Eindelijk onderweg: USB 3.0

20 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. USB: 10 bits in een byte!?
  3. 3. USB 3.0
  4. 4. Nieuwe contacten
  5. 5. Compatibiliteit
  6. 6. Andere verbeteringen
  7. 7. Tijdpad
  8. 8. Reacties

Inleiding

Het was in 1998 dat de Universal Serial Bus 1.1 standaard vrijgegeven werd. Het bleek de katalysator te zijn voor het streven om het aantal verschillende aansluitingen en kabels te reduceren. Inmiddels is deze 1.1 standaard vrijwel niet meer in gebruik en is elk USB apparaat dat verkocht wordt uitgerust met versie 2.0.

Tijdens de ontwikkeling van de originele USB-standaard voorzagen de deelnemende bedrijven (Intel, Compaq, Microsoft, Digital, IBM en Northern Telecom) dat er in de toekomst veel verschillende soorten randapparatuur voor de PC zouden opkomen. Dit was de belangrijkste reden om een universele standaard te ontwikkelen die het zeer eenvoudig moest maken om tal van apparaten met de computer te verbinden. Ook werd meteen gezorgd dat een groot aantal apparaten via slechts één interrupt verbinding kon maken. Hiermee werd een tot dusver frequent voorkomend probleem, een tekort aan interrupts, flink gereduceerd. Daarnaast stond ware plug’n’play ondersteuning op de verlanglijst.

Vóór de USB standaard was het nodig om voor veel nieuwe apparaten een nieuwe connector te ontwikkelen. Wie herinnert zich niet de ps/2, seriële (rs-232) en parallelle poorten die een jaar of tien geleden nog standaard op elk moederbord te vinden waren. Om over de game port nog maar te zwijgen.

USB 1.1

De ontwikkelde 1.1 standaard was niet in staat om met hoge snelheid data te transporteren. Dit protocol heeft twee modi: low speed, dat 1 Megabit per seconde doorvoersnelheid biedt, en full speed dat met 12 Megabit/s werkt.

Deze snelheden waren indertijd voldoende om aan de basiseisen te voldoen: het aansluiten van een toetsenbord, muis of eerste generatie USB-stick. Ondanks de duidelijke voordelen werden USB 1.1 apparaten aanvankelijk niet massaal gekocht. Veel mensen hadden tenslotte nog weinig of geen USB aansluitingen op hun computer zitten. De grote doorbraak kwam toen Intel ervoor zorgde dat USB tot de basisuitrusting van iedere PC behoorde, en Microsoft ondersteuning in zijn besturingssystemen integreerde. Naarmate USB poorten gemeengoed werden op de gemiddelde PC, begonnen zowel hardwarefabrikanten als consumenten de voordelen van de nieuwe standaard in te zien. Met het stijgen van de populariteit van USB, werd de behoefte aan hogere doorvoersnelheden ook groter. De USB ontwikkelaars groep ging aan het werk en kwam in april 2000 met de opvolger, USB 2.0.

USB 2.0

Het verhogen van de transfersnelheid was een logische stap in de evolutie van USB. De theoretische snelheid werd met de komst van standaard 2.0 opgeschroefd naar 480 Megabit/s ofwel 48 Megabyte/s. Het verhogen van de overdrachtsnelheid had meer positieve gevolgen dan louter het sneller kunnen kopiëren van bestanden. Eindelijk was het mogelijk om in real time audio- en videosignalen te transporteren. USB 2.0 zette de deur open voor producten als microfoons en webcams, zaken waar beduidend meer snelheid en bandbreedte voor nodig is dan beschikbaar was onder de oorspronkelijke versie van de standaard.

Het succes van USB 1.1 was reden voor NEC en Philips om de oorspronkelijke ontwikkelaarsgroep te versterken. Naast het verhogen van de snelheid had men voor versie 2.0 meer ontwerpdoelstellingen. Cruciaal voor succes was dat elk USB 2.0 apparaat backwards compatible moest zijn met oude 1.1 aansluitingen. Daarnaast werden de plug’n’play eigenschappen verder verbeterd met de komst van Windows XP met geïntegreerde USB driver. Verder moest USB 2.0 meer stroom naar aangesloten apparaten kunnen transporteren, zodat producten als een webcam niet apart gevoed hoefden te worden.

USB: 10 bits in een byte!?

