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1-2-2020

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Kommunikation USB 3.1 -

Kommunikation USB 3.1 - Eine Multifunktions-Schnittstelle Bild 1: Typisches System mit USB-Extender (Abbildungen von Icron Technologies und HY-LINE Computer Components) Autor: Rudolf Sosnowsky, Leiter Marketing und Applikation HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH www.hy-line.de Mit der Einführung von USB 3.0 hat das USB Implementer‘s Forum einen Schnitt in der Entwicklungsgeschichte von USB vorgenommen. Nicht nur wurde die Bandbreite um mehr als das 10-fache erhöht, auch das Nadelöhr der bidirektionalen Kommunikation wurde beseitigt. Trotzdem lässt sich die Physik nicht überlisten, und die maximale Leitungslänge ging zurück. Wie man dennoch längere Distanzen bei hoher Datenrate überwindet und gleichzeitig weitere Signale überträgt, zeigt dieser Artikel. Schnell oder weit? Beides! Je höher die Datenraten, desto kürzer das Kabel. Diese alte Regel gilt auch für die letzte Generation von USB. War die maximale Distanz bei den Versionen bis 2.0 noch im Wesentlichen von der Signallaufzeit bestimmt – USB setzt eine maximale Antwortzeit des Devices voraus – ist sie bei USB 3.1 von der Dämpfung des Signals bestimmt. Laut USB- Spec liegt sie bei 3 m. Durch diese Limitierung zwischen Host und USB-Device ist der Einsatz in professionellen Applikationen, bei denen nicht nur der PC unter dem Bürotisch mit der Festplatte oder der Webcam auf der Schreibtischplatte verbunden werden müssen, zu stark eingeschränkt. Könnte man den zeitkritischen Teil des USB-Protokolls von der aktuellen Übertragung entkoppeln, und gleich zeitig ein Verfahren und ein Medium verwenden, das die USB-Signale mit hoher Bandbreite auch über eine längere Distanz sicher überträgt, wäre diese Aufgabe gelöst. Der USB-Spezialist Icron kam als erster auf die Idee und entwickelte eine patentierte, „ExtremeUSB“ genannte Lösung. Sie hebt das Längen-Limit auf, indem sie dafür sorgt, dass die zeitkritische, durch das USB- Protokoll vorgegebene Kommunikation lokal abgewickelt wird, und die Übertragung über die Distanz davon entkoppelt ist. Dabei wird ein so genannter „Local Extender“ (LEX) mit dem USB-Port des Host- Rechners verbunden. Für das USB- Protokoll ist nur die kurze Distanz zwischen diesen beiden relevant. Ebenso übernimmt auf der Device- Seite ein „Remote Extender“ (REX) die USB-Kommunikation mit einem oder mehreren Devices. Die Verbindung zwischen LEX und REX kann prinzipiell mit einem beliebigen Übertragungs medium durchgeführt werden, normalerweise werden dazu entweder ein CATx-Kabel oder eine Glasfaser eingesetzt. Beide Medien sind in der Hochgeschwindigkeits- Datenübertragung bewährt. Völlige Transparenz Das ExtremeUSB-Verfahren ist für das Betriebssystem völlig transparent. Damit ist im Hostrechner für den Extender selbst kein Software- Treiber erforderlich. Kompatibilitätsprobleme, die auf einer Unverträglichkeit eines Treibers beruhen, können damit ausgeschlossen werden. Nachträgliche Änderungen der Übertragungsdistanz können ohne Softwareupdate durchgeführt werden, was insbesondere bei geschlossenen Systemen ein großer Vorteil ist. Exkurs: Warum ist USB 3 anders? Im Folgenden soll der Begriff „USB 3.1“ synonym für alle Schnittstellen der dritten Generation stehen (siehe Infobox: USB 1, 2 oder 3?) und „USB 2.0“ auch USB 1.0, USB 1.1 und USB 2.0 einschließen. Mit der Einführung von USB 3.1 wurde nicht nur die Datenrate erhöht, sondern die Schnittstelle elektrisch neu definiert. Die für den Anwender sichtbare Änderung liegt in dem neuen Stecker. Der Typ A, der in PCs verbaut ist, ist äußerlich unverändert, hat USB 1, 2 oder 3? Die Nomenklatur bei USB ist doppelt: es sind sowohl Revisionen, Generationen als auch Geschwindigkeitsklassen benannt. Die Verwirrung wird bei der letzten Version 3.x komplett: Durch Umbenennung bezeichnen zwei Varianten dasselbe. Die Tabelle unten zeigt die Unterschiede. Jede höhere Klasse schließt nach USB-Standard die tieferen mit ein (Abwärtskompatibilität) 18 PC & Industrie 1-2/2020

