MODERNÍ DATOVÁ ROZHRANÍ IVAN PRAVDA
Název díla: Moderní datová rozhraní Autor: Ivan Pravda Vydalo: České vysoké učení techncké v Praze Fakulta elektrotechncká Kontaktní adresa: Techncká 2, Praha 6 Tel.: +420 224352084 Tsk: (pouze elektroncky) Počet stran: 36 Edce (vydání): plotní verze TechPeda European Vrtual Learnng Platform for Electrcal and Informaton Engneerng http://www.techpeda.eu Tento projekt byl realzován za fnanční podpory Evropské une. Za obsah publkací odpovídá výlučně autor. Publkace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komse a Evropská komse neodpovídá za použtí nformací, jež jsou jejch obsahem.
VYSVĚTLIVKY E=m c 2 Defnce Zajímavost Poznámka Příklad Shrnutí Výhody Nevýhody
ANOTACE Nová verze rozhraní USB 3.0, jejíž standardy byly vydány v lstopadu 2008, doznala oprot předchozí verz (2.0) značných vylepšení. Hlavním přednostm nového rozhraní jsou vysoká rychlost až 5 Gbt/s, rozšířené možnost řízení spotřeby sběrnce a zpětná kompatblta s předchozím verzem. Velm perspektvním a konkurence schopným rozhraním se v současnost jeví technologe Thunderbolt, kombnující vlastnost rozhraní PCI-Express a Dsplay Port. Zajímavé je srovnání právě s rozhraním USB 3.0. CÍLE Student se seznámí se základním prncpy a vlastnostm perspektvních rozhraní USB 3.0 a Thunderbolt. Získá znalost způsobu fungování rozhraní prostřednctvím popsu jednotlvých vrstev jejch modelů. Hlavní důraz je kladen na protokolovou vrstvu. Modul také popsuje rozdíly oprot předchozím verzím rozhraní a zpětnou kompatbltu s nm. LITERATURA [1] HP, Intel, Mcrosoft, NEC, ST-Ercsson, Texas Instruments. Unversal Seral Bus 3.0 Specfcaton [onlne]. 2011, 2011-01-05 [ct. 2012-01-06]. Dostupné z: http://www.usb.org/. 531 stran. [2] INTEL CORPORATION. Thunderbolt Technology [onlne]. Intel corp., 2011. [2013-01-16]. Dostupné z: http://download.ntel.com/newsroom/kts/research/2011/pdfs/intelthunderbolt_overve w.pdf [3] Martínek, T.: Archtektura sběrnc PCI, PCI-X a PCI Express. [onlne]. [2013-04-03]. Dostupné z: http://www.europen.cz/proceedngs/35/pc.pdf [4] Thunderbolt Technology Communty [onlne]. Intel corp. (2013) [2013-01-27] Dostupné z: https://thunderbolttechnology.net/
Obsah 1 Přehled perspektvních vysokorychlostních datových rozhraní... 6 2 Rozhraní USB 3.0 SuperSpeed... 8 2.1 Úvod do problematky... 8 2.2 Základní vlastnost rozhraní USB 3.0... 10 2.3 Archtektura rozhraní USB 3.0... 11 2.4 Modely datových přenosů... 13 2.5 Shlukový přenos dat (Burstng)... 14 2.6 Pakety rozhraní USB SuperSpeed... 16 2.7 Typy datových přenosů... 17 2.8 Konektory rozhraní USB 3.0... 19 2.9 Kabeláž rozhraní USB 3.0... 21 2.10 Možnost napájení... 23 2.11 Inventarzace sběrnce... 25 2.12 Koncové zařízení USB 3.0... 26 2.13 Rozbočovač rozhraní USB 3.0... 27 2.14 Možnost využtí rozhraní USB 3.0... 28 3 Rozhraní Thunderbolt... 29 3.1 Charakterstky rozhraní... 29 3.2 Archtektura rozhraní... 31 3.3 Přenos dat... 34
1 Přehled perspektvních vysokorychlostních datových rozhraní Datová rozhraní se dají podle fyzckých médí, která přenášejí data mez hosttelem a přpojeným zařízením, rozdělt do několka kategorí. Nejpoužívanějším kategorem jsou: metalcká rozhraní, optcká rozhraní, a bezdrátová rozhraní. Každé z výše uvedených typů rozhraní má své klady a zápory, jež určují převládající způsob jejch využívání. Obecně se dá říc, že hlavním parametry př výběru typu rozhraní jsou cena (výhoda metalckých rozhraní), rychlost (výhoda optckých rozhraní) a moblta (výhoda bezdrátových rozhraní). Rozhraní USB patří mez metalcká rozhraní a je jedním z nejrozšířenějších hlavně díky své nízké ceně a vysoké rychlost. Jeho hlavní konkurent, rozhraní Frewre nkdy nedosáhlo takového rozšíření, především kvůl vyšší ceně př obdobné rychlost. V dnešní době se jako nejvážnější konkurence pro rozhraní USB 3.0 jeví rozhraní Thunderbolt, v nynější verz metalcké, nabízející vyšší přenosové rychlost př menší rež a šrší možnost vývoje do budoucna (počítá se totž s optckou verzí). Rozhraní Thunderbolt je v podstatě externí varantou sběrnce PCI Express a jž nyní je využto v několka produktech frmy Apple (např. pro přpojení montorů). Výhody rozhraní Bluetooth tkví především v mobltě přpojených účastníků a v rychlost jeho mplementace. Jelkož se jedná o bezdrátové rozhraní, jsou často zmňovány právě tyto dva benefty v porovnání s klasckým pevným rozhraním. 6
Srovnání parametrů vybraných typů současných rozhraní Rozhraní Přenosová rychlost Dosah Typ rozhraní USB 3.0 Až 5 Gbt/s cca 3 m Metalcké USB 2.0 Až 480 Mbt/s 5 m Metalcké Frewre 800 Až 3,2 Gbt/s 10 m Metalcké Thunderbolt Až 10 Gbt/s 3 m Metalcké/Optcké Bluetooth 2.0 Až 3 Mbt/s Základní 10 m Bezdrátové HDMI 1.4 Až 10,2 Gbt/s vdeo cca 10m Metalcké W-F (802.11n) Až 600 Mbt/s Stovky m Bezdrátové PCI Express 3.0 Až 256 Gbt/s pro 16xlnk - Metalcké esata Až 3 Gbt/s 2 m Metalcké 7
