USB 3.0/3.1 - SuperSpeed-USB

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Beschreibung

USB 3.0 und 3.1 / SuperSpeed-USB USB 3.0 ist eine Universal-Schnittstelle mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 4 GBit/s (Brutto 5 GBit/s) und trägt die Bezeichnung "SuperSpeed-USB". Mit 600 MByte/s ist es rund zehn Mal so schnell wie USB 2.0. USB 2.0 hat eine Übertragungsgeschwindigkeit von 480 MBit/s bzw. 60 MByte/s, wobei davon nur gut die Hälfte in der Praxis erreicht werden kann. USB 3.0 erreicht mit 4 GBit/s bzw. 600 MByte/s das Niveau eines PCIe-2.0-Links (500 MByte/s).
USB 3.1 spezifiziert den Übertragungsmodus SuperSpeed+ bzw. SuperSpeedPlus mit 10 GBit/s (Brutto).
Obwohl USB 3.0 und 3.1 viele Neuerungen mitbringen, steht Abwärtskompatibilität im Vordergrund. Der USB-3.0-Host besteht intern aus einem USB-2.0- und USB-3.0-Teil. Dadurch wird die Kompatibilität zu älteren Geräten mit USB 1.1 und 2.0 erreicht. Derzeit ist das Marktpotenzial für schnelle USB-3.1-Peripherie noch sehr klein. Das liegt unter anderem daran, weil die Peripherie aktuell ohne 10 GBit/s auskommt. Der Bedarf liegt meist weit darunter. USB 3.1 ist hauptsächlich für die Verbindung zwischen einem Notebook und einer Docking-Station interessant, wo die Kommunikation von mehreren Peripherie-Geräten über ein Verbindung erfolgen soll.

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Kommunikation

Themenkreis

Übersicht: USB - Universal Serial Bus
  • USB 1.0/1.1
  • USB 2.0 - HighSpeed-USB
  • WUSB - Wireless USB
  • USB-C-Stecker
  • USB-Steckerbelegung
  • USB-PD - USB Power Delivery
Vergleich: USB, Thunderbolt, eSATA Schnittstelle/Anschluss USB 2.0 USB 3.0 USB 3.1 Thunderbolt 1 Thunderbolt 2 eSATA Transferrate (theoretisch) bis 60 MByte/s bis 600 MByte/s bis 1.200 MByte/s bis 1.250 MByte/s bis 1.250 MByte/s bis 300 MByte/s Geräteanzahl (maximal) 127 127 127 ? ? 1 Kabellänge pro Gerät 5 m 3 m 1 m 3 m 3 m 1 m
  • eSATA ist unflexibel und nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für externe Festplatten ausgelegt. Es fehlt eine Stromversorgung für die externen Geräte. eSATA und Firewire sind praktisch ausgestorben.
  • Thunderbolt vereint PCI Express und DisplayPort in einer Übertragungstechnik. Ist aber nur bei älteren Apple-Computern verbreitet und wird durch USB 3.1 abgelöst.
  • USB 3.1 ist die beste Wahl bei der Anbindung externer Geräte und Speicher. USB bringt zusätzlich noch Power Delivery (USB PD, Laden) und USB A/V mit.
USB 3.0 mit 5 GBit/s (SuperSpeed)

USB 3.0 erreicht eine rechnerisch, maximale Transferrate von 500 MByte/s. Doch mit dem klassischen BOT-Übertragungsmodus (Bulk Only Transport) erreicht man damit kaum mehr als 250 MByte/s. Doppelt so schnell geht es nur mit dem USB Attached SCSI Protocol (UASP). Alle modernen Betriebssysteme unterstützen das automatisch, vorausgesetzt der Hostadapter im Storage-Device unterstützt es auch. UASP kommt eigentlich auch erst bei SSDs zum Einsatz. Denn die schnellsten herkömmlichen Festplatten kommen selbst im RAID-0-Verbund selten über 200 MByte/s hinaus. Das heißt, USB 3.0 macht USB-Festplatten ordentlich Beine, aber eben nur begrenzt. Doch nicht der USB begrenzt die Geschwindigkeit, sondern das Endgerät selber.

USB 3.1 mit 10 GBit/s (SuperspeedPlus)

USB 3.1 spezifiziert den Übertragungsmodus SuperSpeedPlus (Enhanced SuperSpeed Gen 2) mit 10 GBit/s, wobei der Übertragungsmodus SuperSpeed (Enhanced SuperSpeed Gen 1) mit 5 GBit/s wie bei USB 3.0 ebenso gültig ist. Das heißt, nur weil auf einem Endgerät USB 3.1 drauf steht, unterstützt es nicht zwangsläufig auch 10 GBit/s. Es könnten auch nur 5 GBit/s sein.