Bij USB 2.0 resulteert een theoretische doorvoersnelheid van 480 Megabit/s in 48 Megabyte/s en bij USB 3.0 wordt 4,8 Gigabit/s omgerekend naar 480 Megabyte/s. Gek, want hebben we niet allemaal op school geleerd dat een byte bestaat uit 8 bits? Niet bij USB!

De reden is de gebruikte 8B10B codering, waarbij iedere byte met een speciaal algoritme wordt omgezet naar 10-bits. Hierbij wordt ervoor gezorgd dat er nooit teveel dezelfde bits achter elkaar komen. Je hebt in een USB-signaal zodoende nooit vier nullen of enen achter elkaar. Ofwel, de 8B10B codering zorgt ervoor dat er voldoende variatie in het datasignaal zit. Hierdoor is het niet nodig om een apart kloksignaal mee te sturen; zender en ontvanger kunnen synchroniseren op basis van de dataverbinding. Anders gezegd, per acht verzonden bytes zijn er in feite twee nutteloze bits, maar er wordt wel een extra kabeltje uitbespaard. Deze zelfde 8B10B codering wordt overigens ook bij PCI-Express toegepast.

Populariteit

Vandaag de dag is het gebruik van USB apparaten zo ingeburgerd dat het woord zelfs in de grote Van Dale terug te vinden is. Ieder modern moederbord heeft  8 of meer USB-aansluitingen. Juist de eenvoud van de verbinding heeft ervoor gezorgd dat minder ervaren computergebruikers niet meer hun slimme buurjongen hoeven te bellen wanneer ze een nieuw apparaat willen aansluiten. Uiteraard is de ontwikkeling van bijvoorbeeld de flash technologie ook van grote invloed geweest op de populariteit: de bekende  USB-stick – wie heeft er geen? – is uiteindelijk de opvolger van de floppydrive geworden en begint inmiddels zelfs de DVD-brander overbodig te maken. USB flashdrives met een capaciteit van 16GB zijn in de Hardware.Info Prijsvergelijker al voor minder dan 30 euro te vinden.

USB is heeft hiermee de oorspronkelijke beloftes als aansluiting meer dan waargemaakt. Naar schatting zijn er inmiddels wereldwijd al zo’n 6 miljard USB producten over de toonbank gegaan. Kortom, missie geslaagd.

Beperkingen

Hoewel de 2.0 standaard mateloos populair is en voor de meeste apparaten technisch nog ruimschoots voldoet, lopen we inmiddels weer tegen een aantal beperkingen aan. Wederom is voor sommige toepassingen de overdrachtsnelheid te laag. Moderne externe hardeschijven kunnen namelijk meer data verwerken dan USB 2.0 kan doorvoeren. Zodoende heeft eSATA voor deze productgroep de laatste tijd een flinke opmars gemaakt. De organisatie achter de USB standaard zit echter niet stil.

Eind 2006 zijn de eerste stappen genomen om versie 3 te ontwikkelen. Het nieuw gevormde consortium bestaat opnieuw uit een aantal oude bekenden. Zo doen ondermeer HP, Intel, Microsoft en nieuwe bedrijven als NEC, ST-NXP Wireless en Texas Instruments mee aan de ontwikkeling.

Het uitgangspunt van USB is vanaf versie 1.1 hetzelfde gebleven: een goedkope, universele aansluiting met gebruiksvriendelijke plug’n’play mogelijkheden. De beoogde snelheid werd echter opnieuw flink verhoogd, data moest efficiënter worden afgehandeld en nieuwe technieken dienden voor stroombesparing te zorgen.

USB 3.0

De nieuwe versie van de USB-standaard biedt een maximale (theoretische) snelheid van 4,8 Gigabit/s, wat resulteert in 480 Megabyte/s. De ontwikkelaars beloven dat, wanneer je alle overhead meerekent, in de praktijk een snelheid van 400 Megabyte/s haalbaar moet zijn: voldoende voor de snelste harde schijven en andere moderne toepassingen. De nieuwe standaard wordt SuperSpeed USB genoemd.

Om deze snelheid te kunnen behalen, is er een aantal veranderingen doorgevoerd. Uiterlijk bezien is er weinig veranderd: de USB 3.0 stekker lijkt identiek aan degene die we nu gebruiken. Echter, de interne bedrading is beduidend anders: waar USB 2.0 met twee datalijnen werkt, heeft versie 3.0 er vier.