2 Rozhraní USB 3.0 SuperSpeed 2.1 Úvod do problematky E=m c 2 Rozhraní USB (Unversal Seral Bus) je sérové rozhraní typu sběrnce. Mez jeho klíčové přednost patří především: nízká cena, relatvně vysoká přenosová rychlost (závslé na konkrétní specfkac), plná podpora přenosu audo a vdeo dat přenášených v reálném čase, dynamcká rozšřtelnost (podpora Plug&Play, tj. bez restartu zařízení a nstalace ovladačů) a přenos napájení po sběrnc (stejnosměrné napájení 5 V, odběr až 100 ma (max. 500 ma)). Všechna zařízení přpojená na rozhraní USB mez sebou sdílí celou šířku přenosového pásma. Samotná sběrnce USB je pak řízena jedním centrálním zařízením (Host Root HUB), které koordnuje vysílání a příjem dat, resp. součnnost ostatních USB zařízení. V cestě mez řídcím (centrálním) zařízením USB a jakýmkolv jným USB zařízením může být maxmálně pět rozbočovačů (HUB). Maxmální délka kabelu mez dvěma USB zařízením je omezena na 5 metrů. Topologe klascké sběrnce USB 8
Jednotlvá USB zařízení na sběrnc jednoznačně dentfkuje tzv. USB adresa, která je přdělena hned po přpojení zařízení k danému rozhraní. Na sběrnc je možné přpojt až 127 zařízení. Rychlostní režmy přenosu dat extrarychlostní režm přenosu dat (Super Speed) rychlost až 4,8 Gbt/s, specfkace USB 3.0 vysokorychlostní režm přenosu dat (Hgh Speed) rychlost až 480 Mbt/s, specfkace USB 2.0 plněrychlostní režm přenosu dat (Full Speed) rychlost až 12 Mbt/s, specfkace USB 1.1 nízkorychlostní režm přenosu dat (Low Speed) rychlost až 1,5 Mbt/s, specfkace USB 1.1 Jednotlvé typy USB zařízení rozbočovač USB (USB HUB) slouží k rozšíření (prodloužení) sběrnce USB koncové zařízení USB zařízení využívající vlastní funkconalty rozhraní USB pro přenos dat, resp. výměnu nformací. 9
2.2 Základní vlastnost rozhraní USB 3.0 Nová verze rozhraní USB 3.0, nazvaná SuperSpeed, byla vytvořena v lstopadu 2008. Její zavedení do praxe ovšem zabralo téměř tř roky. Rozhraní USB 3.0 je následovník rozhraní USB verze 2.0 a má mnoho společných vlastností s předchozím verzem rozhraní USB, neboť jedním z hlavních požadavků př jeho vývoj byla zpětná kompatblta. Jaké tedy nová verze USB nabízí výhody oprot předchozím verzím? vyšší přenosová rychlost až 5 Gbt/s plná zpětná kompatblta (s výjmkou některých konektorů) rozšířené možnost řízení spotřeby až 80% nárůst možného odběru energe ze sběrnce pakety jsou po sběrnc směrovány (tj. jedná se selektvní o směrování dat ke konkrétnímu zařízení dle jeho adresy) Samozřejmě nová verze rozhraní USB nemá jen výhody, avšak tyto nad nedostatky převládají. Mez hlavní nevýhody patří: zvýšení počtu vodčů v kabelu vyšší náchylnost vůč elektromagnetckému rušení EMI (Electromagnetc Interference), která souvsí s využíváním více vodčů v kabelu a vyšší modulační rychlostí některé typy konektorů omezují zpětnou kompatbltu Mluvíme-l o nové verz sběrnce USB, je nutné poznamenat, že se v podstatě jedná o vedle sebe stojící sběrnc USB 2.0 a novou sběrnc USB Superspeed. Tento fenomén je podrobněj popsán dále. Rozhraní USB ve verz 3.0 výrazně rozšřuje možnost a uplatnění předchozích verzí rozhraní USB. Od července roku 2013 je přpravována novovaná verze rozhraní USB ve verz 3.1 (USB 3.1 Gen 2). Tato verze bývá označována jako SuperSpeed+. Výhodou nové generace rozhraní USB má být jeho rychlost (až 10 Gbt/s) a snížení reže př kódování sgnálu. Rozhraní má být zpětně kompatblní s rozhraním USB 3.0, tj. lze využít zařízení a rozbočovače pro USB 3.0 a USB 2.0. 10
2.3 Archtektura rozhraní USB 3.0 Obdobně jako u rozhraní USB 2.0 jsou základním prvky archtektury hosttel, rozbočovač a koncové zařízení. Hlavní rozdíl oprot verz USB 2.0 je paralelní zapojení dvou fyzckých sběrnc, konkrétně USB 2.0 a nové USB SuperSpeed. Archtektura rozhraní USB 3.0 SuperSpeed Volbou této archtektury je vyhověno požadavku na zpětnou kompatbltu, neboť hosttel a rozbočovač umožňují současný provoz obou fyzckých sběrnc prostřednctvím kombnovaných kabelů a konektorů. Koncové zařízení pak podle svých možností využívá buď část sběrnce USB 2.0, nebo USB Superspeed. Obdobně je zachována fyzcká topologe sběrnce, resp. stromová struktura, kde se v kořen nachází hosttel, ke kterému může být přpojen větší počet koncových zařízení č rozbočovačů. Rozbočovače pak mohou dále poskytovat přpojení dalším koncovým zařízením nebo dalším rozbočovačům. 11
