Peripherie 1, 2, 3, 4 – USB kann wieder mehr

USB hat sich von einer einfachen Schnittstelle für einige Peripheriegeräte zu einer vielseitigen, universellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für sämtliche externen Geräte entwickelt. Nun kommt USB 4 auf den Markt. Worin unterscheidet es sich von den Vorgängern?

Mitte der neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts gründeten PC-Firmen das USB Implementers Forum (USB-IF) und legten die Spezifikation für einen universellen seriellen Bus fest, den neue Peripheriegeräte, seien es E/A-Gerät, Massenspeicher oder Kommunikationsschnittstelle, nutzen können. Die Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle kann durch Hubs auf viele Geräte erweitert werden. Später wird die Datenrate mit USB 2.0 von 12 Mb/s auf 480 Mb/s erhöht, wobei die Abwärtskompatibilität zu langsameren Geräten beibehalten wurde.

2008 definierte das USB-IF USB 3.0 und beseitigt den Engpass der Halbduplex-Kommunikation über ein einziges Leitungspaar, indem sie zwei unidirektionale »SuperSpeed«-Verbindungen für Down- und Uplink einführte. Jede dieser Verbindungen besteht aus zwei differenziellen Leitungen und wird »Lane« genannt. Die Datenrate stieg auf 5 Gb/s, später auf 10 Gb/s, und es wird eine verbesserte Übertragungs- und Kodierungstechnologie eingesetzt.

Type-C: Flexibler Steckverbinder

Der nächste Standard, USB Type-C, ist softwarekompatibel, bietet aber mehr Flexibilität bei der Hardware. Der neue Stecker hat 24 Leitungen. Es gibt nur einen Typ, der sowohl an Host als auch Gerät passt, die Richtung des Kabels ist umkehrbar (Bild 1). Der Host sorgt dafür, dass die Leitungen in die richtige Richtung geschaltet werden. Darüber hinaus implementiert USB Type-C sogenannte »Alternate Modes«, bei denen einige Leitungen zur Übertragung anderer Signale als USB verwendet werden, z. B. DisplayPort oder MHL-Grafik (Mobile High-Definition Link).

Da USB Type-C als reine USB-Verbindung ein Paar pro Richtung ungenutzt lässt, verwendet die nächste Version von USB die Reserve-Leitungen, um Daten schneller zu übertragen, indem die beiden Kanäle gebündelt werden. USB 3.2 verdoppelt dadurch die Datenrate auf »Enhanced SuperSpeed« mit 20 Gb/s.

Die Konkurrenz zu USB wird Mitte der achtziger Jahre unter anderem von Apple Computer definiert. Die »Thunderbolt«-Schnittstelle ermöglicht nicht nur den Anschluss von Peripheriegeräten wie Festplatte, Scanner, Kamera, Monitor in einer Daisy-Chain-Konfiguration, sondern verbindet auch zwei Hosts mit bis zu 40 Gb/s. Der Host stellt jedem Peripheriegerät ausreichend Bandbreite zur Verfügung. Darüber hinaus kann über dieselbe Schnittstelle eine Leistung von bis zu 100 W bereitgestellt werden. Intel als Patentinhaber übergibt die Spezifikation an die USB Implementers Group, die diese Technologie in die Spezifikation von USB 4.0 einfließen lässt.

USB 4 ist eine Synthese des klassischen USB und Thunderbolt. Die Geschwindigkeit von USB 3 verdoppelt sich auf 40 Gb/s, was aus 20 Gb/s pro Lane resultiert. Thunderbolt steuert das Konzept der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite als auch die Tunnelarchitektur bei. Alle Thunderbolt-Signale werden unterstützt, d. h. DisplayPort-Datenströme, PCIe-Daten, USB von 1.1 an und eine Leistung von bis zu 100 W. Die Baumstruktur wird von USB übernommen.

