Особенности спецификации USB 3.0 SuperSpeed
Поскольку универсальная последовательная шина не является одноранговой системой - в отличие, например, от Firewire – одного контроллера (чипа в USB устройствах), поддерживающего 5Гбит/сек, недостаточно для того, чтобы производители могли предлагать периферийные устройства USB 3.0.
Независимо от того, подключитесь ли Вы к USB 3.0, как только сможете, или дождитесь появления множества устройств, которые смогут воспользоваться этими преимуществами, переход с USB 2.0 на USB 3.0 должен быть таким же плавным, как и переход с USB 1.1. Но USB 3.0 является чем-то вроде отклонения от 2.0 как с технической, так и с практической точек зрения, и, хотя разработчики нового стандарта сделали обратную совместимость краеугольным камнем их усилий по разработке, USB 3.0 - это не просто USB 2.0 с более высокой тактовой частотой. Смысл USB 3.0 заключается в том, чтобы повысить скорость передачи данных в десять раз по сравнению с USB 2.0. Скачок с 480 Мбит/сек до 5 Гбит/сек, что необходимо сейчас, когда мы повсеместно распространены HD-видеофайлы. Обработка ошибок и потребности в протоколе передачи данных уменьшат это значение, так же как и в 2.0, но новая шина, тем не менее, оправдывает свое название «SuperSpeed».
Из чего состоит USB 3.0
Достижение этой скорости передачи данных потребовало некоторых аппаратных изменений. Тонкие неэкранированные кабели, которые подходят для USB 2.0, заменены экранированными многожильными проводами в проводах - экранированной дифференциальной парой или SDP - кабелями, которые будут толще, чем те, к которым мы привыкли. Экранирование необходимо для устранения электромагнитных помех, которые снижают целостность сигнала и не позволяют шине достичь пропускной способности в 5 Гбит/сек. Вы просто не можете достичь скорости SuperSpeed по кабелю USB 2.0. Схема адаптивной подстройки (АП) в каждом устройстве помогает ему все время. АП позволяет измерять состояние соединения и изменять электрический сигнал, чтобы оптимизировать доставку данных по этому конкретному физическому соединению, компенсируя разную длину кабеля и разное качество проводки. Адаптивное выравнивание также помогает хосту управлять одним набором портов USB 3.0 рядом с передней панелью ПК, а также с теми, которые установлены на задней панели, гораздо дальше и, таким образом, подключены по большей длине провода.
Достижение этой скорости передачи данных потребовало некоторых аппаратных изменений. Тонкие неэкранированные кабели, которые подходят для USB 2.0, заменены экранированными многожильными проводами в проводах - экранированной дифференциальной парой или SDP - кабелями, которые будут толще, чем те, к которым мы привыкли. Экранирование необходимо для устранения электромагнитных помех, которые снижают целостность сигнала и не позволяют шине достичь пропускной способности в 5 Гбит/сек. Вы просто не можете достичь скорости SuperSpeed по кабелю USB 2.0. Схема адаптивной подстройки (АП) в каждом устройстве помогает ему все время. АП позволяет измерять состояние соединения и изменять электрический сигнал, чтобы оптимизировать доставку данных по этому конкретному физическому соединению, компенсируя разную длину кабеля и разное качество проводки. Адаптивное выравнивание также помогает хосту управлять одним набором портов USB 3.0 рядом с передней панелью ПК, а также с теми, которые установлены на задней панели, гораздо дальше и, таким образом, подключены по большей длине провода.
Провод: что связывает одно устройство USB 3.0 с другим
SuperSpeed USB будет первым соединительным устройством, использующим такую технологию. Даже HDMI, который может передавать данные со скоростью до 3.4 Гбит/сек, не может достичь таких показателей. HDMI является самой близкой высокоскоростной системой передачи данных к USB 3.0 в том, что соединения также проходят по кабелям, качество и длину которых стандарт не контролирует. Сравните это с такими шинами, как SATA и PCI Express 2.0, на которых в значительной степени основан USB 3.0, где можно предположить, что длины полос, хотя и не заданы жестко, но очень узкие с четко определенными характеристиками ослабления сигнала. Спецификации USB 1.1 и USB 2.0 определяли максимальную длину кабеля 3 м и 5 м соответственно. USB 3.0 снижает максимум до 3 метров.
