Hochgeschwindigkeitsschnittstelle USB 3.0 für Embedded-Applikationen

Gordon Lunn, FTDI Chip: »Ingenieure brauchen die Möglichkeit, USB-3.0-Funktionalität zu ihrem System hinzuzufügen, die preiswert ist und sparsam mit der Energie und dem Platz umgeht.«

Die Embedded-PC-Welt hat es vorgemacht, jetzt etabliert sich USB 3.0 auch bei anderen Embedded-Applikationen. Über die Vorteile und Besonderheiten berichtet Gordon Lunn, Global Customer Engineering Support Manager von FTDI Chip.

Was sind die besonderen Vorteile des USB-3.0-Standards?

Zunächst ermöglicht der USB 3.0 eine um den Faktor 10 schnellere Datenrate gegenüber USB 2.0, und damit können Ingenieure jetzt auch über Anwendungen mit deutlich höheren Übertragungsraten nachdenken – bis zu 5 GBits/s durch eine Full-Duplex-I/O-Struktur. Und die Leistungsversorgung erlaubt jetzt bis zu 100 W, verglichen mit den 10 W der Vorgängergeneration. Wobei die Rückwärtskompatibilität mit älteren USB-Ausführungen einen einfachen und kostengünstigen Ausbau von bestehenden Geräten erlaubt und die kleineren Abmessungen des Steckers die Anforderungen von modernen, kompakten Designs erfüllen.

Den Standard gibt es schon eine geraume Zeit. Warum hat USB 3.0 noch nicht auf breiter Front den Weg in Embedded-Systeme gefunden?

Es gab einige Komponenten in der Systemarchitektur, die nicht mit der allgemeinen Entwicklung Schritt halten konnten und somit nur zu Engpässen geführt hätten. Wenn aber von den höheren Geschwindigkeiten nicht das System als Ganzes profitiert, gibt es keinen offensichtlichen Grund, zu neuen Technologien zu wechseln. Nachdem die Geschwindigkeit anderer Komponenten des Systems zugenommen hat, wird die Einführung des USB 3.0 mit seinen Vorteilen zwingender. Die mangelnde Unterstützung durch die Betriebssysteme war ebenfalls nicht hilfreich, aber mit der Einführung einer größeren Bandbreite von USB-3.0-unterstützenden Betriebssystemen – besonders von Linux und Windows 10 – hat sich das nachhaltig verändert.

Welche Anwendungen sehen Sie als Treiber für USB 3.0 in den kommenden Jahren?

Der Transfer großer Datenmengen zu externen Speichermedien ist zweifelsfrei eine der wichtigen Anwendungen für die USB-3.0-Technologie. Aber auch die wachsende Nachfrage, hochauflösendes Video auszuwerten, bekommt zunehmend Bedeutung für eine stetig wachsende Zahl von Industriebereichen. Fortschrittliche Machine-Vision-Systeme gehören unzweifelhaft zu den potenziellen Nutzern, die von der Verfügbarkeit von USB 3.0 profitieren werden, genau wie Geräte zur Überwachung, Digital Signage, Medical Imaging, industrielle Datenerfassung und PoS-Systeme.

Welche Schnittstellenstandards stehen im Wettbewerb mit USB 3.0 bei diesen Anwendungen, und welches sind die entscheidenden Vorteile des USB 3.0?

Für viele der erwähnten Anwendungen sind FireWire, HDMI, Ethernet und CameraLink die größten Wettbewerber. Dabei hat USB 3.0 in der Geschwindigkeit Vorteile gegenüber Ethernet, FireWire und CameraLink und ist vielseitiger als HDMI. Der weitere Vorteil, dass Daten und Spannungsversorgung über dasselbe Kabel fließen, muss ebenfalls in Betracht gezogen werden. Hierdurch wird zum Beispiel die Verwendung von Kamerasystemen einfacher, kostengünstiger und noch platzsparender.

Welche kurz- und mittelfristigen Herausforderungen sehen Sie bei der Implementierung von USB 3.0?

Die Halbleiterindustrie muss den Entwicklern ICs anbieten, die ihnen einen Teil des Drucks nehmen, unter dem sie heute stehen. Ein Großteil der heute verfügbaren Bausteine kann das nicht. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die meisten USB-3.0-ICs für Embedded-Anwendungen auf Mikrocontroller-Architekturen basieren. Das hat eine ganze Reihe von Nachteilen, unter anderem höhere Systemkosten und einen höheren Bedarf an Entwicklungsressourcen. Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers wird es notwendig, aufwendigen Software-Code zu schreiben, zu übersetzen und zu debuggen. Das benötigt Zeit und Fachwissen. Darüber hinaus erhöhen die eingesetzten Mikrocontroller-Kerne, auf denen die ICs basieren, die Kosten, nehmen wertvollen PCB-Platz in Anspruch und vergrößern den Stromverbrauch.

Was ist dann die Alternative zum Einsatz eines Mikrocontrollers?

Immer mehr Leute sind der Meinung, dass hartverdrahtete Lösungen einen attraktiveren Weg bieten, den Einsatz von USB 3.0 effizient zu verwirklichen. FTDI Chip trägt diese Sicht der Dinge mit. Der Einsatz einer Mikrocontroller-basierten Architektur für USB 3.0 ist sicher nicht sehr effizient. Der Aspekt der Programmierbarkeit ist in den meisten Fällen nicht notwendig und fügt deshalb nur Overhead hinzu, erhöht den Stromverbrauch und den Platzbedarf und kostet wichtige Entwicklungskapazität. Ingenieure brauchen die Möglichkeit, USB-3.0-Funktionalität zu ihrem System hinzuzufügen, die preiswert ist und sparsam mit der Energie und dem Platz umgeht. Die ICs unserer kürzlich eingeführten FT60X-Serie von USB-3.0-Schnittstellen-Devices beinhalten einen geschützten, hartverdrahteten 32-Bit-Verarbeitungskern, wodurch das Schreiben und das Debuggen von Software-Code überflüssig wird und Entwicklungszeiten und BOM-Kosten auf ein verträgliches Maß reduziert werden.

FTDI ist eine schottische Firma, wer hilft in Deutschland weiter?

Die Unitronic GmbH in Düsseldorf und FTDI Chip unterhalten eine über Jahrzehnte gewachsene partnerschaftliche Geschäftsbeziehung. Als autorisierter Distributor vertreibt Unitronic das gesamte USB-Produktangebot, inklusive der führenden USB-3.0-ICs und Module von FTDI Chip.