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USB - Universal Serial Bus

USB 3.1 Gen. 1

(vormals USB 3.0)

 

Im Juli 2013 veröffentlichte das USB Implementers Forum die Spezifikationen für den bis zu 10GBit/s schnellen USB 3.1, auch SuperSpeed plus genannt. In diese Spezifikation ging auch die Spezifikation für USB 3.0 (SuperSpeed) auf. Um zwischen beiden Varianten unterscheiden zu können, wurde das ehemalige USB 3.0 (mit max. 5 GBit/s)  in USB 3.1 Generation 1 umbenannt. Die SuperSpeed plus-Variante (mit max 10 GBit/s) wird als USB 3.1 Generation 2 bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Mit dem Fortschreiten der Computertechnologie und dem Verschmelzen von IT und CE entstanden viele neue Anwendungen und Geräte. Full-HD Videokameras, externe Massenspeicher und mobile Multifunktionsgeräte benötigen viel Übertragungsbandbreite und liefern wahre Datenfluten, die USB 2.0 an seine Grenzen bringen.
Auf dem IDF (Intel Developer Forum) 2007 wurde zum ersten Mal eine Datenübertragung von 369 MByte/s auf einer USB 3.0 Plattform demonstriert. Im November 2008 stellte das von Intel geführte Industriegremium (USB-IF = USB Implementers Forum) die finale Spezifikation zu USB 3.0 vor. Dabei bleibt der neue Standard weitgehend kompatibel zum USB 2.0. Die besondere neue Eigenschaft von USB 3.0 ist der SuperSpeed-Bus, der eine vierte Geschwindigkeitsklasse mit einer Datenrate von bis zu 5 GBit/s (brutto inklusive Protocol Overhead) vorsieht. Die nutzbare Nettodatenrate sollte bei ca. 3,2 GBit/s liegen.

Abb. 26: Logo USB Superspeed
Abb. 26: Logo USB Superspeed [1]

Auch sieht SuperSpeed, im Gegensatz zum Halb-Duplex- Broadcast-Betrieb des USB 2.0, einen Dual-Simplex-Unicast-Betrieb vor. Diese neuen Eigenschaften lassen eine ausschließliche Nutzung der alten Übertragungsmedien (ein UTP- (Unshielded Twisted Pair-) Leitungspaar, D+ und D-) nicht zu. Zu den bisher in USB 2.0 verwendeten Leitungen werden daher in USB 3.0-Kabeln zwei weitere, geschirmte,  Twisted Pair-(Shielded Differential Pair, SDP) Leitungspaare (eins für jede Transferrichtung) hinzugefügt. USB 3.0-Verbinder erhalten somit fünf zusätzliche Kontakte. Dabei bleiben die Standard Typ A-Stecker zu den bisherigen Buchsen kompatibel. Die zusätzlichen Kontakte haben ihren Platz im hinteren Steckerbereich, der bisher nicht genutzt wurde, gefunden. Standard Typ B-Stecker und die Micro-Stecker erhalten eine mechanische Erweiterung. Mini-Stecker sind in der USB 3.0 nicht vorgesehen. Intel kündigte zwar 2007 auch optische Verbindungen an, diese sind aber in der im November 2008 vorgestellten USB 3.0 Spezifikation noch nicht enthalten. Alle USB 3.0-Verbinder sind durch ihre blaue Farbe (Pantone 300C) zu erkennen.

