Интерфейс USB 3.0

Рис. 3 Кабель USB 3.0

 

Рис. 4 Схема разреза кабеля USB 3.0

С учетом разнообразия разъемов USB 3.0 будут предлагаться следующие  типы USB-кабелей:

- USB 3.0 типа A (штепсель) — USB 3.0 типа A (штепсель);

- USB 3.0 типа A (штепсель) — USB 3.0 типа B (штепсель);

- USB 3.0 типа A (штепсель) — USB 3.0 Micro-B (штепсель);

- USB 3.0 Micro-A (штепсель) — USB 3.0 Micro-B (штепсель);

- USB 3.0 Micro-A (штепсель) — USB 3.0 типа B (штепсель);

- кабель, жестко связанный с устройством с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 Micro-A с другого конца;

- кабель, жестко связанный с устройством с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 Powered-B с другого конца;

- кабель, жестко связанный с устройством или присоединяемый к нему с помощью фирменного (нестандартного) разъема с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 типа A с другого конца.

 

2.2.3 Разъемы

 

Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше [3]. Имеются разъемы USB 3.0 следующих типов: типа A, типа B, Powered-B, Micro-B, Micro-A и Micro-AB. Соответствие между разъемами различных типов отображено в табл. 1. Заметим, что разъем USB 3.0 Micro-A существует только в штепсельном варианте, а разъем USB 3.0 Micro-AB — только в гнездовом. Особо отметим, что спецификацией USB 3.0 не предусмотрены разъемы miniUSB типа B, которые широко распространены в настоящее время.

Соответствие между  разъемами различных типов

Таблица 1

.

Разъем USB 3.0 типа A (рис. 4), как штепсельный, так и гнездовой, по своей форме и размерам не отличается от разъема USB 2.0 типа A. Он полностью совместим с разъемом USB 2.0 типа A, то есть в гнездовой разъем USB 3.0 типа A, кроме штепсельного разъема USB 3.0 типа A, можно вставлять штепсельный разъем USB 2.0 типа A, и наоборот: в гнездовой разъем USB 2.0 типа A можно вставлять штепсельный разъем USB 3.0 типа A.

Рис. 4 Разъем USB 3.0 типа A

Разъем USB 3.0 типа B (рис. 7), как и разъем USB 2.0 типа B, будет  использоваться для подключения стационарных периферийных устройств, таких как принтеры, МФУ и внешние диски. В компьютерах гнездовые разъемы USB 3.0 типа B применяться не будут (как не используются гнездовые разъемы USB 2.0 типа B). Разъем USB 3.0 типа B частично совместим с разъемом USB 2.0 типа B, то есть в гнездовой разъем USB 3.0 типа B, кроме штепсельного разъема USB 3.0 типа B, можно вставлять штепсельный разъем USB 2.0 типа B. А вот вставить в гнездовой разъем USB 2.0 типа B штепсельный разъем USB 3.0 типа B не удастся.

Рис. 5 Разъем USB 3.0 типа B

Разъем USB 3.0 Powered-B по своему формфактору полностью совместим с разъемом USB 3.0 типа B, но отличается от него наличием двух дополнительных контактов питания (DPWR и DGND) и двух дополнительных проводов в USB-кабеле, что позволяет запитывать USB-адаптеры без необходимости подключения их к сети.

В гнездовой разъем USB 3.0 Powered-B можно вставлять штепсельный  разъем USB 3.0 Powered-B, разъем USB 3.0 типа B и USB 2.0 типа B.