Das Update der USB-3.0-Spezifikation auf USB 3.1 sieht vor, die Geschwindigkeit von 5 auf 10 GBit/s zu verdoppeln. Ohne neue Steckverbinder, Protokolle oder Treiber. Außerdem, statt 20 Prozent Overhead, wie bei 3.0 geht bei 3.1 nur noch 3 Prozent verloren. Netto steht also mehr als das doppelte an Datenrate zur Verfügung. Hier kommt die volle Transferrate aber nur zustande, wenn alle Beteiligten diesen Übertragungsmodus beherrschen.

SuperSpeedPlus arbeitet mit den selben differenziellen Leitungspaaren wie SuperSpeed (USB 3.0). Nur dass der Takt doppelt so hoch ist und eine effizientere Kodierung verwendet wird (128b/132b statt 8b/10b). Unterm Strich soll sich dadurch eine Übertragungsrate von etwa 1 GByte/s ergeben. In der Praxis kommt man auf ca. 760 MByte/s. Bei SuperSpeed (USB 3.0) sind es nur ca. 460 MByte/s.
Mit 10 GBit/s kommt man also auf etwa 800 MByte/s nutzbare Transferrate, was mehr als bei SATA-6G (600 MByte/s) ist und eine Konkurrenz zu Thunderbolt darstellt.

Der Übergang von USB 3.0 zu USB 3.1 gilt als schwierig. Das Nachrüsten mit Erweiterungskarten erfordert PCIe-x2-Slots, die offiziell nicht spezifiziert sind und deshalb nicht existieren (nur x1 und x16). Außerdem erlauben nur wenige Chipsätze die erforderlichen PCIe-Verbindungen, die für 10 GBit/s notwendig wären. Auch das ungefähr gleich schnelle Thunderbolt 2 scheitert an diesem Erfordernis.

Wer braucht USB mit 5 und 10 GBit/s?

Auf den ersten Blick braucht kein Mensch USB mit 5 GBit/s. Doch weit gefehlt. Schaut man in die Zukunft, dann braucht es Schnittstellen, um der weiter schreitenden Datenflut Herr zu werden. Es gibt bereits jetzt Full-HD-Videokameras, die Filmmaterial mit 40 GByte Video-Daten erzeugen können. Die nächste Stufe sind 4K-Videokameras mit noch mehr Speicherbedarf. Das muss zur Nachbearbeitung oder Archivierung irgendwie übertragen werden.
Es gibt immer mehr Geräte und Anwendungen für den USB, die ein umfangreiches Datenaufkommen mit sich bringen. Zum Beispiel bei der Datensicherung, PC-Direktverbindung und USB-Displays. Der USB 2.0 stößt bei vielen Anwendungen an seine Grenzen.

Steckverbindung

Der SuperSpeed- und SuperSpeedPlus-Modus funktioniert nur mit neuen USB-Kabeln, die zusätzlich zu dem bisherigen Datenleitungspaar (D+/D-), für beide Transferrichtungen je ein separat geschirmtes Adernpaar (Shielded Differential Pair, SDP) sowie zwecks Einhaltung von EMV-Grenzwerten eine gemeinsame Abschirmung des gesamten Kabels benötigen.
Anstatt Kabellängen sind in der USB-3.0/3.1-Spezifikation Grenzwerte für die elektrischen Parameter definiert, bei nur denen der SuperSpeed- und SuperSpeedPlus-Modus sicher funktioniert. Die typische Leitungslänge dürfte bei 3 Metern liegen. Besonders gute, aber auch teure Kabel dürften 4,5 Meter errechen. USB-3.0-Steckverbinder sind durch ein blau gefärbtes Innenteil erkennbar. Ältere USB-Kabel sind in der Regel innen weiß oder schwarz.

USB-3.0-Stecker haben fünf zusätzliche Kontakte, wobei der Typ-A-Stecker zu den alten USB-Buchsen kompatibel ist. Im Stecker vom Typ A befinden sich die neuen Kontakt in dem Bereich, wo im alten Stecker nur Plastik ist. Der Vorteil dabei, alle Stecker und Buchsen vom Typ A passen zusammen. Bei Micro-USB- und Typ-B-Steckern sieht das anders aus. Hier bekommt der Stecker einen Anbau, der die zusätzlichen Pins aufnimmt. Das bedeutet, die Verbindung hat einen USB-2.0- und einen USB-3.0-Teil. Somit passen alte Stecker in die neuen Buchsen, aber nicht umgekehrt. Ein USB-3.0-Geräte-Stecker findet in einer USB-2.0-Geräte-Buchse keinen Platz. Hat man für ein USB-3.0-Gerät nur ein USB-2.0-Kabel, dann lässt sich das Gerät auch nur mit USB-2.0-Geschwindigkeit betreiben.