Abb. 28: Icon USB Superspeed
Abb. 28: Icon USB Superspeed [1]

USB 3.0 taugliche Verbindungskabel werden in der Spezifikation nicht in ihrer Länge definiert. Vielmehr darf es jede Länge haben, solange alle in der Spezifikation festgelegten Erfordernisse erfüllt werden. In der Praxis wird bei Verwendung von "marktgerechten" Kabelqualitäten eine Reichweite von ca. 3 m pro Segment erwartet.
Wie Abb. 27 zeigt, sind die Leitungen in einem kombinierten USB 3.0 Kabel in drei Gruppen aufgeteilt:

  • UTP-Leitungen (D+ und D-), die die Kompatibilität zu USB 2.0 (Low-, Full-, Hi-Speed) gewährleisten.
  • Die VBUS +5V Betriebsspannung für Geräte
  • Vier SDP-(Shielded Differential Pair)-Leitungen plus Signal-Masse-Leitungen für den SuperSpeed-Bus.
Abb. 27: Aufbau USB 3.0-Kabel
Abb. 27: Aufbau USB 3.0-Kabel [2]

Um möglichst von vornherein einen Wildwuchs an Steckverbindern zu verhindern, sind vom USB-IF nur einige Bauformen als zulässig definiert und in vorgegebenen Kombinationen miteinander frei gegeben worden. 
Erlaubte Kombinationen sind: 
Stecker USB 3.0 Standard-A <-> Stecker USB 3.0 Standard-B 
Stecker USB 3.0 Standard-A <-> Stecker USB 3.0 Micro-B
Stecker USB 3.0 Standard-A <-> Stecker USB 3.0 Standard-A
Stecker USB 3.0 Micro-A <-> Stecker USB 3.0 Micro-B
Stecker USB 3.0 Micro-A <-> Stecker USB 3.0 Standard-B
Fest installierte Kabel mit USB 3.0 Standard-A Stecker
Fest installierte Kabel mit USB 3.0 Micro-A Stecker
Fest installierte Kabel mit USB 3.0 Powered-B Stecker
USB 3.0 Standard-A Stecker <-> herstellerspezifische Stecker

2. USB 3.0-Verbinder

Zur Zeit sind vom USB-IF folgende USB 3.0-Verbinder definiert:

  • USB 3.0 Standard-A Stecker und Buchse ("Receptacle")
  • USB 3.0 Standard-B Stecker und Buchse
  • USB 3.0 Powered-B Stecker und Buchse
  • USB 3.0 Micro-B Stecker und Buchse
  • USB 3.0 Micro-A Stecker
  • USB 3.0 Micro-AB  Buchse

2.1 USB 3.0 Standard Verbinder

USB 3.0 Standard A-Verbinder

Der Standard-A Verbinder ist als Host-Verbinder definiert. Die USB 3.0 Typ A-Buchse kann entweder einen USB 3.0 Standard A-Stecker oder einen USB 2.0 Standard A-Stecker aufnehmen.

Tabelle 8: Kontaktbelegung der USB 3.0 Standard A-Stecker
Tabelle 8: Kontaktbelegung der USB 3.0 Standard A-Stecker
Abb. 28: USB 3.0 Standard A-Stecker
Abb. 28: USB 3.0 Standard A-Stecker [2]

USB 3.0 Standard B-Verbinder ("Powered-B Verbinder")

Der USB 3.0 Standard B- Verbinder findet Verwendung in relativ großen, stationären Peripheriegeräten. Die USB 3.0 B-Buchse kann entweder einen USB 3.0 Standard B-Stecker oder einen USB 2.0 Standard B-Stecker aufnehmen.
Ein USB 3.0 B-Stecker passt physisch nicht in eine USB 2.0 B-Buchse.

Tabelle 9: Kontaktbelegung der USB 3.0 Standard B-Stecker
Tabelle 9: Kontaktbelegung der USB 3.0 Standard B-Stecker
Abb. 29: USB 3.0 Standard B-Stecker (Foto: Manhattan)
Abb. 29: USB 3.0 Standard B-Stecker (Powered-B Verbinder) [2]

USB 3.0 Powered B-Verbinder

Der USB 3.0 Powered-B Verbinder erlaubt es, dass Geräte wie z.B. Drucker upstream USB 3.0 Adapter wie Wireless USB-Adapter mit Betriebsspannung zu versorgen. Diese benötigen dann kein eigenes externes Netzteil mehr.  Die DPWR/ DGND-Kontakte dürfen bei 5V mit bis zu 1,0 A belastet werden.