Внутри кабеля USB 3.0
Тем не менее, поскольку USB 3.0 обратно совместим с 2.0, подключение текущей тонкой проводной мыши к порту USB 3.0 не будет проблемой. На самом деле, как Вы видите на рисунке выше, кабель USB 3.0 содержит отдельный шнур USB 1.1 / 2.0 Unshielded Twisted Pair (UTP) - подробнее об этом важном компоненте мы поговорим позже. И USB-разъем мыши будет работать и механически, и электрически. Базовый разъем USB 3.0 «Standard A» (Type A) похож на современные большие USB-штекеры - он длиннее, для размещения пяти дополнительных задних контактов, которые будут правильно совмещаться в стандартном разъеме USB 3.0. Вместо этого вставьте в порт USB 2.0, и устройство все равно будет работать, только со «старой» скоростью 480 Мбит/сек.
Тем не менее, поскольку USB 3.0 обратно совместим с 2.0, подключение текущей тонкой проводной мыши к порту USB 3.0 не будет проблемой. На самом деле, как Вы видите на рисунке выше, кабель USB 3.0 содержит отдельный шнур USB 1.1 / 2.0 Unshielded Twisted Pair (UTP) - подробнее об этом важном компоненте мы поговорим позже. И USB-разъем мыши будет работать и механически, и электрически. Базовый разъем USB 3.0 «Standard A» (Type A) похож на современные большие USB-штекеры - он длиннее, для размещения пяти дополнительных задних контактов, которые будут правильно совмещаться в стандартном разъеме USB 3.0. Вместо этого вставьте в порт USB 2.0, и устройство все равно будет работать, только со «старой» скоростью 480 Мбит/сек.
Стандарт портов SuperSpeed
Эти дополнительные контакты обеспечивают второе заземление плюс две пары линий, одна для отправки данных, другая для их получения. Наличие отдельных проводов для передачи и для приема означает, что провода USB 3.0 могут использоваться для одновременного чтения и записи данных - на двойном симплексном уровне, по сравнению с полудуплексным режимом USB 2.0. Предыдущие версии USB имели два провода для передачи данных, но они могли работать только как восходящие или нисходящие каналы в каждый момент времени, но не оба одновременно.
Разъем USB 3.0 Type A представляет собой элегантное решение проблемы переполнения пяти дополнительных линий в сборку вилка-розетка, рассчитанная на четыре. Стандарт USB Type B - большое квадратное гнездо обычно встречается на принтерах. Коннекторы USB 3.0 были добавлены в виде выпуклости в верхней части разъема USB 2.0, поэтому разъемы USB 3.0 Type B будут совместимы с кабелями версии USB 2.0, но не наоборот - хотя наверняка будет много переходников и адаптеров.
Эти дополнительные контакты обеспечивают второе заземление плюс две пары линий, одна для отправки данных, другая для их получения. Наличие отдельных проводов для передачи и для приема означает, что провода USB 3.0 могут использоваться для одновременного чтения и записи данных - на двойном симплексном уровне, по сравнению с полудуплексным режимом USB 2.0. Предыдущие версии USB имели два провода для передачи данных, но они могли работать только как восходящие или нисходящие каналы в каждый момент времени, но не оба одновременно.
Разъем USB 3.0 Type A представляет собой элегантное решение проблемы переполнения пяти дополнительных линий в сборку вилка-розетка, рассчитанная на четыре. Стандарт USB Type B - большое квадратное гнездо обычно встречается на принтерах. Коннекторы USB 3.0 были добавлены в виде выпуклости в верхней части разъема USB 2.0, поэтому разъемы USB 3.0 Type B будут совместимы с кабелями версии USB 2.0, но не наоборот - хотя наверняка будет много переходников и адаптеров.
Стандарт порта USB Type B SuperSpeed
Кстати, есть вариант стандарта USB 3.0 Type B, который добавляет пару дополнительных линий питания и заземления к части разъема USB 2.0.