De compatibiliteit met de vorige standaard is gewaarborgd door puur en alleen voor versie 2.0 een UTP (unshielded twisted pair) signaal kabel op te nemen. Deze is dus enkel voor USB 2.0 compatibiliteit bedoeld. De vier SDP (shielded differential pair) kabels zijn verantwoordelijk voor de verhoogde transfersnelheid. Deze vier kabels zijn stuk voor stuk wel afgeschermd (shielded) met als doel het datasignaal – dat bestaat uit nullen en enen- zuiver te houden. Immers, er kunnen fouten in de data-overdracht ontstaan door elektromagnetische interferentie (EMI). Om dit tegen te gaan zijn niet alleen de signaalkabels voor USB 3.0 afgeschermd, ook is de hele kabel voorzien van een metalen mantel. De specificaties schrijven voor dat dit vlechtwerk tot aan de metalen connectors moet doorlopen, wederom ter preventie van elektro-magnetische instraling.

Als men scherp kijkt naar de SDP paren, dan is bovendien te zien dat elk paar gebundeld is met een eigen aardedraad. Deze aardedraden worden in de connector weer verbonden aan de hoofd aardedraad. De reden om dit zo te doen is simpel, de kabel mag niet te dik worden. Desalniettemin zijn versie 3.0 kabels nu tussen de 3 en 6 mm dik, waar versie 2.0 kabels maximaal 3 mm dik waren. Hoewel de kans op dataverlies afneemt naarmate de kabel dikker wordt, heeft dit als negatief effect dat de flexibiliteit van de kabel in het geding komt. Waarschijnlijk zullen kortere kabels dunner zijn, terwijl langere kabels aanzienlijk minder flexibel zullen zijn. Experts verwachten dat de nieuwe kabels maximaal drie meter lang kunnen zijn (de maximale lengte voor een USB 2.0 kabel is vijf meter); definitieve details hierover zijn helaas nog niet beschikbaar.

Op de officiële SuperSpeed USB developers conference van afgelopen november is aangetoond dat de extra datalijnen hun nut hebben. Gedemonstreerd werd dat het mogelijk is om ongecomprimeerde HD 1080p video met 30 beelden per seconde te streamen via USB 3.0. Het streamen van dergelijke signalen vereist een overdrachtssnelheid van ruim 400 MB/s.


Doorsnede van een USB 3.0 kabel, waarin de twee extra SDP kabelparen te zien zijn..

Nieuwe contacten

Het verschil tussen een USB 2.0 en 3.0 kabel wordt duidelijk wanneer we de connector beter bekijken. Op dezelfde plek als nu zitten de vier contactpunten die ook gebruikt worden voor USB 2.0: stroom, aarde en één datapaar. Daardoor kun je een USB 2.0 kabel probleemloos in een USB 3.0 aansluiting stoppen, en andersom.

Achterin de connector zitten vijf nieuwe contactpunten, die alleen verbinding hebben wanneer je de stekker in een PC met 3.0 slot stopt. Onder deze extra aansluitingen vallen het tweede high-speed datapaar, twee stroomaansluitingen en een aardeverbinding. Bij een USB 3.0 slot zoals we dat op de PC zullen terugvinden, zullen extra contactpunten zitten voor deze connector. Dit heeft ertoe geleid dat voor de zogeheten B female plug er een fysiek andere connector gemaakt is welke niet meer compatibel met versie 2.0 B male aansluitingen is.

Dit is ook duidelijk te zien aan de fysieke dimensies van de connectors: waar volgens de officiële specificaties de hoogte van de B female aansluiting maximaal 10,5 mm mocht zijn, is deze bij de nieuwe versie B female aansluiting verhoogd naar 13,5 mm. Ook is de connector breder geworden. Het moge duidelijk zijn dat de nieuwe B aansluiting helaas niet compatibel is met voorgaande standaarden.

Net zoals voor USB 2.0 is voor 3.0 een mini-connector ontwikkeld – ondermeer voor gebruik bij mobiele telefoons – maar deze is vanwege de extra verbindingen wel groter uitgevallen dan alle bestaande USB 2.0 mini-stekkers.

Overigens beveelt de organisatie achter de standaard dat alle USB 3.0 stekkers in blauw worden uitgevoerd. Op die manier zie je snel het verschil.


De normale USB 3.0 connector heeft dezelfde vorm als die van USB 2.0, waardoor compatibiliteit gewaarborgd blijft. USB 3.0 functionaliteit herken je aan de blauwe kleur.


In de female-connector zijn de extra USB 3.0 contactpunten duidelijk te zien.