Srovnání USB SuperSpeed a USB 2.0 Vlastnost USB SuperSpeed USB 2.0 Datové kanály Rychlost Protokol přenosů Řízení spotřeby Napájení sběrnce dva smplexní současný obousměrný tok dat, dva vodče na směr (celkem 4) SuperSpeed 5 Gbt/s Asynchronní tok dat řízený hosttelem, směrované pakety Na úrovn spojení, zařízení a funkce, několk stavů Obdobně jako u USB 2.0, vyšší lmty (o 50 % pro nekonfgurovaná a 80 % pro konfgurovaná zařízení) poloduplexní jednosměrný tok s vyjednávanou změnou směru, dva vodče Podle režmu 1,5 480 Mbt/s Hosttel přděluje datový tok (pollng), pakety vysílány všesměrově Na úrovn spojení a zařízení, pouze stav pozastavení Nízko a vysokovýkonová zařízení, nžší lmt pro nekonfgurovaná zařízení Každé propojení mez hosttelem a zařízením (případně s rozbočovač) lze znázornt pomocí tzv. komunkačních vrstev. Na následujícím obrázku je dagram, který popsuje jednotlvé vrstvy propojení (vz řádky), jejch prvky v jednotlvých částech topologe (vz tř levé sloupce) a vlv řízení spotřeby (vz pravý sloupec). Komunkační vrstvy sběrnce SuperSpeed Rozhraní USB 3.0 je duální sběrnce (Dual Bus Archtecture), která je paralelním spojením USB 2.0 a nové sběrnce USB SuperSpeed. Díky této koncepc bude možné používat koncová zařízení USB 2.0 na řadčích USB 3.0. Na jednom koncovém zařízení však není možné používat obě sběrnce najednou. 12
2.4 Modely datových přenosů Rozhraní USB SuperSpeed přebírá modely datových přenosů od rozhraní USB 2.0. Výměna dat mez koncovým zařízením a hosttelem probíhá prostřednctvím tzv. kanálů (ppes). Datové přenosy jsou tak realzované mez koncovým bodem zařízení přdruženým k funkc a softwarem hosttele. Samozřejmě mluvíme o logckém propojení, fyzcké spojení tvoří vždy pouze jedný kabel. Kromě výchozího řídcího kanálu a koncového bodu jsou všechny kanály a koncové body vytvářeny př konfgurac zařízení a podporují jeden ze čtyř typů přenosu objemový přenos, řídcí přenos, synchronní přenos a přenos s přerušením. E=m c 2 Stejně jako u rozhraní USB 2.0 exstují dva druhy kanálů proudové kanály (nemají strukturu danou rozhraním USB) a kanály zpráv (jejch formát je defnován rozhraním USB). Model datových přenosů na USB Závěrem lze tedy konstatovat, že komunkace na sběrnc USB probíhá mez hosttelským softwarem a koncovým bodem zařízení přes tzv. vrtuální kanály. 13
2.5 Shlukový přenos dat (Burstng) Shlukový přenos dat je nová funkce USB SuperSpeed, zvyšující efektvtu přenosů odstraněním času, po který se čeká na potvrzení každého datového paketu. Každý koncový bod zařízení SuperSpeed uvádí ve svém popsovač maxmální počet paketů, které může přjmout nebo odeslat, anž by čekal na jejch potvrzení (stav). Hosttel může dynamcky měnt počet paketů ve shluku pro každou transakc podle svých potřeb (nemůže však přesáhnout maxmální velkost shluku pro daný koncový bod). V případě OUT transakcí pak hosttel omezuje velkost shluku jednoduše, př IN transakcích j nastavuje pomocí pole v potvrzovacích paketech ACK (ACKnowledge). Shlukový přenos dat je tedy funkce sběrnce SuperSpeed umožňující odeslat více datových paketů najednou, anž by se čekalo na potvrzení jejch doručení. 1. IN PŘENOSY Př IN přenosu koncové zařízení posílá data hosttel. Tyto přenosy zahajuje hosttel posláním potvrzujícího IN paketu koncovému zařízení, který je pomocí obsažených nformací směrován ke koncovému zařízení. Součástí je také nformace o očekávaném sekvenčním čísle paketu a počtu očekávaných paketů. Jako odpověď hosttel posílá koncové zařízení datové pakety s odpovídajícím sekvenčním čísly. Přestože hosttel musí potvrdt potvrzovacím ACK paketem každý přjatý datový paket, koncové zařízení může odeslat všechny vyžádané datové pakety bez čekání na jejch potvrzení. E=m c 2 SuperSpeed IN přenos se skládá s jedné nebo více IN transakcí obsahujících jeden nebo více paketů. Je ukončen, pokud byla všechna data přenosu úspěšně přjata, koncový bod odešle paket, jehož velkost je menší než maxmální pro daný koncový bod nebo koncový bod odpoví chybou. 2. OUT PŘENOSY Př OUT přenosu hosttel posílá data ke koncovému zařízení. Hosttel zahajuje OUT přenos odesláním souvslého sledu datových paketů koncovému zařízení. Každý datový paket obsahuje nformace potřebné ke směrování paketu a sekvenční číslo daného paketu. Koncové zařízení odpovídá potvrzovacím ACK paketem obsahujícím sekvenční číslo dalšího očekávaného paketu, který zároveň potvrzuje úspěšné přjetí paketu předchozího. 14
Podobně jako u IN přenosu musí koncové zařízení posílat potvrzovací ACK paket za každý přjatý datový paket, ale hosttel na tyto potvrzovaní ACK pakety nemusí čekat. E=m c 2 SuperSpeed OUT přenos se skládá z jedné nebo více OUT transakcí obsahujících jeden nebo více paketů. Je ukončen, pokud byla všechna data přenosu úspěšně odeslána, hosttel odešle paket, jehož velkost je menší než maxmální pro daný koncový bod nebo koncový bod odpoví chybou. 15