USB 4 – Elektrische Aspekte

USB 4 verwendet den USB-Type-C-Stecker mit 24 Pins und nutzt alle verfügbaren Leitungen. Zwei separate Leitungen zur Übertragung von USB-2.0/1.1-Signalen gewährleisten die Abwärtskompatibilität. Das neue Benennungsschema berücksichtigt die Vielfalt der verschiedenen Konfigurationen je nach Datenrate und der Anzahl der Lanes. Der vollständige Name lautet also »USB 4 Gen X × Y«, wobei X die Datenrate und Y die Anzahl der Lanes angibt. Bislang definiert USB 4 drei verschiedene Datenraten pro Lane: 5 Gb/s (X = 1), 10 Gb/s (X = 2) und 20 Gb/s (X = 3). Begrenzt durch die verfügbaren Leitungen, kann es eine (Y = 1) oder zwei (Y = 2) Lanes geben. Zwei Lanes werden aggregiert und erscheinen dem System wie ein einziger Übertragungskanal mit bis zu 40 Gb/s Datenrate.

Im Vergleich zum noch weit verbreiteten USB 3.1 mit 5 Gb/s erlaubt die neueste Spezifikation die achtfache Datenrate. Im Vergleich zu USB 2.0, das bei USB-Memory-Sticks immer noch weit verbreitet ist, ergibt sich bei USB 4 eine mehr als 80-fache Steigerung.

Eine Stärke von USB 4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, verschiedene andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Allerdings schreibt die USB-4-Spezifikation keine Thunderbolt-Unterstützung durch einen Host-Computer oder ein Gerät selbst vor. Anders als bei den »Alt-Modi«, die mit USB Typ-C eingeführt wurden, wird die Bandbreite mit einer feinen Granularität geteilt, nicht in Lane-Einheiten. Die Hot-Plugging-Fähigkeit ermöglicht das Anschließen, Konfigurieren, Verwenden und Trennen von Peripheriegeräten, während der Host und andere Peripheriegeräte in Betrieb sind. Das Protokoll ist kompatibel zu früheren Versionen von USB. Mit dem USB-PD-Protokoll (Power Delivery) kann Strom zum Betrieb oder Laden des Akkus bidirektional zwischen Host und Peripheriegeräten übertragen werden.

USB-Features im Überblick

USB 1.1/2.0 nutzt ein Paar Datenleitungen. Die nächste Generation fügte SuperSpeed auf getrennten Leitungspaaren hinzu, und USB Type-C fügte zwei weitere Lanes hinzu, um den Stecker wenden zu können. Die Reserve-Lanes konnten für alternative Modi, z. B. DisplayPort-Videosignale, verwendet werden. Diese Funktion wird von USB Type-C in zwei Stufen genutzt: Im ersten Schritt werden zwei Lanes zur Übertragung alternativer Daten verwendet. In der zweiten Stufe werden alle SuperSpeed-Lanes für DisplayPort-Daten umgewidmet, sodass sehr hochauflösende Displays angeschlossen werden können. USB 2.0/1.1 bleibt weiterhin verfügbar, da es auf getrennten Leitungen läuft.

Neben den neuen Funktionen bietet USB 4 eine neue Datenrate von 40 Gb/s, die die mit USB 3.2 verfügbare Datenrate verdoppelt, wobei jede der zwei Lanes 20 Gbps überträgt (Bild 3). Die maximal erlaubte Kabellänge hat sich nochmals reduziert. Während die Kabellänge bei USB 1.1/2.0 hauptsächlich unter Zeitbeschränkungen litt – die maximale Zeit bis zum Rückempfang der Antwort beim Host –, mussten die späteren Generationen mit den Eigenschaften von realen Kabeln und realen Steckern zurechtkommen.