Разъем USB 3.0 Micro-B (рис. 10) ориентирован на использование в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, коммуникаторы и т.д. Он совместим с разъемом USB 2.0 Micro-B, то есть в гнездовой разъем USB 3.0 Micro-B, кроме штепсельного разъема USB 3.0 Micro-B, можно также вставлять штепсельный разъем USB 2.0 Micro-B. Однако в гнездовой разъем USB 2.0 Micro-B нельзя вставить штепсельный разъем USB 3.0 Micro-B. Совместимость гнездового разъема USB 3.0 Micro-B с штепсельным разъемом USB 2.0 Micro-B достигается за счет того, что разъем USB 3.0 Micro-B как бы разделен на две конструктивные части: USB 2.0 и USB 3.0. В часть USB 2.0 можно отдельно вставлять штепсельный разъем USB 2.0 Micro-B. Штепсельный разъем USB 3.0 Micro-B также конструктивно разделен на две части и может вставляться только в гнездовой разъем USB 3.0 Micro-B (или USB 3.0 Micro-AB).

Рис. 6 Разъем USB 3.0 Micro-B

 

Гнездовой разъем USB 3.0 Micro-AB будет использоваться только в устройствах, поддерживающих стандарт OTG (On-The-Go) (собственно, как и разъем USB 2.0 Micro-AB). В гнездовой разъем USB 3.0 Micro-AB можно будет вставлять штепсельные разъемы USB 3.0 Micro-B, USB 3.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B и USB 2.0 Micro-A. А вот гнездовой разъем USB 2.0 Micro-AB будет совместим только со штепсельными разъемами USB 2.0 Micro-B и USB 2.0 Micro-A.

2.3 Уровень  соединений

 

2.3.1 Кодирование 8/10 бит

 

Чтобы гарантировать надёжную передачу данных интерфейс USB 3.0 использует кодирование 8/10 бит, знакомое, например, по Serial ATA. Один байт (8 бит) передаётся с помощью 10-битного кодирования, что улучшает надёжность передачи в ущерб пропускной способности. Поэтому переход с битов на байты осуществляется с соотношением 10:1 вместо 8:1.

Сравнение пропускной способности USB 1.x – 3.0 и конкурентов

Таблица 1

Но и так интерфейс  обеспечивает высокий уровень скорости. Посмотрим это на примере таблицы 2

Таблица сравнения скоростных характеристик USB 1.0 – 3.0

Таблица 2

Так, например, цифровые видеокамеры сегодня могут записывать и хранить гигабайты видеоданных. Доля HD-видеокамер увеличивается, а им требуются более ёмкие и быстрые хранилища для записи большого количества данных. Если использовать USB 2.0, то на передачу нескольких десятков гигабайт видеоданных на компьютер для монтажа потребуется значительное время. USB Implementers Forum считает, что пропускная способность останется принципиально важной, и USB 3.0 будет достаточно для всех потребительских устройств на протяжении ближайших пяти лет.

 

2.3.2 Анатомия энергоэффективности

 

Вспомним, как работает старый EHCI-контроллер USB2.0? Независимо от наличия запросов на передачу данных, он циклически считывает из оперативной памяти расписание транзакций (Schedule), инициируя постоянный трафик на шине памяти, а также генерируя события, требующие обеспечения когерентности кэш-памяти. Разумеется, это приводит к увеличению мощности, потребляемой не только самим USB-контроллером, но и связкой «процессор–память». Данная активность препятствует переходу системы в энергосберегающие состояния.

Для чего нужна такая инициатива со стороны EHCI? Согласно спецификации, разработчики EHCI стремились свести общение драйвера с контроллером к передаче информации через оперативную память. Использование расписания транзакций и минимизация количества обращений драйвера к MMIO-регистрам контроллера, уменьшает утилизацию CPU за счет экономии тактов процессора.

Разработчики xHCI с целью  уменьшения потребляемой мощности решили отказаться от постоянной загрузки шины. Контроллер xHCI использует протокол, при котором драйвер подготавливает блоки заданий в оперативной памяти (в кольцевом буфере, который называется Command Ring), после чего процессор выполняет запись в один из MMIO-регистров регистрового блока Doorbell Registers. Запись в этот регистр сообщает контроллеру о том, что в оперативной памяти подготовлен блок задания. Только после этого xHCI инициирует bus-master операции.

