Der neue Übertragungsmodus „SuperSpeed“ transportiert bis zu 5 Gbit/s USB 3.0 – Super-Bus mit Super-Speed

Auf der ersten SuperSpeed-USB-Konferenz wurde im November 2008 die lang erwartete Spezifikation von USB 3.0 offiziell vorgestellt. Sie ist die Summe aus dem unveränderten USB 2.0 und „SuperSpeed-USB“, einer Vollduplex-Übertragung mit bis zu 5 Gbit/s über zusätzliche Kupferleitungen...

Der neue Übertragungsmodus „SuperSpeed“ transportiert bis zu 5 Gbit/s

Auf der ersten SuperSpeed-USB-Konferenz wurde im November 2008 die lang erwartete Spezifikation von USB 3.0 offiziell vorgestellt. Sie ist die Summe aus dem unveränderten USB 2.0 und „SuperSpeed-USB“, einer Vollduplex-Übertragung mit bis zu 5 Gbit/s über zusätzliche Kupferleitungen. Mit der endgültigen Spezifikation kann die heiße Phase der Chip- und Geräteentwicklung jetzt beginnen. Endverbraucher können erste Computer und Peripheriegeräte mit USB 3.0 Anfang 2010 erwarten.

Die USB-3.0-Spezifikation nimmt eine deutliche Zweiteilung des künftigen USB-Gesamtsystems vor. Sie legt fest, dass USB 3.0 aus den mechanischen, elektrischen und logischen Bestandteilen von USB 2.0 besteht und zusätzlich aus mechanischen, elektrischen und logischen Bestandteilen von Super-Speed-USB, wie in USB 3.0 beschrieben. USB 3.0 definiert weiterhin das Zusammenwirken dieser beiden Hauptbestandteile in einem Gesamtsystem. Der neue SuperSpeed-Modus ist also nicht einfach ein schnelleres Übertragungssystem, wie es USB 2.0 gegenüber USB 1.1 war, sondern ein zusätzliches, überlagertes Bussystem mit eigenen Leitungen und Steckverbindern, die mit USB 2.0 abwärtskompatibel gebündelt werden.

Der USB-2.0-Standard ist offengelegt und ohne Lizenzzahlungen für Peripheriegeräte verwendbar. Die Rechnerseite (Host-Controller und -Services) ist nur so weit offengelegt, dass ein Betrieb des USB möglich wird. Für Hersteller von Peripheriegeräten gibt es das „USB Implementer’s Forum“ (USB-IF, www.usb.org). Dieser Förderverein ist gegen eine Jahresgebühr für jedermann offen. Interessierte Firmen können unter bestimmten Auflagen die verschiedenen USB-Logos und nach Unterzeichnung eines „Adopter’s Agreement“ die in USB 3.0 spezifizierte Technik nutzen.

Von 1 bis 3 in 13 Jahren

USB 1.0 wurde von Intel, Microsoft, Compaq, DEC, IBM, NEC und Northern Telecom Anfang 1995 definiert. Ende 1998 folgte die überarbeitete Version 1.1, die Fehler und Unklarheiten der 1.0-Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit wurde nicht erhöht. Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 mit einer zusätzlichen Datenrate von 480 Mbit/s spezifiziert. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002. Der offizielle Startschuss für USB 3.0 wurde im September 2007 von Intel abgegeben. Zielsetzung war es, eine zehnmal höhere Datentransferrate als bei USB 2.0 zu erzielen, dabei aber die Kompatibilität zu erhalten. Die Entwicklung von USB 3.0 mit etwa zehnfacher Geschwindigkeit war dringend notwendig, weil zunehmend Festplatten und Halbleiter-Massenspeicher über USB betrieben werden. Die maximalen Datenraten von etwa 35 Mbyte/s bei USB 2.0 sind viel zu langsam, da Festplatten bereits heute etwa dreimal so schnell sind.

Universal Host Controller Interface: Das Universal Host Controller Interface (UHCI) wurde 1995 von Intel spezifiziert. UHCI bedient USB-Kanäle mit 1,5 Mbit/s und 12 Mbit/s Datenrate nach USB 1.1. Nur Intel und VIA Technologies benutzen UHCI. Alle anderen Hersteller verwenden OHCI.

Das Open Host Controller Interface (OHCI) ist eine weitere Spezifikation für USB 1.1. Sie wurde von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt. Ein OHCIController erledigt mehr Aufgaben in Hardware und ist dadurch geringfügig schneller.