2.6 Pakety rozhraní USB SuperSpeed E=m c 2 Všechny pakety rozhraní USB SuperSpeed začínají 16-t btovým záhlavím, které může tvořt celý paket. Záhlaví paketu začíná nformací o typu paketu, která je použta ke zjštění způsobu nakládání s paketem. Záhlaví paketu je chráněno 16-t btovým kódem CRC (Cyclc Redundancy Check) a končí dvoubytovým řídcím slovem. Většna typů paketů také obsahuje směrovací nformace použté př směrování paketu od hosttele. Na rozhraní USB SuperSpeed exstují čtyř druhy paketů: paket správy spojení LMP (Lnk Management Packet) je posílán jen mez dvěma přímo spojeným porty a je určen k řízení tohoto spojení transakční paket TP (Transacton Packet) prochází všem spojením na přímé cestě mez zařízením a hosttelem, je používán k řízení toku datových paketů, konfgurac zařízení a rozbočovačů, je tvořen pouze záhlavím datový paket DP (Data Packet) taktéž prochází všem spojením na přímé cestě mez zařízením a hosttelem, má dvě část záhlaví datového paketu (podobné transakčnímu paketu) a užvatelská data datového paketu (obsahují datový blok a 32-t btový kód CRC) zochronní časovací paket ITP (Isochronous Tmestamp Packet) je paket posílaný metodou multcast na všechna spojení v aktvním stavu Rozhraní USB SuperSpeed využívá čtyř druhy paketů paket správy spojení LMP, transakční paket TP, datový paket DP a zochronní časovací paket ITP. 16
2.7 Typy datových přenosů E=m c 2 Datové přenosy jsou složeny z jedné nebo více transakcí, které jsou realzovány pomocí paketů. Jednotlvé typy datových přenosů následně odpovídají použtým typům paketů. 1. ŘÍDICÍ PŘENOS Účel a funkce řídcího přenosu je praktcky totožná s rozhraním USB 2.0, umožňuje komunkac mez softwarem hosttele a koncovým zařízením pro účely konfgurace, ovládání a zjšťování stavu. Řídcí přenos využívá kanály zpráv, každé zařízení musí podporovat výchozí řídcí kanál. Řídcí přenosy mají největší prortu na sběrnc, obdobně jako u rozhraní USB 2.0 nelze požadovat konkrétní šířku pásma. Maxmální délka užtečných dat je 512 bytů a nelze využít shlukování. 2. OBJEMOVÝ PŘENOS Stejně jako u řídcího přenosu funguje objemový přenos podobně jako na rozhraní USB 2.0. Je určen pro koncová zařízení, která potřebují přesunovat relatvně velké objemy dat. Využívá jakoukolv dostupnou šířku pásma (nízká prorta), například pro kopírování dat na externí dsk. Objemový přenos garantuje doručení dat, avšak nezaručuje šířku pásma a zpoždění. Využívá proudové kanály, takže nejsou kladeny žádné požadavky na strukturu dat. Proudové kanály jsou jednosměrné, pro obousměrný tok dat jsou potřeba dva (IN a OUT). Objemový přenos může být rozdělen na více transakcí. 3. OBJEMOVÝ PŘENOS S PROUDY (STREAMS) Jedná se o zcela nový typ přenosu na rozhraní USB SuperSpeed. Standardní kanál pro objemový přenos představuje schopnost přesunu jednoho proudu dat typu FIFO (Frst In Frst Out) mez hosttelem a koncovým zařízením přes paměťový zásobník hosttele a koncovým bodem zařízení. SuperSpeed proudy (SuperSpeed Streams) poskytují podporu pro víceproudý model na úrovn protokolu. Proudy mez hosttelem a koncovým zařízením spravuje tzv. proudový protokol. Každému proudu je přděleno ID proudu SID (Stream ID). E=m c 2 Proudový protokol defnuje stavové zprávy, které umožní hosttel nebo koncovému zařízení ustanovt aktuální ID proudu CSID (Current Stream ID) koncového bodu. Hosttel používá CSID k výběru vyrovnávací pamět koncového bodu, který bude použt př následných přenosech na kanálu. Koncové zařízení používá CSID k výběru vyrovnávací pamět dat funkce. SuperSpeed proudy umožňují, aby koncové zařízení využlo více vyrovnávacích pamětí hosttele (standardně pouze jedné). V případě selhání standardního objemového kanálu, který SuperSpeed proudy využívají, dojde k přerušení proudů. 17
SuperSpeed proudy rozšřují možnost objemových přenosů s mnmální změnou v hardware. Využtí může být například u zařízení USB Mass Storage. 4. PŘENOS S PŘERUŠENÍM Obdobně jako na rozhraní USB 2.0 je přenos s přerušením určen pro koncová zařízení, která vyžadují vysokou spolehlvost přesunu malého množství dat v omezeném obslužném ntervalu, například myš nebo klávesnce. Hosttel v pravdelných ntervalech požaduje data a koncové zařízení je podle svých možností poskytuje. Přenos s přerušením zaručuje maxmální obslužný nterval (zpoždění dat). Používá proudové kanály, takže data nemusejí mít defnovaný formát a kanál je jednosměrný. Přenosům s přerušením může být přděleno až 90 % dostupné šířky pásma. Koncový bod může ve svém popsovač požadovat obslužný nterval v násobcích 125 µs. Umožňuje poslání tří paketů za obslužný nterval. 5. SYNCHRONNÍ PŘENOS Synchronní přenos a jeho účel se oprot rozhraní USB 2.0 nemění. Slouží ke streamování dat, tj. pro perodcké přenosy s omezeným obslužným ntervalem a tolerancí chyb, umožňující soustavný tok dat. Rozhraní USB SuperSpeed využívá k synchronzac zochronní časovací pakety ITP. Synchronní přenos zaručuje šířku pásma pro přenosy s omezeným zpožděním a je taktéž zaručena požadovaná šířka pásma udaná v popsovač. Synchronní kanály jsou proudové s jednosměrným tokem dat. Kvůl možnému zpoždění přenosu způsobenému řízením spotřeby hosttel před zahájením přenosu posílá transakční paket zařízení (PING), čímž dojde k uvedení všech spojení na cestě do aktvního stavu. Maxmální šířka pásma a obslužné ntervaly jsou shodné s přenosem s přerušením. Synchronní přenos umožňuje až tř shlukové přenosy po 16-t paketech za obslužný nterval. Stejně jako na rozhraní USB 2.0 exstují čtyř základní druhy přenosů řídcí přenos, objemový přenos, přenos s přerušením a synchronní přenos. Rozhraní USB SuperSpeed navíc nabízí rozšíření objemového přenosu o tzv. SuperSpeed proudy. 18