 

2.3.4 Различия между SuperSpeed USB и USB 2.0

 

Как мы уже говорили, единственное, что объединяет USB 2.0 и 3.0 — это  тип разъёма и драйверы.

В USB 3.0 обмен осуществляется по двум шинам: одна — для обмена по протоколам USB 2.0, а вторая — для  высокоскоростной передачи в формате SuperSpeed USB. В кабеле содержится 8 проводов: две линии для USB 2.0, два общих служебных (земля и питание) и четыре линии, по которым передаются два симплексных дифференциальных сигнала для USB 3.0. Такая конфигурация линий позволяет осуществлять одновременную передачу в обоих направлениях, несмотря на то, что линии симплексные (Симплексный канал — канал передачи данных, передающий сигналы только в одном направлении). В стандарте USB 2.0 обмен идет в полудуплексном (Полудуплексный канал — канал передачи данных, передающий сигналы поочередно в двух направлениях) режиме, поэтому осуществляется медленнее по сравнению с USB 3.0.

В стандарте USB 3.0, в отличие  от USB 2.0, применяется асинхронный  принцип передачи данных. Основные различия между протоколами USB 2.0 и 3.0 приведены в таблице 1.

Более эффективное управление энергопотреблением в стандарте USB 3.0 достигнуто за счёт следующих изменений на протокольном уровне.

1. Управление питанием  выведено на канальный уровень.  Регулировать питание может как  компьютер, так и само устройство, что было невозможно в предыдущей  версии стандарта. 

2. Добавлена возможность перехода устройств в режим пониженного энергопотребления между сеансами передачи. Причём устройство информирует компьютер об этом, чтобы тот мог также перейти в режим пониженного энергопотребления.

Основные различия между  протоколами USB 2.0 и 3.0

Таблица

 

2.3.5 Сходства между USB 3.0 и PCI Express

 

Поскольку USB 2.0 имеет  ограниченную полосу пропускания, при  разработке спецификации USB 3.0 была принята за образец архитектура PCI Express. Эти стандарты основаны на сетевой модели OSI и имеют одинаковую структуру уровней, на каждом из которых выполняются одни и те же или похожие функции.

Самым верхним уровнем  для USB 3.0 является протокольный уровень, а для PCI Express — сетевой уровень. Связь между этими уровнями осуществляется путём обменов пакетами.

Тип и формат отправляемых пакетов в USB 3.0 и PCI Express разные, однако они имеют одинаковую структуру. Помимо этого в обоих стандартах применяются одинаковые инструменты и средства для формирования пакетов, управления каналом, шифрации и восстановления данных. Более детальное сравнение стандартов дано в [4] и приведено на рисунке 1.

Сравнение стандарта USB 3.0 с USB 2.0 и PCI Express

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Таким образом, после  обзора выяснили, что для пользователей стандарт USB 3.0 — просто модернизация существующей версии 2.0. Однако кроме разъёмов и драйверов между ними ничего одинакового нет. USB 3.0 — это, скорее, второе рождение стандарта, благодаря которому были значительно улучшены его характеристики.

Отметили, что интерфейс USB 3.0 имеет низкое энергопотребление и позволяет пересылать данные со скоростью чуть меньше 5 Гбит/с. В большей степени это обусловлено теми приёмами, которые были заимствованы из стандарта PCI Express.

Следует сказать, что  устройства USB 2.0 имеют повсеместное распространение, поэтому разработчики USB 3.0 включили поддержку более ранних версий этого протокола в новый стандарт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература 

 

1. Universal Serial Bus 3.0 Specification. Revision 1.0. November 12, 2008.
2. USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document
3. Высокоскоростной интерфейс USB 3.0 / Сергей Пахомов/ КомпьютерПресс 1'2009
4. USB 3.0 – революция стандарта USB /Санджив Кумар (Sanjiv Kumar), руководитель отдела IP-компонентов для верификации, DenaliSoftware/  Время Электроники, www.russianelectronics.ru/‎