Поскольку USB 3.0 включает в себя USB 2.0, подключение принтера USB 3.0 к порту USB 2.0 на вашем ПК все равно будет работать, но без преимуществ более быстрой шины. Дополнительному модулю USB 2.0 даже не нужно знать, что компьютер, к которому он подключен, является устройством SuperSpeed, он просто будет работать так, как если бы на компьютере был USB 2.0. Существующие драйверы так же будут продолжать работать.
USB 3.0 с двойной шиной
SuperSpeed USB имеет архитектуру с двумя шинами, позволяющую хостам запускать USB 3.0 вместе с USB 2.0 – как будто, кабель USB 2.0 подключен вместе с кабелем USB 3.0. Но хотя хосты и концентраторы смогут одновременно работать с шинами USB 2.0 и USB 3.0, подключаемые периферийные устройства - нет.
Таким образом, объединение обеих шин невозможно, чтобы получить суммарную пропускную способность в 5.4 Гбит/сек.
Тем не менее, это означает, что новый нетбук с портами USB 3.0, но работающий под управлением Windows XP в качестве операционной системы, не потеряет функциональность USB, а только возможности SuperSpeed.
Выполнение части USB 3.0 независимо от шины USB 2.0 необходимо, поскольку новая шина использует другие протоколы, хотя она сохраняет типы передачи данных USB 2.0 и модель канала, чтобы разработчикам драйверов было проще использовать существующий код. SuperSpeed передает данные в пакетах, как это делает USB 2.0, но на этот раз устройства явно маршрутизируют пакеты от источника к цели. Сравните это с USB 2.0, который просто передает все пакеты всем подключенным устройствам, какими бы они ни были, и независимо от того, являются ли они получателем или нет.
SuperSpeed USB имеет архитектуру с двумя шинами, позволяющую хостам запускать USB 3.0 вместе с USB 2.0 – как будто, кабель USB 2.0 подключен вместе с кабелем USB 3.0. Но хотя хосты и концентраторы смогут одновременно работать с шинами USB 2.0 и USB 3.0, подключаемые периферийные устройства - нет.
Таким образом, объединение обеих шин невозможно, чтобы получить суммарную пропускную способность в 5.4 Гбит/сек.
Тем не менее, это означает, что новый нетбук с портами USB 3.0, но работающий под управлением Windows XP в качестве операционной системы, не потеряет функциональность USB, а только возможности SuperSpeed.
Выполнение части USB 3.0 независимо от шины USB 2.0 необходимо, поскольку новая шина использует другие протоколы, хотя она сохраняет типы передачи данных USB 2.0 и модель канала, чтобы разработчикам драйверов было проще использовать существующий код. SuperSpeed передает данные в пакетах, как это делает USB 2.0, но на этот раз устройства явно маршрутизируют пакеты от источника к цели. Сравните это с USB 2.0, который просто передает все пакеты всем подключенным устройствам, какими бы они ни были, и независимо от того, являются ли они получателем или нет.
Новый подход имеет несколько ключевых преимуществ. Во-первых, это означает, что Вы сможете подключить гораздо больше устройств: до 127 из них соединены в цепочки до пяти уровней, каждое из которых может подключать до 15 портов. Во-вторых, это делает шину более энергоэффективной.
Пакеты отправляются асинхронно и собираются в файлы в конце пути. Ссылки в цепочке маршрутов используются только тогда, когда они необходимы. Нет необходимости, чтобы устройства постоянно опрашивали ссылку на предмет входящих данных.
Отправьте файл на флэш-накопитель USB, и пакеты будут перемещаться от устройства к устройству по цепочке в соответствии с прямым маршрутом, закодированным в заголовки пакетов. Каждый шаг пути инициируется по сигналу от хоста, который знает, откуда приходит каждый пакет и куда он идет.
Концентраторы больше похожи на маршрутизаторы в USB 3.0
Хост всегда является частью цепочки, поэтому пакет, отправленный с подключенной камеры на флэш-диск, сначала направляется на хост, а затем на гаджет хранения.