2.8 Konektory rozhraní USB 3.0 Konektory rozhraní USB 3.0 byly vyvnuty na základě požadavků vyšší rychlost, omezení vlvu elektromagnetckého rušení, podpory moblty a nízké ceny. To vše př zachování maxmální kompatblty s rozhraním USB 2.0. Specfkace rozhraní USB 3.0 defnuje stejné typy konektorů jako rozhraní USB 2.0 až na jeden nový - napájený konektor typu B. 1. standardní konektor typu A as nejpoužívanější konektor, konektor hosttele, tvar a rozměry jsou shodné s odpovídajícím konektorem USB 2.0, ovšem s přdaným kontakty pro další dva datové páry a uzemnění; poskytuje úplnou zpětnou kompatbltu, pro rozlšení by se mělo používat odpovídající zbarvení, jak je patrné z následujícího obrázku. 2. standardní a napájený konektor typu B určeny pro přpojení větších staconárních zařízení, neposkytuje úplnou zpětnou kompatbltu, konektor je kvůl přdaným kontaktům větší, lze tedy zapojt USB 2.0 vdlc do zástrčky USB 3.0, ale naopak to možné není; napájený konektor se lší pouze dalším dvěma přdaným kontakty, umožňujícím zařízení poskytnout napájení. Standardní vdlce typů A a B 3. mkrokonektory typu A a B určeny pro relatvně malá a lehká zařízení, čemuž odpovídá jejch velkost a tudíž stejně jako konektory typu B neposkytují úplnou zpětnou kompatbltu; exstují zástrčky typu B a typu AB, do zástrčky typu AB je možné zapojt vdlce typu A B, do zástrčky typu B pak jen vdlc typu A. 4. konektor typu C jedná se o nový unverzální konektor pro rozhraní USB, který je mechancky symetrcký (tj. není nutné rozlšovat směr propojení). Uvntř kabelu je uspořádáno 24 vodčů pro napájení, data USB 2.0, 2 data USB 3.0, konfgurační póly a póly pro další účely. Voltelnou možností je tzv. aktvní kabel (obsahuje čp). Napájení je klascké 5 V s proudem až 3 A 19
(maxmálně 20 V s proudem 5 A). Rozměry konektoru jsou 8,4 2,6 mm. Nový konektor mplctně podporuje alternatvní přenosové protokoly. Symetrcký USB konektor typu C 20
2.9 Kabeláž rozhraní USB 3.0 Následující obrázek znázorňuje průřez kabelem specfkace USB 3.0. Patrné jsou tř skupny vodčů sgnalzační pár UTP (Unshelded Twsted Par), křížené páry (stíněné dferencální páry SDP (Shelded Dfferental Pars)) a napájecí a zemnící vodče. Průřez kabelem specfkace USB 3.0 UTP je určen pro přenos sgnálů USB 2.0, SDP jsou pro specfkac USB SuperSpeed. Jak je patrné z názvu, SDP mají vlastní stínění kvůl ntegrtě sgnálu a omezení rušení EMI. Navíc je ke každému stíněnému páru přdán další vodč, označovaný jako DRAIN, který je přpojen na uzemněný pn v konektoru (odlšný od zemnění napájení, označován GND_DRAIN). Schéma kabelu specfkace USB 3.0 21
Stínění uzavírající všechny vodče je realzováno metalckým opletením přpojeným ke kovové část vdlce, a slouží k zachycení EMI rušení. Barvy v obrázcích odpovídají barvám zolací vodčů. Délka kabelů není specfkací omezená, avšak je lmtovaná ztrátam na sestavení a poklesem napětí na délce vodče. Tyto ztráty pro kabel nesmí překročt hranc 20 db. To odpovídá maxmální doporučené délce kabelu maxmálně 3 m. 22
2.10 Možnost napájení Rozhraní USB 3.0 poskytuje napájení prostřednctvím dvou konektorů - standardního konektoru typ A a napájeného konektoru typ B. Napájení přes standardní konektor typu A má obdobné vlastnost jako u rozhraní USB 2.0. Opět je pro zjednodušení defnováno jednotkové zatížení, v případě rozhraní USB SuperSpeed je však proud jednotky navýšen na 150 ma. Rozhraní USB obsahuje několk typů zdrojů a spotřebčů: kořenový rozbočovač je přpojen přímo na řadč USB hosttele, porty hosttele přpojeného ke zdroj napětí musí dodávat alespoň 6 jednotek zátěže, resp. porty hosttele, jehož zdrojem je batere, mohou dovolovat zatížení jen 1 jednotky rozbočovač s vlastním napájením neodebírá energ potřebnou pro provoz a sestupné porty z vodče VBUS, přesto může odebírat až 1 jednotku zátěže pro funkc vzestupného portu v případě vypnutí zbytku rozbočovače, každý sestupný port pak poskytuje až 6 jednotek zátěže nízkovýkonové zařízení získává všechnu potřebnou energ z vodče VBUS, neodebírá více než 1 jednotku zátěže vysokovýkonové zařízení získává energ z vodče VBUS, po zapnutí může odebírat až 1 jednotku zátěže, po nakonfgurování pak až 6 jednotek zařízení s vlastním napájením může odebírat maxmálně 1 jednotku zatížení z vodče VBUS pro zajštění fungování portu, a to v případě vypnutí zbytku zařízení Žádné zařízení nesmí dodávat proud na vodč VBUS vzestupného portu. Obdobně jako u rozhraní USB 2.0 musí být u hosttele a rozbočovačů s vlastním napájením zajštěna ochrana prot proudovému přetížení. Obnovení normálního fungování je možné bez zásahu užvatele. Nejvyšší povolené úbytky napětí v rámc topologe sběrnce jsou uvedeny na následujícím obrázku. Topologe sběrnce př nejvyšším dovoleném úbytku napětí Napájený konektor typu B byl zaveden, aby se umožnlo dalším zařízením, jako jsou např. tskárny, přpojení a napájení jných zařízení (např. adaptérů 23