Tabelle 10: Kontaktbelegung der USB 3.0 Powered B-Stecker
Tabelle 10: Kontaktbelegung der USB 3.0 Powered B-Stecker
Abb. 30: USB 3.0 Powered-B-Stecker
Abb. 30: USB 3.0 Powered-B-Stecker

2.2 USB 3.0 Micro Verbinder

USB 3.0 Micro-A Stecker

Der USB 3.0 Micro A-Stecker ist ein Upstream-Verbinder. Zur Kennung in OTG-Anwendungen ist der ID-Pin (Pin 4) intern auf die Power-Masse gelegt.

Tabelle 11: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-A-Stecker
Tabelle 11: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-A-Stecker
Abb. 31: USB 3.0 Micro-A Stecker
Abb. 31: USB 3.0 Micro-A Stecker

USB 3.0 Micro-B Stecker

Der USB 3.0 Micro-B ist ein Downstream-Verbinder. Zur Kennung in OTG-Anwendungen ist der ID-Pin (Pin 4) intern nicht verbunden.

Tabelle 12: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-B-Stecker
Tabelle 12: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-B-Stecker
Abb. 32: USB 3.0 Micro-B-Stecker
Abb. 32: USB 3.0 Micro-B-Stecker

USB 3.0 Micro-B Buchse

Die USB 3.0 Micro-B-Buchse ist rückwärtskompatibel und kann außer dem USB 3.0 Micro-B Stecker auch den USB 2.0 Micro-B Stecker aufnehmen.

Tabelle 13: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-B-Buchse
Tabelle 13: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-B-Buchse
Abb. 33: USB 3.0 Micro-B Buchse
Abb. 33: USB 3.0 Micro-B Buchse

USB 3.0 Micro-AB Buchse

Die USB 3.0 Micro-AB Buchse ist bis auf eine andere Passform identisch zur USB 3.0 Micro-B Buchse. Sie kann USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-B oder USB 2.0 Micro-B Stecker aufnehmen.

Tabelle 14: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-AB-Buchse
Tabelle 14: Kontaktbelegung USB 3.0 Micro-AB-Buchse
Abb. 34: USB 3.0 Micro-AB Buchse
Abb. 34: USB 3.0 Micro-AB Buchse

   

3. Struktur eines USB 3.0 Systems

USB 3.0-kompatible PC-Chipsätze, bzw. deren Southbridges, enthalten mehrere Host-Controller (mit integriertem Root-Hub). Für die Non-SuperSpeed-Geschwindigkeiten sind dieses die vom USB 2.0 bekannten EHCI (Enhanced Host Controller Interface) mit einem OHCI (Open Host Controller Interface) oder UHCI (Universal Host Controller Interface). Für SuperSpeed enthält der Host einen separaten Controller. Erweiterte Verbinder erlauben den Anschluss von kombinierten Kabeln, die getrennte Leitungen für SuperSpeed und die USB 2.0 kompatible Verbindungen haben. USB 3.0 kompatible Hubs sind ebenfalls strikt zweizügig aufgebaut. Zwei Unterhubs verteilen getrennt nach Geschwindigkeit das Signal auf mehrere (bis zu 15) kombinierte Downstream-Ports. In den Hubs findet ein explizites Routing der Datenströme zu den Geräten statt.
An kombinierten Ports können USB 3.0-taugliche Geräte über ein kombiniertes (USB 3.0-) Kabel angeschlossen werden oder auch USB 2.0-Geräte über USB 2.0-Kabel. Über USB 2.0-Kabel angeschlossene Geräte können, unabhängig davon ob sie SuperSpeed- oder nicht SuperSpeed-tauglich sind, nur mit den USB 2.0 Datenraten verwendet werden.
Die gleichzeitige Verwendung vom SuperSpeed- und Non-SuperSpeed-Modus ist für angeschlossene Geräte nicht gestattet.