Пакеты хранятся в каждом концентраторе - теперь они больше похожи на сетевые маршрутизаторы, чем на дубликаторы портов - с использованием методологии сохранения и пересылки, которая позволяет деактивировать ссылки, когда они не используются. Связи деактивируются устройством в конце их, если сообщается, что нет ожидающих пакетов. Таким образом, устройства, которые не участвуют в передаче данных, могут отключаться. USB 3.0 использует низкочастотные импульсы, чтобы одно устройство сообщало другому, что оно должно проснуться.
Хост всегда является частью цепочки, поэтому пакет, отправленный с подключенной камеры на флэш-диск, сначала направляется на хост, а затем на гаджет хранения.
Пакеты хранятся в каждом концентраторе - теперь они больше похожи на сетевые маршрутизаторы, чем на дубликаторы портов - с использованием методологии сохранения и пересылки, которая позволяет деактивировать ссылки, когда они не используются. Связи деактивируются устройством в конце их, если сообщается, что нет ожидающих пакетов. Таким образом, устройства, которые не участвуют в передаче данных, могут отключаться. USB 3.0 использует низкочастотные импульсы, чтобы одно устройство сообщало другому, что оно должно проснуться.
Контроллер NEC µPD720200 USB 3.0: лучший из многих?
Устройства могут полностью отключаться, но USB 3.0 также позволяет им постепенно отключаться, отключая части своей схемы, которые не используются. На жаргоне это называется «приостановка на уровне функций».
USB 3.0 может не передавать пакеты, но он получает возможность потоковой передачи данных. Построенная на SuperSpeed, эквивалентная существующему режиму массовой передачи данных, потоковая передача облегчает, скажем, пользователю воспроизведение фильма на устройстве USB 3.0, подключенном к его или ее компьютеру. Прямо сейчас это делается путем копирования фрагментов файла по ссылке. Это связано с тем, что класс USB Mass Storage изначально был разработан с учетом хранилищ файлов, из которых файлы будут копироваться туда-сюда, а не считываться напрямую.
Устройства могут полностью отключаться, но USB 3.0 также позволяет им постепенно отключаться, отключая части своей схемы, которые не используются. На жаргоне это называется «приостановка на уровне функций».
USB 3.0 может не передавать пакеты, но он получает возможность потоковой передачи данных. Построенная на SuperSpeed, эквивалентная существующему режиму массовой передачи данных, потоковая передача облегчает, скажем, пользователю воспроизведение фильма на устройстве USB 3.0, подключенном к его или ее компьютеру. Прямо сейчас это делается путем копирования фрагментов файла по ссылке. Это связано с тем, что класс USB Mass Storage изначально был разработан с учетом хранилищ файлов, из которых файлы будут копироваться туда-сюда, а не считываться напрямую.
Потоковая адресация, благодаря расширению технологии USB 3.0 Mass Storage для обеспечения работы подключенных накопителей, работает больше как собственное хранилище хост-компьютера, устраняя или уменьшая узкие места производительности, налагаемые текущим классом Mass Storage. Упрощение получения данных делает систему более эффективной, что снижает нагрузку на имеющиеся аппаратные ресурсы.
Устройства, которые получают питание от шины, теперь имеют доступ к току не менее 150 мА - «единичная нагрузка» - с некоторыми «сконфигурированными» устройствами, которые объявляют, что они являются мощными периферийными устройствами, и могут потреблять 900 мА, более 80%, чем они могли бы под USB 2.0.
Это просто оставляет поддержку для операционной системы. Microsoft заинтересована в USB 3.0, Windows 7, 10, поддерживают SuperSpeed.
Работа над добавлением поддержки USB 3.0 в Linux уже ведется, но природа ОС с открытым исходным кодом, вероятно, останется экспериментальной в течение некоторого времени. Спецификация USB 3.0 доступна, но эталонный дизайн Intel для хост-контроллеров USB 3.0 - по крайней мере, без подписи и NDA. Мы думаем, что это скоро изменится, и работа будет продолжаться, но потребуется некоторое время, чтобы адаптировать все драйверы класса USB для настройки их на USB 3.0.