bezdrátového USB). Tato možnost tak elmnuje potřebu externího napájení pro adaptér. Napájená zástrčka typu B musí být schopna poskytovat napětí 5 V v celém rozsahu proudu až do 1 A, poskytovat ochranu prot proudovému přetížení, dodávat maxmální energ bez ohledu na stav koncového zařízení. Koncové zařízení poskytující napájení prostřednctvím tohoto konektoru musí být nízkovýkonové a koncové zařízení, které je tímto konektorem napájené nemůže poskytovat žádné standardní zástrčky typu A. 24
2.11 Inventarzace sběrnce Př přpojení nebo odpojení koncového zařízení ze sběrnce USB používá hosttel proces nazvaný nventarzace sběrnce k dentfkac a správě stavu koncového zařízení. Tento proces se skládá z několka následujících kroků: 1. Rozbočovač, ke kterému je zařízení přpojeno, nformuje hosttele o této událost specálním kanálem (koncové zařízení je v této chvíl po povelu RESET ve výchozím stavu, tj. nemůže odebírat více než 150 ma z VBUS a odpovídá na výchozí adrese). 2. Hosttel následně určí přesnou povahu událost dotazem na rozbočovač, když hosttel zná port, ke kterému je koncové zařízení přpojeno, může provést opětovný povel RESET koncového zařízení. 3. Následně hosttel přřadí zařízení unkátní adresu a nformuje zařízení o synchronním zpoždění a několka dalších parametrech. 4. Dále proběhne čtení všech konfgurací koncového zařízení hosttelem a případné nastavení časovačů U1/U2 pro sestupný port, na kterém je koncové zařízení. 5. Na základě nformací o konfguracích a způsobu použtí koncového zařízení určí hosttel hodnoty nutné pro nastavení koncového zařízení, které se tak dostává do stavu NASTAVENO, a je tak přpraveno k použtí. Př událost odpojení zařízení je rozbočovačem posláno oznámení a hosttel může aktualzovat místní nformac o topolog. 25
2.12 Koncové zařízení USB 3.0 E=m c 2 Všechna koncová zařízení USB 3.0 podporují společnou množnu obecných operací. Uveďme s zde alespoň jejch přehledový výčet dynamcké přpojení a odpojení, přřazení adresy, konfgurace, přenos dat, řízení spotřeby, zpracování požadavku a chyba požadavku. E=m c 2 Koncová zařízení oznamují své vlastnost pomocí tzv. popsovačů. Popsovač je datová struktura defnovaného formátu. Každý popsovač začíná jednobytovým polem, obsahujícím počet bytů deskrptoru, následovaný jednobytovým polem, které určuje typ popsovače. Každá konfgurace může používat popsovače nebo jejch část z jných konfgurací. Koncová zařízení mohou také mít specální popsovače podle své třídy nebo výrobce. Popsovače mohou být několka typů popsovač zařízení, popsovač konfgurace, popsovač sdružených rozhraní, popsovač rozhraní, popsovač koncového bodu, popsovač koncového bodu SuperSpeed, řetězcový popsovač a bnární paměť objektů zařízení BOS (Bnary Devce Object Store). Popsovač BOS defnuje kořenový popsovač, který je podobný popsovač konfgurace a je výchozím bodem pro přístup k sadě souvsejících popsovačů. Tyto popsovače se pak dále dělí na několk typů. Bezdrátové USB popsuje schopnost zařízení pro rozhraní bezdrátového USB. Rozšíření USB 2.0 je popsovač ndkující možnost rozšířeného řízení spotřeby ve vysokorychlostním režmu USB 2.0. Schopnost SuperSpeed USB zařízení popsující například podporu různých rychlostních režmů nebo doby přechodů ze stavů U1 a U2 do stavu U0. Posledním je ID kontejneru obsahující dentfkační číslo umožňující hosttel dentfkac zařízení bez ohledu na režm, ve kterém koncové zařízení pracuje. 26
2.13 Rozbočovač rozhraní USB 3.0 E=m c 2 Rozbočovače rozhraní poskytují elektrcké propojení mez hosttelem a koncovým zařízením. Umožňují rozhraní USB být snáze k použtí pro běžné užvatele. Starají se o chování př přpojování zařízení, řízení spotřeby, detekc selhání sběrnce a zotavení a podporu zařízení ve všech rychlostních režmech. Rozbočovač USB 3.0 obsahuje rozbočovač USB 2.0 a rozbočovač SuperSpeed. Rozbočovač SuperSpeed se dále skládá z opakovače a kontroléru rozbočovače: opakovač slouží ke zprostředkování propojení, detekc přpojení a odpojení zařízení, detekc chyb a zotavení kontrolér zajšťuje komunkac mez rozbočovačem a hosttelem, která umožňuje nastavovat rozbočovač a jeho sestupné porty Rozbočovač SuperSpeed se také stará o směrování paketů, jak je popsáno v předchozích kaptolách. Rozbočovač USB 3.0 je logckou kombnací rozbočovače USB 2.0 a rozbočovače SuperSpeed, jednou sdílenou částí je logka, starající se o řízení VBUS, jak je patrné z následujícího obrázku. Rozbočovač USB 3.0 27