USB 3.0 unterstützt, wie USB 2.0, USB-Systeme mit bis zu 5 Hub-Ebenen und insgesamt 127 Geräten einschließlich Hubs.
Im SuperSpeed-Mode richtet der Host zu jedem Gerät/Function eine eigene Pipe zur Kommunikation ein (USB 2.0 verwendet ein Broadcast-Transfer an alle Geräte). Durch den Einsatz von zwei Datenpfaden können die Datenströme in beide Richtungen gleichzeitig übertragen werden (Dual-Simplex-Unicast)./p>

Abb. 35: Struktur eines USB 3.0-Systems
Abb. 35: Struktur eines USB 3.0-Systems [2]

USB 3.0-Geräte können sich mit dem Kommando NRDY (= "Not Ready") beim Host abmelden. Der Host merkt sich diese Information und fragt dieses Gerät nicht mehr ab, bis es sich mit dem Kommando ERDY (= "Endpoint Ready") wieder angemeldet hat. Danach kann das Gerät wieder Daten an den Host übertragen. Dieser Mechanismus macht ein zeitraubendes Polling der Geräte durch den Host, wie es im USB 2.0 vorgeschrieben ist, überflüssig.

4. Power Management (Power Delivery 1)

Die SuperSpeed-Architektur ist von vornherein auf eine hohe Optimierung in der Leistungsaufnahme ausgelegt worden. Einige der Schlüsselelemente sind:

  • Ersetzen des ständigen Pollings der angeschlossenen Geräte / Funktionen durch direkte Pipes
  • Ersetzen der Broadcast Paketübertragung durch ein Routing in den Hubs
  • Einführung eines strengen verbindungsbezogenen Energiemanagements wenn ein Gerät sich im Leerlauf oder Bereitschaft befindet.
  • Der Host und die Geräte können per Software das Umschalten in einen Energiesparmodus auslösen.
  • Funktionen oder Teile eines Gerätes können in einen Energiesparmodus geschaltet werden, wenn sie nicht benötigt werden.

SuperSpeed stellt vier Verbindungszustände zu Geräten oder sogar ganzen Busabschnitten vor:

Die Rx - und Tx- Stufen befinden sich im Leerlauf-Modus. Ist eine Verbindung für eine bestimmte Zeit unbenutzt, kann eine der Verbindungsseiten die Abschaltung in den U1 beantragen. Stimmt die Gegenseite zu, erfolgt die Abschaltung. Die Reaktivierung der Verbindung erfolgt über ein spezielles Handshaking, gefolgt von einer Leseanfrage "IN" vom Host oder einer "ERDY"- (Endpoint Ready-) Meldung vom Gerät.

Link Status Beschreibung Eigenschaften Auslöser
U0 Verbindung aktiv Die Verbindung ist aktiv. Pakete jeden Typs können über die
Verbindung übertragen werden
 
U1 Verbindung ruht-
schnelle Aktivierung
Hardware
(1. (U0-)Inactivity Timer)
U2 Verbindung ruht -
langsame Aktivierung
Wie U1, aber zusätzlich ist ist der Clock-Generator (PLL) abgeschaltet.
Der Übergang in U2 erfolgt normalerweise aus dem U1. Mit dem Übergang von U0 in U1 wird der U2-Inactivity-Timer gestartet. Ist der Timer abgelaufen, gehen die Geräte auf beiden Verbindungsseiten in den U2. Es ist aber auch möglich, ein Port so zu programmiert, dass ein Übergang direkt von U0 nach U2 erfolgt.
Eine Reaktivierung kann nur in den Link-Status U0 erfolgen. Der Reaktivierungsprozess ist ähnlich dem Übergang U1->U0
Hardware
(2. (U2-)Inactivity Timer)
U3 Verbindung aufgehoben Bus-Interface-Stufen werden abgeschaltet.
Der U3-Modus ist ein Niedrigenergiemodus, in dem Teile des Gerätes stromlos gemacht werden. Nur die Signalstufen zur Erzeugung / Detektion von Warm-Reset und Wakeup-Signalisierung bleiben aktiv. VBUS ist während U3 vorhanden.
U3 kann nur vom Host ausgelöst werden.
Eine Reaktivierung kann nur in den Link-Status U0 erfolgen. Dieses kann sowohl vom Host aus per Software geschehen oder von externen Triggern an den Geräten (z.B. Wake on LAN).
Eintritt: nur per Software
Verlassen: Hardware oder Software
Tabelle 15: SuperSpeed Power Management