De B female plug: beduidend anders dan zijn voorganger.


De nieuwe USB 3.0 mini-connector.

Compatibiliteit

De snelheden die verkregen worden als men USB apparaten van verschillende versies gebruikt, wordt altijd bepaald door de langzaamste versie. Om van SuperSpeed gebruik te maken, moet zowel het apparaat, de PC en de kabel versie 3 gecertificeerd zijn.

Fabrikanten zijn overigens niet verplicht om ondersteuning voor het 1.1 protocol te bieden bij nieuwe producten. Echter, full-speed en low-speed kunnen wel ondersteund worden, mocht de fabrikant dat nodig vinden. Het is dus afhankelijk van de fabrikant of je oude USB 1.1 apparaten in de toekomst nog op een moderne PC kunt gebruiken. Het is niet te verwachten dat dit snel niet het geval zal zijn: producten als toetsenborden en muizen hebben voldoende aan de goedkope 1.1 standaard en er zijn er zoveel in de omloop, dat het wel even zal duren voordat deze producten genegeerd kunnen worden bij de productie van moederborden.


USB 3.0 controllers en HUB’s behouden compatibiliteit met USB 2.0. Een apparaat kan gelijktijdig een 2.0 en 3.0 verbinding opzetten.

Andere verbeteringen

Een andere sterke verbetering ten opzichte van de vorige versie is dat USB 3.0 full duplex is, zodat er tegelijkertijd data verstuurd én ontvangen kan worden.  Eerdere versies waren half duplex. Daarnaast heeft er ook een aanzienlijke verbetering plaatsgevonden op het gebied van energiebeheer. Apparaten kunnen nu in verschillende energiebesparende modi worden gezet. Zo gaan apparaten in slaapstand op het moment dat deze niet gebruikt worden, maar kunnen ze ook razendsnel weer worden ‘gewekt’. Een externe harde schijf bijvoorbeeld kan op deze manier een stuk energiezuiniger werken.

USB was altijd een notoire stroomverbruiker, wat met name voor de notebookgebruikers onder ons allesbehalve prettig is. Het zit hem in het feit dat het USB protocol van het zogeheten polled model is. Dit houdt in dat de USB host constant vraagt aan het USB device of er nog data is die moet worden overgedragen. Dit is uitermate inefficiënt, temeer omdat een aanzienlijk deel van het platform (lees: de chipset) gebruikt wordt bij deze activiteit: USB houdt als het ware de halve computer uit zijn slaap. Dit wordt nu anders opgelost. Op het moment dat de USB host vraagt aan een USB device of er nog data is die overgedragen moet worden, en het USB apparaat geeft een zogenaamde NAK (ofwel, nee er is geen data voorhanden) dan kan de USB host dit nu in zijn eigen cache geheugen opslaan. Deze cache is net groot genoeg om het negatief antwoord (NAK) op een transfer verzoek op te slaan. Het grote voordeel is dat de rest van de chipset nu met rust gelaten wordt, in plaats van uit een low power state gehaald te worden, louter om ‘nee te verkopen’.

De reden dat USB standaarden altijd polled zijn, komt voort uit het feit dat dit een relatief eenvoudig maar bovenal goedkoop model oplevert. En dat past weer in de strategie om een goedkope standaard te creëren.

Ondanks de verbetering dat polling niet meer continue zal verhinderen dat een platform in low power modus verblijft, is niet alles rozegeur en maneschijn bij de nieuwe standaard. Op het moment dat er wél dataoverdracht plaatsvindt, zijn er in totaal vijf cycli nodig om de data daadwerkelijk over te dragen. Dit in tegenstelling tot het PCI model die er maar twee nodig heeft. Puur omdat er data transfer plaatsvind, moeten de CPU en het geheugen meerdere malen benaderd worden. Er vindt dus over de gehele chipset activiteit plaats om alleen het USB apparaat te bedienen. Hoe dit er in de praktijk precies uitziet, kun je in de onderstaande afbeelding zien. Toegegeven, het gaat om hooguit 15W, maar het telt wel degelijk mee onder de streep. Helaas is dit niet veranderd met de komst van versie 3.0.

Een van de voordelen van USB 2.0 was de mogelijkheid om stroom te leveren aan aangesloten apparaten. Dit is doorgezet in de nieuwe standaard. Waar de 2.0 versie 500mA kon transporteren is dit met 80% verhoogd tot 900mA.  Hiermee is voor meer soorten randapparatuur de noodzaak verdwenen om deze met een externe energiebron te verbinden.