2.14 Možnost využtí rozhraní USB 3.0 Rozhraní USB 3.0 oprot předchozí verz doznalo výrazného vylepšení. Patrně nejvýraznějším rozdílem je samozřejmě přenosová rychlost, která se zvýšla přblžně desetnásobně oprot předchozímu rozhraní USB 2.0. Teoretcky tak sběrnce nabízí rychlost až 5 Gbt/s, jak je patrné z vlastností fyzcké vrstvy rozhraní. Samozřejmě této rychlost u koncových přenosů dat rozhraní nemůže dosahovat. Po započtení ztrát způsobených 8B/10B kódováním (cca 20 %) a způsobem zapouzdření dat ve spojové a protokolové vrstvě (cca 2,4 %), dostáváme nejvyšší možnou přenosovou rychlost 3,88 Gbt/s. Specfkace udává reálně dosahované rychlost nad 400 MB/s (3,2 Gbt/s). V dnešní době je 3,2 Gbt/s poměrně vysoká přenosová rychlost, kterou může rozhraní USB 3.0 směle konkurovat většně současných vysokorychlostních rozhraní. Jedním z mnoha příkladů praktckého využtí by mohlo být přpojení zařízení využívajících tzv. flash pamětí jako jsou paměťové karty, flash dsky nebo aktuálně populární pevné dsky SSD (Sold State Dsc), které jsou schopné alespoň částečně využít nabízenou rychlost. Uplatnění rozhraní USB 3.0 bude tedy zejména př přenosech velkých objemů dat. Více současně prováděných OUT transakcí spolu s jednou IN transakcí pak navíc znamená možnost současného využtí sběrnce více zařízením, přestože posílat data hosttel může aktvně pouze jedno z nch. V rychlost přenosu dat může lépe konkurovat rozhraní jako je esata (external Seral Advanced Technology Attachment), které doposud mělo v oblast přenosu dat navrch. V současné době se jako jedný vážný konkurent rozhraní USB 3.0 jeví rozhraní Thunderbolt, které ve své podstatě představuje externí sběrnc PCI-E (Perpheral Component Interconnect - Express), nabízí ještě vyšší rychlost než rozhraní USB 3.0 a navíc možnost řetězení zařízení. V současné době se rozhraní Thunderbolt používá praktcky výhradně u produktů fy. Apple. 28
3 Rozhraní Thunderbolt 3.1 Charakterstky rozhraní Rozhraní Thunderbolt TB je rozhraní, které do světa počítačového průmyslu přnáší řadu nových konstrukčních řešení, funkcí a vylepšení. Rozhraní Thunderbolt je vyvíjeno ve spoluprác společností Intel a Apple. V roce 2009 byl veřejnost představen první prototyp tohoto rozhraní. V té době ještě nesl označení LghtPeak. Prvním sérově vyráběným zařízením s rozhraním Thunderbolt byl v roce 2011 notebook MacBook Pro od společnost Apple. Odlšnost rozhraní Thunderbolt od ostatních rozhraní je zejména v jeho konstrukčním řešení. Skládá se z kombnace dvou různých rozhraní externí sběrnce PCI-E a portu DP (Dsplay Port). Komunkace probíhá obousměrně a spojení je plně duplexní. Pakety obou protokolů jsou přenášeny najednou po jednom spojení. Kontrolní řadč tyto pakety na straně vysílače multplexuje do jednoho datového toku a na straně přjímače přepíná mez jednotlvým protokoly. Prncp komunkace na rozhraní Thunderbolt Výhodou a cílem rozhraní TB je vysokorychlostní přpojení rozlčných zařízení a podpora několka typů datových přenosů pomocí jednoho unfkovaného konektoru. Pro tento účel byl použt upravený konektor Mn DsplayPort. S teoretckou přenosovou rychlostí až 10 Gbt/s na kanál převyšuje rozhraní TB standardy jako esata, USB a Frewre. V porovnání se sběrncí USB 3.0 je jeho rychlost téměř dvojnásobná (v závslost na použtém hardwaru a softwaru) a má menší nároky na rež. Reálná přenosová rychlost se pohybuje kolem hrance 6,4 Gbt/s na kanál. 29
E=m c 2 K jednému konektoru TB je možné přpojt až sedm TB zařízení. Jeden port TB také zvládne současně přenášet data pro dva dspleje s portem DP ve vysokém rozlšení HD (Hgh Defnton). Pro přenos dat a napájení byly přes počáteční plány s optckým kabely (technologe Slcon Photoncs Lnk) použty pouze metalcké vodče. Výhodou měděných párů je zvládnutí dostatečných přenosových rychlostí, výrobní cena je ve srovnání s optckým vodč výrazně nžší a je přes ně možné bezproblémově napájet přpojená zařízení až do příkonu 10W. Jejch značnou nevýhodou je však omezená délka kabelu, která může být nejvýše tř metry. Do budoucna se však s optckým kabely nadále počítá, zejména kvůl jejch možnostem v navýšení přenosových rychlostí až k hodnotám řádově 100 Gbt/s a výrazně větší možné délce kabelů př stálých přenosových podmínkách. Společnost Intel slbuje přenesení dvouhodnového vdea ve Full HD rozlšení do 30 sekund a přenesení záznamů ve formátu mp3 trvajících jeden rok za 10 mnut. 30