Ab USB 3 wird die Qualität der elektrischen Signale während der Enumeration überprüft, und die Sender wenden eine Vorverzerrung und Entzerrung an. Das bedeutet, dass das Signal am Sender absichtlich verzerrt wird, um am Empfänger ein noch gutes Signal zu erhalten. Es liegt auf der Hand, dass ein »gutes« Kabel mit konstanter und angepasster Impedanz, geringen Verlusten und geringer Kapazität eine größere Entfernung zulässt. Dennoch arbeitet die Gen 1 (5 Gb/s) bis 3 m, die Gen 2 (10 Gb/s) bis 1 m zuverlässig. 20 Gbps können über 0,5 m erreicht werden. Distanzen insbesondere bei 20 Gb/s können durch den Einsatz eines aktiven Kabels, das Re-Clocker und adaptive Equalizer einsetzt, verlängert werden.

Ursprüngliche BezeichnungNeue BezeichnungAktuelle BezeichnungDatenrateGeschwindigkeits-klasseStecker (Host-Seite)
USB 1.1  1,5 Mb/sLow SpeedTyp A
12 Mb/sFull SpeedTyp A
USB 2.0  480 Mb/sHi-SpeedTyp A
USB 3.0USB 3.1 Gen 1USB 3.2 Gen 15 Gb/sSuperSpeedTyp A + C
USB 3.1USB 3.1 Gen 2USB 3.2 Gen 210 Gb/sSuperSpeed+Typ A + C
USB 3.2USB 3.2 Gen 2×220 Gb/s 

Typ C

USB 3.2 Gen 2×2USB 4 Gen 2×220 Gb/s 

Typ C

USB 4 USB 4 Gen 3×240 Gb/sEnhanced SuperSpeedTyp C

 

Tabelle: USB-Generationen und deren Terminologie.

Ein Kabel, viele Geräte

USB 4 kombiniert höchste Bandbreite mit größter Vielseitigkeit für Peripheriegeräte und wurde auf der Grundlage der Erfahrungen mit früheren USB-Generationen und der Thunderbolt-Technologie spezifiziert. Durch die Verwendung von zwei parallelen Lanes und die Verdoppelung der Datenrate auf jeder Lane wurde die Gesamtdatenkapazität auf 40 Gb/s erhöht, wodurch der Anschluss mehrerer Peripheriegeräte mit Hochgeschwindigkeits-USB, DisplayPort-Grafiken, PCIe-Lade-/Speicherfunktionen oder sogar Host-zu-Host-Verbindungen möglich wird. Die USB-Stromversorgung ermöglicht ein bidirektionales Laden oder eine Stromversorgung zwischen Host und Gerät.

Die Stecker und Kabel des USB Typ-C sind zukunftssicher und durch die Wendefunktion einfach handhabbar. Das Thunderbolt-3-Protokoll bietet Kompatibilität zu einer noch größeren Bandbreite an Peripheriegeräten, und die skalierbare (nicht nur wählbare) Bandbreite für Grafik und Daten macht die Schnittstelle flexibel und vielseitig. USB 4 ist eine echte Einkabellösung für viele stationäre und mobile Geräte. (jk)

GLOSSAR

Alternate mode Verwendung von USB-Leitungen für die Übertragung anderer Signale, z. B. Video, in deren eigenem Format, also nicht in USB-Paketen.

Daisy Chain Die Signale werden durch das Gerät durchgeschleift, stehen am Ausgang wieder zur Verfügung.

Downlink Übertragungsrichtung vom Host zum Gerät; siehe »Uplink«.

Enumeration Abfrage des Busses nach vorhandenen Teilnehmern und Klassifikation derselben.

Halbduplex Übertragung in zwei Richtungen, von denen immer nur eine aktiv sein kann, Beispiel Sprechfunk.

Lane zwei elektrisch einander zugeordnete Leitungen, die ein Signal differenziell übertragen.

Tunnel »Verpacken« von Signalen in ein anderes Format, hier z. B. DisplayPort oder PCIe in USB-Pakete.

Uplink Übertragungsrichtung vom Gerät zum Host; siehe »Downlink«.

USB-IF USB Implementers Forum www.USB.org. Zusammenschluss von Firmen, die die Spezifikation des USB-Standards koordinieren.