USB 3.0 na horyzoncie

Publikacja dokumentów opisujących standard USB 3.0, która miała miejsce w minionym tygodniu, to zwiastun dość odległych zmian. Jeszcze przez wiele miesięcy będziemy czekać na pierwsze urządzenia, kable, kontrolery i systemy operacyjne obsługujące nową wersję protokołu komunikacyjnego. Warto jednak wiedzieć, co zostało tym razem ulepszone i jaka była geneza zmian - nieco historii i opis nowości znajdziecie w dalszej części tekstu.

Dawno, dawno temu, gdy nie było jeszcze standardu USB, życie właścicieli pecetów było znacznie trudniejsze. Klawiatury podłączało się do gniazda typu DIN, myszkę do portu szeregowego, drukarkę do portu równoległego. Trudniej było ze skanerem - zazwyczaj konieczna była instalacja karty rozszerzeń z kontrolerem SCSI. Prawdziwe problemy zaczynały się, gdy przyszło do podłączenia drugiej drukarki, modemu, karty sieciowej, muzycznej czy tunera TV. Nie chodzi nawet o to, że brakowało wolnych gniazd odpowiedniego typu - wyzwaniem było samo znalezienie takiej kombinacji ustawienia mikroprzełączników na kartach, ułożenia tychże kart w gniazdach i przydzielenia w BIOSie przerwań i adresów, by po uruchomieniu systemu urządzenia zechciały razem działać. Oczywiście zabronione było podłączanie jakichkolwiek wtyczek w trakcie pracy komputera, więc przy każdej zmianie konfiguracji trzeba było wszystko wyłączać.

Taki stan rzeczy był zrozumiały u zarania komputeryzacji, lecz nie mógł trwać w nieskończoność. Potrzebny był jeden uniwersalny standard złącza, który pozwoliłoby na automatyczne rozpoznawanie urządzeń, dopuszczał odłączanie urządzeń w trakcie pracy i umożliwiał (w pewnych granicach) zasilanie tychże urządzeń.

W odpowiedzi na takie zapotrzebowanie opracowano specyfikację Uniwersalnej Magistrali Szeregowej czyli USB. W skład grupy roboczej weszli tacy potentaci sprzętu i oprogramowania, jak Intel, Compaq, Microsoft czy IBM. Wersja 1.0 zadebiutowała w roku 1996, dwa lata później wdrożono nieznacznie ulepszoną wersję 1.1. Nowy standard z miejsca zyskał bardzo dużą popularność, bo pozwalał zupełnemu laikowi na podłączenie urządzenia peryferyjnego, które od razu zaczynało działać. Dziś wydaje się to normalne, wówczas było osiągnięciem przełomowym. Choć jeszcze przez kilka lat USB "docierał się" w świecie komputerów PC (np. musiało minąć trochę czasu, zanim klawiatury USB zaczęły być obsługiwane w BIOSasch), to dziś jest standardem dojrzałym i wszechobecnym.

Jedynym poważnym ograniczeniem standardu USB 1.1 była niezbyt duża przepustowość, sięgająca 12 Mbps (do 1.5 MB/s). Wystarczała ona ze sporym zapasem do obsługi klawiatury, myszy czy modemu, jednak w przypadku komunikacji z drukarką przewagę miał nadal interfejs równoległy (do 2 MB/s). Wąskie gardło dawało się we znaki np. przy komunikacji ze skanerem, gdzie objętość przesyłanych danych liczona była w dziesiątkach megabajtów.

W kwietniu 2000 roku zadebiutował standard USB 2.0, o którego klasie i możliwościach najlepiej świadczy to, że przetrwał na dynamicznie rozwijającym się rynku aż 8 lat. Najważniejszą zmianą było czterdziestokrotne zwiększenie przepustowości łącza, które teraz pozwalało przesłać do 480 Mbit/s (60 MB/s, tzw. Hi-Speed). Równie ważna była jednak dwukierunkowa zgodność z poprzednią wersją standardu: starsze urządzenia działały z nowymi kontrolerami, nowe urządzenia działały ze starymi kontrolerami (choć oczywiście wolniej). Rozmiary ani układ wyprowadeń we wtyczkach i gniazdkach nie zmieniły się, co znakomicie umocniło pozycję USB jako złącza działającego w każdej sytuacji. Ponieważ USB od wersji 2.0 pozwala czerpać z kontrolera prąd 500mA, większa gama urządzeń może być zasilana wyłącznie z portu komunikacyjnego - dobrym przykładem są przenośne dyski twarde.

