线，但Core i7和i5 CPU内置的PCI-E X16显卡接口却是2.0标准，这16条通道可以被一分为二，8条给显卡用，另外8条拆分出来给SATA3.0和USB3.0控制芯片使用。

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技嘉P55A-UD6主板就是通过这种方式对SATA3.0和USB3.0提供支持，它的NEC D720200F1芯片与Marvell 88SE9128芯片都是同时与P55的PCI-E通道和CPU的PCI-E通道相连接，用户可以在BIOS选择是使用全速USB3.0还是SATA3.0。如上图BIOS选项所示，如果用户选择Turbo SATA3，则CPU的PCI-E通道与Marvell 88SE9128芯片相连，用户此时可以享受6Gbps的全速SATA接口，但是USB3.0接口就要通过P55芯片的PCI-E X1通道，速度仅250MB/s，距离USB3.0的峰值500MB/s差距还是不小的；反之如果用户选择Turbo USB3.0，那么USB接口就是全速，SATA接口速度就降至300MB/s。但是这两种情况无论哪一种，CPU的一条PCI-E 2.0 X8通道都已经被占用。
这种做法确实可以满足磁盘控制芯片的需要，但却是以牺牲图形性能为代价的：显卡接口带宽被降至PCI-E 2.0 X8规格，这对于中低端显卡来说基本够用，但高端显卡性能会有不同程度的下降，顶级的双核显卡则会大幅下降，而且用户组建SLI或交火的权利将被剥夺。
P55芯片组定位中高端，支持SATA3.0和USB3.0的主板自然面向硬件发烧友，大多数玩家都会选择搭配高端显卡，或者组建SLI、CF甚至混交。如果P55不能很好的发挥显卡性能的话，那么吸引力可就要大打折扣了，可见“偷天换日”的做法并不是很好的解决方案。
通过桥接芯片将南桥PCI-E变成2.0标准
■ 过河搭桥——通过桥接芯片将南桥PCI-E转换成2.0标准
    P55芯片组提供了8条PCI-E 1.1通道供附加芯片或扩展卡使用，多数情况下用户只能用到其中的两三条，多余的通道被闲置浪费掉了。其实如果把剩余的通道组合起来的话使用就能实现N倍的带宽。

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    华硕就使用了一颗PLX公司产的PEX8613桥接芯片来将P55的PCI-E通道组合起来使用。这颗芯片看上去比较眼熟，与ATI HD4870X2显卡上用的PEX8647芯片比较相似。在显卡上PEX8647负责将16条PCI-E通道桥接成32条PCI-E供两颗GPU使用，每颗GPU都可达到X16的全速带宽。而华硕所使用的PEX8613是低规格版，可以将4条PCI-E通道桥接成8条供两个设备使用：

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    PEX8613芯片同时支持PCI-E 1.1和2.0标准，虽然南桥PCI-E仅为1.1标准，但4条依然可以达到1GB/s的带宽，刚好等同于两条PCI-E 2.0的带宽——正好挂接一个USB3.0控制芯片和一个SATA3.0控制芯片。

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    华硕的解决方案看似繁琐，但在性能方面却近乎完美，既不影响显卡性能、又不限制SATA3.0和USB3.0的带宽，还没有浪费P55芯片组的PCI-E资源，更不影响南桥扩展槽(还剩4个通道)。在下一代芯片组原生支持SATA 3.0和USB 3.0之前，这是最完美的解决方案！
直接整合在主板上：P7P55D-E系列
● 主板直接提供USB3.0和SATA3.0的方案
最早宣布实现全带宽USB3.0与SATA3.0接口标准的主板是P7P55D-E Premium，从一开始华硕就注意到芯片组带宽不够的问题，因此统一使用PEX8613芯片作为桥接器，为NEC D720200F1与Marvell 88SE9128两颗控制芯片提供全速的带宽。
此后华硕也将USB3.0与SATA3.0下放到中端产品，新的三款型号分别为P7P55D-E Deluxe、P7P55D-E EVO、P7P55D-E Pro，定位虽低但都是PEX8613+D720200F1+88SE9128的设计，大家只要记住型号中带“-E”的就支持全速新接口，很好识别。
■ P7P55D-E Premium

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■ P7P55D-E Deluxe

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■ P7P55D-E EVO

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■ P7P55D-E PRO

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转接卡升级解决方案：支持高端主板
● 转接卡升级解决方案
    当然也不一定非得买新主板才能享用SATA3.0和USB3.0带来的极速快感，华硕还为普通用户提供了升级解决方案，只要插一块PCI-E X4扩展卡就能同时支持SATA3.0和USB3.0：

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    这个扩展卡的原理与P7P55D-E系列主板直接整合的方案是完全相同的，为了保证充足的带宽，要求主板必须提供PCI-E X4接口。

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NEC D720200F1 USB3.0控制芯片，Marvell 88SE9134 SATA3.0控制芯片

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PLX PEX8613 PCI-E桥接芯片，两个USB3.0外置两个SATA3.0外置
    根据华硕官方公布的兼容性列表来看，这块SATA3.0和USB3.0二合一扩展卡能够完美支持下列主板：
Maximus III Formula
Maximus III GENE
SABERTOOTH 55i
P7P55D Premium
P7P55D Deluxe
P7P55D EVO
P7P55D PRO
P7P55D
P7P55D LE
    实际上，只要主板提供了PCI-E X4以上规格的插槽，这块扩展卡就能够兼容，尤其是像X48、X58这种高端的主板，北桥就能提供32甚至40条PCI-E通道，除了显卡外，可以给需要高带宽的阵列卡或扩展卡使用。
性能测试与总结
    最后再来看看全速的USB3.0和SATA3.0到底能有多快，给工作生活能带来多少便利：
● USB3.0的理论速度是USB2.0的10倍

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● 全带宽SATA3.0才能真正提速

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    USB2.0最高35MB/s的速度瓶颈已经不是一天两天了，相信很多人已经无法忍受，如今USB3.0扩展卡和移动硬盘盒均已上市，价格定位还算合理，相信有需求的高清玩家一定会率先享用。

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镁光发布首款SATA3.0标准的固态硬盘
    目前机械式硬盘的平均速度很难突破150MB/s，容量倍增但速度提升缓慢，SATA2.0接口带宽都绰绰有余，因此SATA3.0对于机械硬盘的意义不大。不过近年来固态硬盘发展迅猛，300MB/s的速度已经满足不了胃口，因此SATA3.0可以说是专为SSD而生，只有SATA3.0版SSD大量上市之后，才能得到普及。
● 三种解决方案的优劣对比

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    最后再来看看，当原生支持SATA3.0和USB3.0的芯片组上市之前，三种第三方解决方案的特性对比，很显然华硕的桥接设计是现阶段最完美最成熟的方案，无论通过主板整合还是扩展卡都实现了最佳性能，而且易用性和兼容性都不错，体现出了板卡之王的设计实力。