Das Power Management von USB 3.0 sieht aber nicht nur das Einsparen von Energie vor, sondern es stellt auch mehr Strom für die angeschlossenen Geräte bereit. Low-Power-Geräte dürfen bis zu 150 mA (USB 2.0: 100 mA) ziehen. Nach bewilligtem High Power-Request dürfen es sogar 900 mA (USB 2.0: 500mA) sein.

5. USB 3.0 im Vergleich

  USB 2.0 USB 3.0 IEEE1394a
(FireWire 400)
IEEE1394b
(FireWire 800)
Gigabit Ethernet eSATA
(Ext. SATA II)
Transferrate (Brutto) max. 480 MBit/s 4,8 GBit/s 400 MBit/s 800 MBit/s 1 GBit/s 3.0 GBit/s
Transferrate (Netto) max. <320 MBit/s 3,2GBit/s >390 MBit/s >780 MBit/s ca. 350MBit/s 2,4 GBit/s
Topologie Stern
(host-zentriert)
Stern
(host-zentriert)
Peer to Peer Peer to Peer Peer to Peer Punkt zu Punkt
max. Anzahl Geräte pro Netz 127 127 63 pro Bus
1023 Busse pro Netz
63 pro Bus
1023 Busse pro Netz
unbegrenzt 1
max. Kabellänge pro Segment 5m 3,5m 4,5m 4,5m 100m 2m
max. Kabellänge insgesamt 30m ca. 21m 72m 72m unbegrenzt 2m
Versorgungsspannung 5V 100/500mA 5V 150/900mA 8-33V / 1,5A 8-33V / 1,5A 48V / 15,4W -
Tabelle 16: USB 3.0 im Vergleich mit anderen Bussystemen

6. USB 3.0 Geräte

Abb.36: USB 3.0 2,5''-HDD-Laufwerk
Abb.36: USB 3.0 2,5''-HDD-Laufwerk

Die ersten verfügbaren USB 3.0-Geräte für den Consumer-Bereich wurden ab Anfang 2010 erwartet. Einige Prototypen wurden von den Herstellern schon ab Mitte 2009 demonstriert. So zeigte Seagate einige Festplatten mit Controllern von Symwave und Point Grey führte auf der IDF im September 2009 ein unkomprimiertes HD-Streaming von einer Full HD-Webcam mit 1920x1080 Pixeln vor. Ab etwa 2012 gehörte mindestens ein USB 3-Anschluss zur Standartausstattung von Desktop-PCs

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Alle "USB"-Logos und Piktogramme sind geschützte Warenzeichen der USB.ORG
Quelle:  http://www.usb.org

[1] Alle "USB"-Logos und Piktogramme sind geschützte Warenzeichen der USB.ORG
Quelle:  http://www.usb.org

[2] Quelle: Universal Serial Bus Revision 2.0 specification (http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/usb_20_112614.zip). Zeichnungen neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

Weblinks

Informationen zu USB 3: Universal Serial Bus Revision 3.1 Specification

 

 

Zuletzt geändert am 29.04.2016.

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