Kommunikation Bild 2: USB 2.0- und 3.0-Kanäle im Vergleich aber weitere Kontakte. Der physikalische USB-Kanal unterscheidet zwischen 2.0 einerseits und 3.1 andererseits. USB 2.0 verwendet vier Leitungen, nämlich eine Versorgungsleitung mit 5 V, GND als Referenz dazu, und zwei differentiell angesteuerte Datenleitungen D+ und D-. Die Kommunikation findet über die beiden Datenleitungen statt und kann halb-duplex immer nur abwechselnd in der einen oder in der anderen Richtung erfolgen. Dies limitiert die maximal nutzbare Übertragungsbandbreite. USB 3.1 vermeidet diese Beschränkung, indem für beide Übertragungsrichtungen separate differentielle Kanäle verwendet werden. Bild 2 zeigt die Unterschiede, wobei SS für die neue Geschwindigkeit „Super Speed“ steht. Die weitaus höhere Bandbreite lässt Raum für viele gleichzeitig angeschlossene Peripheriegeräte. Hohe Bandbreite Mit USB 3.1 steht ein Protokoll auf einer physikalisch wohl definierten Schnittstelle zur Verfügung, deren hohe Bandbreite ermöglicht, außer den Signalen des Universellen Seriellen Busses (USB) noch weitere Signale zu übertragen. Der USB Type-C „DisplayPort Alt Mode“ ist ein Beispiel dafür. CATx-Kabel, die die Verbindung zwischen LEX und REX herstellen, sind in vielen Ausführungen verfügbar, so dass bei gleicher elektrischer Spezifikation z. B. Kabel mit ölbeständigem Mantel oder besonders robuster mechanischer Ausführung für den Betrieb in Schleppketten verwendet werden können. Icron USB-Extender Plattform „Maverick“ Die Herausforderungen für einen Extender liegen in der Verarbeitung der Signale hoher Bandbreite und der gleichzeitigen Implementierung der USB 2.0 und USB 3.1-Interfaces. Die Maverick-Plattform, die auf der ExtremeUSB-Technologie basiert, nutzt die volle Bandbreite von 10 GBit/s (Gbps) aus. 5 Gbps davon werden für die USB 3.1 Super- Speed-Übertragung verwendet, die restlichen 5 Gbps stehen zur Verfügung, um gleichzeitig ein Video- Signal zu übertragen. Ebenso wie USB 3.1 können Videosignale hoher Bandbreite nur über kurze Distanzen übertragen werden. Maverick setzt eine ähnliche Technologie wie USB Type-C im Alt Mode ein: Auf der Host-Seite werden Signale separat eingespeist, elektrisch gemultiplext, über den gemeinsamen Kanal übertragen, und auf der Device-Seite wieder aufgetrennt. Maverick verlängert DisplayPort 1.2a-Signale mit bis zu 4k Auflösung bei 60 Hz ohne Chroma- Sub sampling. Das Audio-Signal ist bereits im DisplayPort integriert. Damit das Grafiksignal, das bei der genannten Auflösung eine höhere Bandbreite als die zur Verfügung stehende benötigt, übertragen werden kann, wird es nach dem von der TICO Alliance ins Leben gerufenen Algorithmus visuell verlustfrei komprimiert. Untersuchungen zeigen, dass dieser Standard selbst den strengen Anforderungen der Medizintechnik genügt. Das USB- Interface ist zu USB 3.1 Gen. 1 Bild 3: Typische Situation mit abgesetztem HMI PC & Industrie 1-2/2020 19

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel