Десять фактов о USB 3.0 и USB 2.0

USB 3.0 уже рядом! После продолжительных задержек и шумной рекламы нового стандарта, он наконец стал доступен (или скоро будет доступен) в новых материнских платах ASUS и Gigabyte. Кроме того, ASUS анонсировал карту PCIe x4 с поддержкой USB 3.0, совместимую с платами серии P55 после обновления BIOS. Компания Dane-Elec тоже представила карту расширения и семейство внешних твердотельных дисков SuperSpeed SSD, но стоить они будут недешево.

Есть и плохие новости: Intel намеревается реализовать поддержку USB 3.0 в своих чипсетах не раньше 2011 года. Такие же планы и у AMD, а значит, до тех пор USB 3.0 вряд ли получит массовое распространение.

Нынешние версии Windows новый стандарт не поддерживают, но эта проблема будет решена с выходом нового пакета обновлений для Windows Vista и Windows 7. Ядро Linux поддерживает USB 3.0 начиная с версии 2.6.31.

А пока, в ожидании окончательного распространения нового стандарта, пришла пора сравнить предыдущую версию USB с новой.

Примечание: я постарался проверить достоверность этой информации, но спецификации USB — сложная тема. Если вы найдете в этой статье какие-либо ошибки или вам известны дополнительные сведения — поделитесь ими в комментариях! Все приведенные в этой статье примеры рассматриваются на основе Windows 7.

1. Даты публикации стандартов USB

Протокол USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) был разработан в качестве альтернативы протоколам последовательной и параллельной передачи данных. Стандарт USB 1.0 вступил в действие в январе 1996 года. Как видно из табл. A, с тех пор и до публикации стандарта USB 2.0 прошло довольно много времени.

2. Новое в стандарте USB 3.0

Стандарт USB 3.0 — одно из самых долгожданных и значимых нововведений в компьютерном мире. Вот лишь некоторые из реализованных в нем изменений:

• SuperSpeed — повышенная скорость передачи сигнала на уровне 5 Гбит/с (625 Мбайт/с);
• двухшинная архитектура — шина Low-Speed/Full-Speed/High-Speed плюс шина SuperSpeed;
• асинхронная передача данных вместо передачи данных по запросу;
• двойная симплексная передача данных в двух направлениях одновременно для обеспечения скорости SuperSpeed вместо полудуплексной однонаправленной передачи данных;
• поддержка потоковой передачи данных;
• технология Sync-N-Go для быстрой передачи данных;
• поддержка более высоких мощностей электропитания;
• улучшенная система управления питанием.

3. Low-Speed, Full-Speed, High-Speed и SuperSpeed — различия

Для протокола USB предусмотрены четыре типа скоростей передачи данных, которые не следует путать с четырьмя версиями самого протокола. В каждой последующей версии стандарта USB вводилась новая скорость передачи данных при поддержке всех предыдущих. В табл. B перечислены типы скоростей, поддерживаемые четырьмя версиями протокола USB.

В таблице C показаны максимальные значения четырех типов скоростей.

Стоит отметить, что далеко не всегда устройства USB 2.0 обеспечивают передачу данных на скоростях High-Speed — для некоторых максимальная скорость остается на уровне Full-Speed.

Стандарт USB 3.0, помимо SuperSpeed, поддерживает и три предыдущих типа скоростей, поскольку не заменяет собой стандарт USB 2.0, а ссылается на него. Устройства Low-Speed, Full-Speed и High-Speed соответствуют стандарту USB 2.0, но не соответствуют USB 3.0, поэтому устройства USB High-Speed нельзя обозначать как устройства USB 3.0. Для каждого типа скоростей организация USB Implementers Forum (USB-IF) разработала соответствующий логотип, по которому можно определить, какому стандарту USB соответствует устройство.

Узнать, поддерживает ли устройство USB 2.0 тип скорости High-Speed, можно с помощью Диспетчера устройств Windows (Device Manager) (рис. A), хотя это не самый удобный способ: чтобы найти нужное устройство, придется перепробовать несколько корневых USB-концентраторов.

Откройте Диспетчер устройств и разверните узел «Контроллеры универсальной последовательной шины USB». Откройте окно свойств корневого USB-концентратора (для удобства начинайте с самого нижнего).

Перейдите на вкладку «Питание» (Power) (рис. B). Если устройство подключено к этому концентратору, оно появится в с разделе «Подключенные устройства» (Attached Devices). Я для примера подключил к компьютеру флеш-накопитель, который распознается как массовое запоминающее USB-устройство (USB Mass Storage Device). Обратите внимание: у корневого USB-концентратора шесть портов, один из которых и используется данным устройством.

Теперь откройте вкладку «Дополнительно» (Advanced), чтобы узнать скорость USB (рис. C). На моем компьютере первые шесть корневых концентраторов работают на скоростях Low-Speed и Full-Speed, а два последних — на скоростях High-Speed.

4. Реальная пропускная способность

Реальная пропускная способность USB-устройств обычно оказывается гораздо ниже, чем максимальная скорость, заявленная стандартом USB, и зависит от целого ряда переменных факторов, включая служебные. На практике пропускная способность составляет 35-30 Мбайт/с для USB 2.0, 400 Мбайт/с и выше для USB 3.0. Компания NEC недавно представила свой новый контроллер USB 3.0, обеспечивающий передачу 500 Мбайт данных за 4,4 секунды на скорости «всего» 113,6 Мбайт/с. А на конференции Intel Developer Forum в сентябре 2009 года Symwave и MCCI продемонстрировали контроллеры с пропускной способностью свыше 270 Мбайт/с (по их собственным утверждениям).

Из всего вышесказанного следует, что в ближайшее время не стоит рассчитывать на появление устройств SuperSpeed, обеспечивающих реальную пропускную способность на уровне 400 Мбайт/с.

У меня есть USB флеш-накопитель со скоростью чтения и записи 26 Мбайт/с и 6,6 Мбайт/с, соответственно. Эти цифры вполне типичны для флешек 2009 года выпуска и вписываются в спецификации High-Speed. Тем не менее, в обозримом будущем нас ждут накопители USB 3.0 с пропускной способностью на уровне SuperSpeed.

Большинство современных жестких дисков обеспечивает передачу данных на скоростях свыше 40 Мбайт/с. USB 3.0 придется по вкусу тем, кому приходится часто осуществлять резервное копирование данных на внешний жесткий или твердотельный диск, а также владельцам USB-устройств, используемых для обработки больших объемов данных.

5. Максимальная длина кабеля

Когда я работал в компании Hughes Aircraft, мне постоянно приходилось изыскивать способы экономии средств, и с этой целью я предложил своему начальнику, который сидел в смежном с моим кабинете, пользоваться одним принтером на двоих. Но при печати по длинному параллельному кабелю символы то и дело путались из-за потери и повреждения данных. У USB-кабелей есть такой же недостаток, но к счастью, его можно устранить.
В табл. D показана максимально допустимая длина одного кабеля и суммарная длина для всех версий USB.

* Максимально допустимая длина кабеля в спецификациях USB 3.0 не указана, но рекомендуется не более 3 метров.

Для достижения максимальной суммарной длины допустимо соединение шести кабелей с помощью пяти концентраторов. На практике кабель самого USB-устройства учитывается как один из этих шести, уменьшая тем самым максимальную суммарную длину.

Если пятиметрового кабеля USB 2.0 не хватает, можно купить несколько USB-концентраторов или специальных кабелей. Существует две разновидности концентраторов — с электропитанием и без него. Для устройств высокой мощности, скорее всего, понадобится концентратор с электропитанием.

Увеличить максимальную суммарную длину можно за счет кабелей повторителей и удлинителей CAT5 для устройств USB 1.0, USB 1.1 и USB 2.0. Существует также специальная категория кабелей USB 3.0 с особыми схемами, позволяющими увеличить длину кабеля до 6 метров. Для достижения суммарной длины свыше 30 метров на сайте USB-IF рекомендуется использовать мост USB.

В спецификациях USB 2.0 указывается, что кабель Full-Speed/High-Speed должен состоять из четырех проводов в общей наружной оплетке — два для передачи данных, два для электропитания. Стандарт USB 3.0 предусматривает использование десяти проводов в общей оплетке. Два провода отвечают за подачу питания, одна неэкранированная витая пара (UTP) — за передачу данных на скоростях High-Speed и ниже для обеспечения обратной совместимости.

Помимо этого, в кабеле присутствуют две экранированных дифференциальных пары (SDP). Каждая состоит из трех проводов, два для передачи сигнала, один дренажный. Эти пары отвечают за передачу данных на скоростях SuperSpeed в двух направлениях одновременно.

6. Питание

Одно из самых существенных преимуществ стандарта USB по сравнению с последовательным и параллельным протоколами заключается в том, что он отвечает не только за обмен данными, но и за подачу питания. Устройство, подключенное по USB, может питаться прямо от компьютера.

Узнать требования USB-устройства к электропитанию можно с помощью Диспетчера устройств. Для этого разверните узел «Контроллеры универсальной последовательной шины USB», нажмите правой кнопкой мыши на общем USB-концентраторе, как в этом примере, или на корневом USB-концентраторе (рис. B), выберите пункт меню «Свойства» (Properties) и откройте вкладку «Питание» (Power) (рис. D).

Стандарт USB 3.0 позволяет работать с устройствами повышенной мощности. В табл. E показана максимальная сила тока на порт в миллиамперах.

Всего в стандарте предусмотрено четыре типа питания для разных устройств и состояний. В спецификациях USB 3.0 описывается больше типов питания, в том числе в режиме простоя и сна. Подробнее о USB-концентраторах и электропитании рассказывается в статье Грега Шульца «Использование топологии USB в Windows XP» (Greg Shultz, Understand and exploit USB topology in Windows XP).

7. Ограничения

Некоторые ограничения протокола USB уже упоминались выше:

• ограниченная скорость передачи данных;
• расхождение максимальной скорости передачи данных и реальной пропускной способности;
• ограниченная длина и количество кабелей;
• ограниченная мощность питания.

Существуют и другие ограничения, которые тоже следует учитывать. Так, к одному контроллеру USB можно подключить не более 127 устройств (хотя для большинства пользователей это, конечно, не проблема).

Каждый хост-контроллер USB 2.0 с усовершенствованным интерфейсом (Enhanced Host Controller Interface, EHCI) имеет максимальную пропускную способность 60 Мбайт/с. Эта пропускная способность распределяется между всеми подключенными к контроллеру устройствами USB High-Speed. Если одновременно используется, к примеру, два устройства High-Speed, допустим, цифровая видеокамера и внешний жесткий диск, устройство, подключенное последним, будет передавать данные на меньшей скорости, иначе возникнет ошибка превышения полосы пропускания. Если компьютер оснащен двумя хост-контроллерами EHCI, решить проблему можно, подключив одно из устройств High-Speed к другому USB-порту. В Википедии приводится список контроллеров-концентраторов ввода-вывода (I/O Controller Hub) с двумя и более хост-контроллерами EHCI.

Узнать, как распределяется пропускная способность между устройствами USB в Windows Vista и выше можно с помощью Диспетчера устройств. Вот что об этом говорится в статье, опубликованной на сайте MSDN:

«Начиная с Windows Vista и выше, Диспетчер устройств позволяет узнать, как распределяется пропускная способность контроллера USB между устройствами. Эти сведения содержатся на вкладке “Дополнительно” в окне свойств контроллера. Здесь, однако, не указывается, какая доля пропускной способности выделена концентраторами USB на преобразование операции. В Windows XP получить сведения о распределении пропускной способности с помощью Диспетчера устройств невозможно».

На рис. E показано, что на три подключенных устройства USB приходится 4% от общей пропускной способности главного хост-контроллера. Цифровая камера Fujifilm FinePix S700 представляет собой устройство USB Full-Speed и поэтому подключена к одному из главных хост-контроллеров, а не EHCI. В спецификациях USB определяются четыре типа передачи данных: управление, прерывание, изохронная передача и массовая передача. 10% пропускной способности, зарезервированных под системные нужды, как показано на рис. E, отведены на управление и массовую передачу данных. Изменить этот показатель нельзя.

При загрузке системы и подключении USB происходит процесс перечисления. Система распознает устройство, определяет его скорость и присваивает ему уникальный адрес. Устройства, передающие данные в режиме прерывания или в изохронном режиме, заранее запрашивают определенную долю доступной пропускной способности для ее дальнейшего использования. Если пропускная способность доступна, она выделяется устройству, и это указывается на вкладке «Дополнительно».

Совет: не стоит искать сведения о пропускной способности, выделенной для массовых запоминающих устройств типа флеш-накопителей. Они обычно осуществляют передачу данных в массовом режиме и не отображаются на вкладке «Дополнительно».

Устройства, передающие данные в массовом режиме, могут использовать всю пропускную способность, оставшуюся после резервирования определенного процента под нужды системы. Однако данные в столбце «Используемая пропускная способность» (Bandwidth Used) не совсем корректны. Пропускная способность распределена и зарезервирована, но может и не использоваться в данный момент.

Как видно из рис. F, ICH9R Southbridge поддерживает шесть главных хост-контроллеров с расширенным интерфейсом (Universal Host Controller Interface, UHCI) и два хост-контроллера с усовершенствованным интерфейсом (EHCI). В других компьютерах контроллеров может быть больше или меньше. Всего ICH9R поддерживает 12 портов USB. Шесть контроллеров UHCI работают на скоростях Low-Speed и Full-Speed, и на каждый из них приходится по два порта USB. Два контроллера EHCI работают на скоростях High-Speed и на каждый из них приходится шесть портов USB. На вкладке «Дополнительно» видно, что каждый из контроллеров EHCI зарезервировано по 20% пропускной способности для операций управления и массовой передачи данных.

Примечание: существует еще один тип хост-контроллеров, не показанный на этих рисунках — с открытым интерфейсом (Open Host Controller Interface, OHCI). Он поддерживает устройства Low-Speed и Full-Speed. Предусмотрен также новый стандарт для хост-контроллеров SuperSpeed от Intel — с расширяемым интерфейсом (Extensible Host Controller Interface, xHCI).

8. Типы коннекторов и приемников

Существует несколько типов коннекторов и приемников USB 3.0:

• коннектор и приемник Standard-A;
• коннектор и приемник Standard-B;
• коннектор и приемник Powered-B (впервые появились в стандарте USB 3.0);
• приемник Micro-AB;
• коннектор Micro-A;
• коннектор и приемник Micro-B.

Матрица в табл. F показывает, какие типы коннекторов USB 2.0 и USB 3.0 совместимы с приемниками USB 2.0 и USB 3.0. Стоит учитывать, что согласно таблице 5.1 спецификаций USB 3.0, единственный коннектор USB 3.0, совместимый с приемником USB 2.0, — это Standard-A.

Для дополнительных контактов, предусматриваемых стандартом USB 3.0, была разработана новая многоуровневая система соединений. Коннектор Standard-A немного удлинился, а приемник стал немного глубже. Специально для обмена данными и заземления на скоростях SuperSpeed в коннектор и приемник Standard-A добавлено пять дополнительных контактов.

В спецификациях USB 3.0 рекомендуется отмечать коннекторы и приемники USB 3.0 Standard-A синим цветом, чтобы отличать их от коннекторов и приемников USB 2.0 Standard-A.

Стандарт USB 3.0 также предусматривает использование коннекторов и приемников нового типа — USB 3.0 Powered-B. Они аналогичны коннекторам и приемникам USB 3.0 Standard-B, но имеют два дополнительных контакта для проводов питания и заземления. Такая схема обеспечивает питание устройств USB без дополнительных источников электроэнергии. Приемник USB 3.0 Powered-B совместим и с коннекторами Standard-B, и с коннекторами Powered-B.

Коннекторы и приемники семейства Micro предназначены для портативных устройств. Они имеют более сложную конструкцию, чем Standard-A, и включают в себя по два коннектора и приемника одновременно — один для USB 2.0, другой для USB 3.0.

9. «Горячая» замена и повреждение данных

В статье, посвященной USB, конечно же, нельзя обойти вниманием проблему повреждения данных, которая возникает при неправильном отключении пишущего устройства USB. Чтобы этого избежать:

• отключите кэширование с обратной записью;
• обращайте внимание на индикатор устройства;
• используйте функцию безопасного удаления/извлечения устройства.

Чтобы убедиться, что кэширование с обратной записью отключено, запустите Диспетчер устройств, нажмите на нужном устройстве правой кнопкой мыши и выберите пункт «Свойства» (рис. G). В этом примере я проверяю флеш-накопитель SanDisk Cruzer.

Откройте вкладку «Политики» (Policies) (рис. H) и убедитесь, что опция «Быстрое удаление (по умолчанию)» (Quick Removal (Default)) включена. Это позволяет снизить риск повреждения данных.

Работая с устройствами USB, обращайте внимание на индикаторы. У многих устройств они мигают при передаче данных. Не отключайте устройство до тех пор, пока мигание не прекратится.

Обязательно используйте функцию безопасного удаления/извлечения устройства. В Windows 7 для этого нажмите на стрелке в области уведомлений и щелкните по значку USB (рис. I).

После этого выберите устройство, которое хотите извлечь, — в моем примере это Cruzer Micro (рис. J).

После появления сообщения о том, что устройство можно безопасно извлечь, флешку можно отключить (рис. K).

Есть и другой, менее распространенный способ безопасного извлечения USB-накопителей. Откройте Проводник (Explorer), нажмите правой кнопкой мыши на логическом диске, соответствующем подключенному устройству, и выберите опцию «Извлечь» (Eject) (рис. L). Стоит, однако, учитывать, что для некоторых устройств требуется извлекать сразу несколько логических дисков.

Похожие новости

1. Кардридер USB 3.0 P240 от Pretec