Neue Steckverbinder sind für USB 3.1 nicht erforderlich. Die Kompatibilität bleibt somit erhalten. Nur die elektrischen Bedingungen für die Schirmung und Erdung wurden angepasst. Das bedeutet, dass es für USB 3.1 neue Kabel gibt. Die Kabel dürften dann in der Regel nur 1 Meter lang sein. Längere Kabel sind für die Geschwindigkeitsstufe 10 GBit/s ungeeignet.

  • USB-C-Stecker
Datenübertragung

Hauptkritikpunkt am USB ist das Polling bei der Datenübertragung. Dabei fragt der Host alle Geräte immer wieder ab, ob sie Daten zum Übertragen haben. Bei USB 3.0 können die einzelnen Geräte mit "Not Ready" (NRDY) melden, dass sie später auf die Nachfrage antworten wollen. Der Host merkt sich das und fragt diese Geräte nicht mehr ab. Doch sobald ein Device Daten zum Übertragen hat, meldet es ein "Endpoint Ready" (ERDY) zurück. Damit soll der Datentransfer effizienter gestaltet werden.
USB 3.0 sieht noch weitere Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz beim Datentransfer vor. Die 5 GBit/s fließen über zwei neue Adernpaare. Per SSTX+ und SSTX- schickt der USB-Controller Daten zum Gerät und über SSRX+ und SSRX- fließen Daten zurück. Da USB 3.0 Sende- und Empfangsleitungen voneinander trennt, muss ein Device nicht auf die Bus-Zuteilung vom Controller warten. Empfängt der Controller ein ERDY, dann fragt er wie bei USB 2.0 das Gerät ab. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass die Controller-Logik dafür verantwortlich ist. Die darüberliegenden Protokolle bekommen von diesem Vorgang nichts mit.

USB-AV / USB Audio/Video

Künftig sollen Audio- und Videosignale unkomprimiert über USB-Kabel übertragen werden. Damit soll USB-AV den Videostandards HDMI und DisplayPort Konkurrenz machen. Der Vorteil von USB-AV ist die uneingeschränkte bidirektionale Kommunikation zwischen Player und Monitor. Mit HDMI-CEC geht das zum Beispiel nicht. In Kombination mit USB-PD wird USB gleichzeitig auch ein Konkurrent für MHL (mobiles HDMI).
Ein Problem ist die fehlende Unterstützung des HDCP-Kopierschutzes (HDMI) und die begrenzte Bandbreite. Über USB 3.0 läuft höchstens 1080p60. USB 3.1 kann höchstens 4K-Videos mit 2160p30 übertragen. Für die Zukunft muss 60 Hz (2160p60) möglich sein.

Stromversorgung

Für SuperSpeed-Geräte wird die 100-mA-Grenze im Low-Power-Mode auf 150 mA angehoben. Im High-Power-Mode wird die 500-mA-Grenze auf 900 mA angehoben. Die Chancen für den Wegfall der problematischen Y-USB-Stromadaptern und zusätzlichen externen Steckernetzteilen stehen gut.

  • USB-PD - USB Power Delivery
Stromsparmodus

Das NRDY-Signal hat noch einen weiteren Vorteil. Wenn ein Gerät ein NRDY gesendet hat, dann kann es sich in einen Stromsparmodus versetzen. Wenn das alle Geräte tun, die am Controller angeschlossen sind, dann kann auch der Controller seinen Upstream-Link in den Stromsparmodus versetzen. Das ist besonders für Akku-betriebene Geräte interessant.

USB 3.0 kennt vier Stromsparmodi:
  • U0 = Opertional
  • U1 = angeschaltete PLL
  • U2 = abgeschaltete PLL
  • U3 = Suspend
Warum kann USB 3.1 nur 5 GBit/s?

USB 3.1 Gen 1 = USB 3.0 + 5 GBit/s

USB 3.1 Gen 2 = USB 3.1 + 10 GBit/s

Zur allgemeinen Verwirrung ist in der Spezifikation von USB 3.1 ein kleine Gemeinheit eingebaut. Dort steht, dass Geräte mit USB 3.0 und 5 GBit/s mit "USB 3.1 Gen 1" gekennzeichnet dürfen. Das verwirrende daran ist, dass USB 3.0 mit 5 GBit/s (SuperSpeed) und USB 3.1 mit 10 GBit/s (SuperSpeedPlus) gleichgesetzt wird. Doch "USB 3.1 Gen 1" ist eben nur USB 3.0 mit 5 GBit/s. Echtes SuperSpeedPlus mit 10 GBit/s gibt es nur mit "USB 3.1 Gen 2".

Weitere verwandte Themen:
  • Schnittstellen
  • USB-Stick
  • eSATA
  • Thunderbolt
  • DockPort (Lightning Bolt)