Das Enhanced Host Controller Interface (EHCI) ist eine Spezifikation für USB-2.0-Schnittstellen. EHCI stellt nur die USB-2.0-Funktionen für Übertragungen im High-Speed-Modus (480 Mbit/s) bereit. USB-1.1-Geräte werden von einem zusätzlich nötigen UHCI- oder OHCI-Controller bedient. Falls kein EHCI-Treiber verfügbar ist, werden die High-Speed-Daten an den USB-1.1-Controller weitergegeben.

Das Extensible Host Controller Interface (xHCI) hat Intel für den Betrieb mit USB-3.0-Technik definiert.

Kompatibilität durch „Hybridbus“

USB 3.0 ist kompatibel zu USB 2.0; Kompatibilität zu USB 1.1 und USB 1.0 ist zulässig, wird aber nicht verlangt. USB 2.0 und USB 3.0 sind zwei verschiedene Schnittstellen, die einzeln oder gemeinsam genutzt werden können, sofern die beteiligten Geräte dafür ausgerüstet sind und die entsprechenden Datenraten verarbeiten können. USB-2.0-Geräte müssen an USB- 3.0-Schnittstellen funktionieren, natürlich nur mit der USB-2.0-Bitrate. USB-3.0-Geräte müssen an den USB-2.0-Schnittstellen mit USB-2.0-Bitrate funktionieren.

In der Spezifikation USB 3.0 wird verlangt, dass ein Entwickler die USB-2.0-Spezifikation kennen und verstehen muss. Die „device framework commands and descriptors“ aus der 2.0-Spezifikation müssen implementiert werden. Beide Spezifikationen zusammen sind auf mehr als 1000 Seiten definiert. Die USB-Schnittstelle sieht zwar mechanisch/elektrisch einfach aus, ist aber durchaus sehr komplex für den Entwickler. Der Anwender hat es dagegen einfach. Wenn der Stecker in das Kabel passt, dann sollte ein Betrieb ohne Software-Installation möglich sein. Für zusätzliche oder erweiterte Funktionen müssen dann möglicherweise doch ein Programm oder ein Treiber automatisch oder manuell installiert werden.

Ein USB-2.0-Gerät muss sich regelmäßig beim Host melden, sonst gilt es als abgesteckt. Dieses Verfahren verbraucht viel Strom und durch die ständige Übertragung von Statusmeldungen auch viel Bandbreite. Bei USB 3.0 kann ein Gerät dem Host melden, dass es derzeit für Datenübertragungen nicht bereit ist (stand-by). Erst wenn das Gerät selbst wieder Daten übertragen will oder kann, teilt es dies mit einer Art „Interrupt“ dem Host mit. Benötigt der Host jedoch Daten, dann kann er das Gerät wieder aufwecken. Mit dieser Methode können mobile Geräte die Batterie- oder Akku-Standzeiten verlängern.

Protokollanalysator macht den Anfang

Endprodukte für USB 3.0 gibt es noch nicht. Treiber-Software, Mess- und Analyseprogramme sind aber bereits verfügbar, damit die Entwickler in den Firmen möglichst bald verkaufsfähige Produkte entwickeln können. Einige Beispiele sind im Folgenden aufgeführt.

LeCroy

LeCroy (USA) hat bereits im August 2008 den ersten Protokollanalysator für USB 3.0 angekündigt. Das System mit dem Namen „Voyager M3“ analysiert den USB-Verkehr, deckt Verbindungsprobleme im Link Layer auf und hilft dabei, die Kompatibilität der Geräte mit der USB-3.0-Spezifikation sicherzustellen. Über Eingangsbuchsen kann der Datenverkehr unbemerkt für die Busteilnehmer mitgeschnitten werden. Zusätzlich kann das Gerät aber auch als „Excerciser“ fungieren und einen USB-3.0-Host emulieren. Der Voyager M3 beherrscht alle USB-Protokolle von 1.1 bis 3.0.

Fresco Logic

Fresco Logic (USA) arbeitet bei USB-3.0-Projekten mit LeCroy zusammen und hat ein „SuperSpeed USB Extensible Host Controller Interface (xHCI)“ auf dem Intel Developer Forum vorgestellt.

Faraday Technology

Der „Fabless IP Provider“ Faraday Technology (Taiwan) und Fresco Logic arbeiten zusammen bei der Generierung von Intellectual Property für USB-3.0-Controller-Chips, die mit Frescos xHCI-Software ausgerüstet werden.