3.2 Archtektura rozhraní E=m c 2 Archtektura rozhraní Thunderbolt je založena na dvou perspektvních standardech. Prvním je standard PCI-E a druhým je standard DP. Výhodou standardu PCI-E je jeho unverzálnost, šroké uplatnění ve stávajících počítačích typu PC (Personal Computer), velké množství technologí je koncpováno právě pro spojení a spoluprác se sběrncí typu PCI-E, a možnost přímého spojení se sběrncí PCI-E na základní desce PC. Výhodou portu DP je schopnost dosahovat vyššího než Full HD rozlšení (např. 4K č 5K) se stále větší snímkovou frekvencí. S obrazem je možné souběžně přenášet 8-m kanálový zvuk. Fyzcký konektor Mn DP je zpětně kompatblní s klasckým portem DP. Maxmální přenosová rychlost samotného DP je 5,4 Gbt/s př využtí čtyř spojů. Př spojen se zařízením s rozhraním TB se rychlost zvýší na 10 Gbt/s. Celková rychlost př obousměrném dvoukanálovém přenosu je tedy 20 Gbt/s. Blokové schéma archtektury rozhraní Thunderbolt je na následujícím obrázku. 31
Archtektura rozhraní Thunderbolt Do řadče TB vstupují data z portu DP a ze sběrnce PCI-E. Řadč data spojuje do paketů, které jsou společně přenášeny přes jeden aktvní TB kabel. Použtí aktvních kabelů má však nepříznvé teplotní důsledky. Na přpojeném nečnném konektoru můžeme naměřt teplotu kolem 43 C. V aktvním stavu však může teplota vzrůst až k 50 C. Na kabelu mez konektory se teplota nelší od okolí. Zahřívání konců kabelu je způsobeno zabudováním čpu Gennum GN2033 přímo do konektoru. Ten přes své velm malé rozměry dokáže zajstt podmínky pro vysokorychlostní a bezchybný přenos dat přes tenký měděný pár. Čp však není přímo nezbytný pro technolog TB, ale jeho přítomnost vylepšuje přenosové rychlost a přenosové charakterstky rozhraní. Př přechodu na optcké kabely nebude jeho začlenění nutné. Zvýšené teploty nejsou pro užvatele nebezpečné, ale zcela jstě přspívají k celkovému zahřívaní zařízení a tím k vyšším nárokům na jeho chlazení. Například konektory u rozhraní USB 3.0 podobný problém nemají, jejch teplota je jen málo odlšná od okolní. 32
Použtí aktvních kabelů má (kromě velkého zahřívání) pro užvatele ještě mnohem významnější dopad, kterým je vyšší pořzovací cena oprot konkurenčním typům rozhraní. 33
3.3 Přenos dat E=m c 2 Klíčovou komponentou pro přenos dat je řadč. Řadč je součástí jak vysílacího tak přjímacího zařízení. Řadč je navržen pro komunkac s velm malým zpožděním a s podporou krtérí QoS (Qualty of Servce). E=m c 2 Jednou z řady vlastností QoS je schopnost sítě předem poskytnout nformace o šířce pásma/zpoždění a podle prorty rezervovat a řídt datový tok. Každý paket má určenou svou prortu v rámc záhlaví paketu TLP Header. Hodnová synchronzace s přpojeným zařízením prostřednctvím rozhraní TB proběhne do 8 ns. Řadč TB umístěný na základní desce PC je vždy v režmu Host (vz následující obrázek). Řadč obsahuje nezávslý vstup pro data z rozhraní PCI-E a z portu DP. Uvntř řadče je PCI-E přepínač (PCI-E Swtch), který řídí přpojené koncového zařízení a člen NHI (Natve Host Interface), který je použt pro detekc přpojeného zařízení (podpora funkce Plug&Play). Posledním členem je přepínač Thunderbolt (Thunderbolt Swtch), který oba typy dat sdružuje do jednoho datového toku. Řadč rozhraní Thunderbolt 34
Jeden port TB vyžaduje dva kanály. Každý se skládá ze dvou drah kvůl obousměrnému přenosu a má propustnost 10 Gbt/s. Jeden kanál je použt pro obrazová data a druhý pro ostatní data. Protože se výkon kanálů nesčítá, ofcální uváděná propustnost je 10 Gbt/s na jeden port. Dle uvedeného konstrukčního řešení tedy řadč obsahuje čtyř výstupy. Pro koncová zařízení přpojovaná k PC se nachází řadč TB v koncovém režmu (Endpont). K dspozc jsou čtyř vstupy resp. výstupy dle typu operace. Přjatá data vstupují do přepínače Thunderbolt, který je velm výkonným protokolovým přepínačem. Data se v něm rozdělí dle jejch protokolu. Data portu DP vystupují z řadče (DP out) a data sběrnce PCI-E vstupují do přepínače PCI-E. Ten následně data rozdělí dle specfkace 4 dráhového standardu PCI-E 2.0. K němu lze přpojt jedno (4dráhy), dvě (2 dráhy) č čtyř (1 dráha) zařízení. Př sérovém zapojení více zařízení řídí směrování dat přepínač PCI-E, který je před daným zařízením. Každý člen zapojený do sérového spojení musí obsahovat dva porty. Pokud obsahuje pouze jeden, není schopen přenést data na další zařízení a je proto přpojeno na konec řetězce. Takovým zařízením je typcky montor. Nejmenší zpoždění má pak zařízení, které je v topolog zapojení na prvním místě. Po rozdělení dat dojde k jejch vstupu do mkročpu PCH (Platform Controller Hub), který určuje datové cesty, a řídí pomocné funkce ve spoluprác s CPU (Central Processng Unt) (např. systémové hodny) a pamětí. Spojení mez řadčem a PCH zahrnuje rozhraní FDI (Flexble Dsplay Interface), tedy pásmo pro samostatný přenos obrazových dat. Př aplkac technologe optckých vláken nebude nutné hardwarově měnt současné zařízení s rozhraním TB. To je jž dnes schopné přenášet data jak přes měděné tak prostřednctvím optckých kabelů. V případě optky mohou mít kabely dosah až několk desítek metrů př současném napájení pomocí metalckého vodče. Př absenc napájení se počítá s přenosem optckého sgnálu až do stovek metrů vzdáleného zařízení. 35