Ponieważ złącze USB jest zawsze pod ręką, producenci telefonów komórkowych zaczęli wyposażać swoje produkty w gniazdo USB służące do ładowania akumulatora. Problemem okazał się fakt, że kontroler USB dostarcza prąd o natężeniu 0.5A i napięciu 5V, wskutek czego czas ładowania jest dość długi. W przypadku użycia wielu urządzeń naraz lub podłączenia huba bez własnego zasilania, prąd może zostać ograniczony do 100 mA. Innym problemem, który narastał powoli i dopiero niedawno stał się uciążliwy, jest ograniczona przepustowość USB - współczesne dyski twarde czytają dane z prędkością przekraczającą 100 MB/s, włożone do przenośnej ramki USB pracują znacznie wolniej niż by mogły.

Nowości w standardzie USB 3.0

Na początek dobra wiadomość - fizyczna kompatybilność starych i nowych gniazd i wtyczek została zachowana. Oznacza to, że każda wersja kontrolera zadziała z każdym urządzeniem, choć oczywiście nie zawsze z optymalną wydajnością. Tym razem jednak nie obyło się bez pewnych modyfikacji, koniecznych z punktu widzenia techniki. W standardzie USB 3.0 kabel mieści cztery skręcone pary drutów sygnałowych (dawniej dwa), nowe złącza wyprowadzone są w głębi wtyczki. Gniazda USB 3.0 dysponują "językiem" z odpowiednimi konektorami, które nie będą przeszkadzać w podłączeniu starszego urządzenia. Specyfikacja zaleca, by gniazda USB i wtyczki 3.0 były produkowane w kolorze niebieskim, co w przyszłości ułatwi znalezienie kompatybilnego kontrolera.

Zmiana wyglądu gniazda idzie oczywiście w parze ze znacznie większą przepustowością, która ma docelowo osiągnąć 5 Gbps (około 625 MB/s, Super-Speed). Choć obecnie wartość ta wydaje się iście kosmiczna, to można się spodziewać, że pamięci masowe SSD (oparte na kościach flash) pokonają ten dystans bardzo szybko. Warto spostrzec, że złącze SATA przesyła maksymalnie 300 MB/s, lecz w opracowaniu jest już wersja dwukrotnie szybsza. Tak wielkie prędkości transferu przydadzą się np. w zastosowaniach bazodanowych.

Kolejną modyfikacją jest zwiększona moc zasilania - teraz urządzenie USB 3.0 pracujące z odpowiednim kontrolerem będzie w stanie wynegocjować (zależnie od lokalnych warunków) nawet do 900 mA, co pozwoli zrezygnować z zewnętrznego zasilacza kolejnej grupie urządzeń peryferyjnych. Wprowadzono też schematy zasilania, pozwalające zarządzać poborem mocy i aktywnymi funkcjami zależnie od stanu komputera i dyspozycji operatora. Pobór mocy przez sam kontroler także może być niższy, głównie z powodu zmiany metody sygnalizacji transferu danych - obecnie urządzenie aktywnie powiadamia o swoich potrzebach, dawniej kontroler musiał sam regularnie odpytywać podłączone sprzęty o ich zapotrzebowanie na transfer danych.

Można spodziewać się, że standard USB 3.0 jako pierwsi wdrożą producenci przenośnych pamięci masowych, bo w pozostałych kategoriach sprzętu zapotrzebowanie na przepustowość łącza nie jest aż tak krytyczne. Z całą pewnością jednak standard USB 3.0 czeka świetlana przyszłość, tym bardziej, że FireWire (IEEE 1394), jedyny standard zdolny nawiązać walkę z USB, traci na rzecz tego ostatniego coraz większą część rynku.