Versimpelde weergave van USB data overdracht (polled):
1) USB host vraagt aan het geheugen ‘scheduling’ informatie op
2) De geheugencontroller benadert de CPU hiervoor
3) USB host vraagt de data van het USB apparaat op en ontvangt deze
4) De data wordt naar het geheugen geschreven
5) De geheugencontroller moet hiervoor weer de CPU benaderen

Tijdpad

Tijdens de CES 2008 introduceerde ASUS de M50 laptop, waar een USB 3.0 connector op geïntegreerd was. In plaats van de benodigde vijf nieuwe contactpunten, waren er echter slechts vier aangebracht. Ofwel, het bedrijf wilde de show stelen met de eerste USB 3.0 laptop, maar technisch was men er nog niet klaar voor. Aan de andere kant, het bewijst wel dat de ontwikkelingen bij moederbordfabrikanten als ASUS in volle gang zijn. Tijdens Computex toonden ondermeer ASUS en Gigabyte prototypes van moederborden met USB 3.0 aan boord, bewerkstelligd door een losse NEC chip.

De eerste echte USB 3.0 poorten die geheel aan de nieuwe standaard voldoen, zullen vermoedelijk verschijnen in de vorm van losse PCI of PCI-Express insteekkaarten. Pas later zal USB 3.0 standaard onderdeel van chipsets worden. Vermoedelijk zal Intel de eerste zijn, maar of men deze stap bij de ICH11 of ICH12 gaat maken is nog onbekend.

Boze tongen beweren dat Intel het publiceren van een aantal belangrijke specificaties tegengaat om zo concurrenten als AMD en nVidia niet wijzer te maken. Tenslotte is Intel de belangrijkste gangmaker in het USB consortium.

Sowieso blijft het opvallend stil uit de hoek van fabrikanten en ontwikkelaars. Harde feiten omtrent massaproductie van USB 3.0 aansluitingen zijn niet beschikbaar. Het meest tastbaar is een uitspraak van een Intel manager die aangaf dat USB 3.0 producten in 2009 of 2010 de markt zullen betreden. Aangezien er geen signalen zijn dat het binnen korte tijd al zover is, kan er met redelijke zekerheid gesteld worden dat 2010 het meest voor de hand ligt.

Toekomst van FireWire

De grote tegenhanger van USB is natuurlijk FireWire, oorspronkelijk opgezet door Apple in samenwerking met enkele andere bedrijven. Waar FW400 meestal qua overdrachtssnelheid gelijk was met USB 2.0, overtreft de snelheid van FW800 de 2.0 standaard ruim: 800 Megabit/s tegen 480 Megabit/s. FireWire heeft echter nooit een groot marktaandeel in de consumentenmarkt behaald, voornamelijk door de aanzienlijk hogere licentiekosten en complexere, dus duurdere chips. Voor industriële toepassingen is het wel populair, zo wordt het veelgebruikt in de vliegtuig en- entertainmentindustrie.

De eerstvolgende versie van FireWire, genaamd FW3200 (ook wel New Generation) zal een transfersnelheid van 3,2 Gigabit/s hebben. Echter door een sneller peer-to-peer protocol en lagere overhead zal in de praktijk de snelheid naar verwachting boven die van USB 3.0 uitkomen. Of dat genoeg is om de zeer dominante positie van USB te doorbreken is niet vanzelfsprekend. Apple is namelijk voor haar eigen producten zoals de iPods en MacBooks al eerder overgestapt op USB aansluitingen, voornamelijk vanwege de diversiteit aan bestaande USB apparaten. Ook in de toekomst zal een FireWire apparaat duurdere chips vereisen dan een USB apparaat.

Conclusie

Het is duidelijk dat USB 3.0 een verbetering zal zijn. De snelheid gaat van 480 Mbit/s naar 4,8 Gbit/s, daarbij wordt er ook nog een significante energiebesparing beloofd én is het grotendeels compatibel met voorgaande standaarden. Ondanks het feit dat op dit moment het aantal producten dat deze verhoogde snelheid nodig heeft beperkt is, is het een kwestie van tijd voordat deze hogere snelheid noodzakelijk is, en we zijn gebaat bij één universele aansluitstandaard. De nieuwe USB-standaard belooft wederom een groot succes te worden, maar het zal nog wel een jaartje duren eer we er echt mee te maken krijgen, want echt vlot verloopt de ontwikkeling nog niet.

0
*