Mögliche Problematiken bei USB3.0-Kabelkonfektionen
Plug&Pray?
Die Weiterentwicklung des USB3.0-Standards ist in vollem Gange. Durch die Steigerung der Bandbreite auf 10Gb, der Teil der USB3.1-Spezifikation ist, wird der wichtigste Beitrag zum Gewinn des Schnittstellenkrieges zwischen CameraLink, FireWire und direkten Wettbewerbsstandards wie Thunderbolt gelegt. Aber die Geschwindigkeitserhöhung hat auch ihre Kehrseite, denn sie bedeutet neue Chipsätze, Treiber, Firmware etc. und nicht zuletzt neue Anschlüsse und Leitungssätze, während zudem noch die Abwärtskompatibilität aufrechterhalten werden muss.
Obwohl wir dank der bestehenden Standards – wie den offiziellen USB3.0-Spezifikationen der USB-IF oder dem USB3-Vision-Standard – eine gute Basis für die USB3.0-Schnittstelle haben, erscheinen täglich neue Varianten, die auf USB-Technologie basieren. Durch die ständig wechselnden Spezifikationen und Anforderungen wird das Leben der Hersteller und Softwareentwickler stetig erschwert. Aus diesen Gründen müssen Kabelkonfektionen individuell an die Wünsche und Bedürfnisse der Kunden angepasst werden, wobei sowohl die Einbausituation als auch die vorgegebenen Spezifikationen berücksichtigt werden müssen. Welchen Einfluss wechselnde Komponenten haben, zeigt Bild 2, in welchem die möglichen Bandbreiten einer passiven USB3.0A auf MicroB-8m-Verkabelung dargestellt werden. Dieselbe Verkabelung wurde dabei mit verschiedenen USB3.0-Chipsätzen getestet. Wie die Ergebnisse zeigen, schwankt die mögliche Bandbreite bereits durch den Wechsel der eingesetzten USB-Chipsätze auf der Rechnerseite. Wobei gerade in diesem Bereich die Signallatenz und die Leistungsabgabe die wichtigsten Aspekte darstellen.
Testmethodik
Selbst wenn alle Abnahmeprüfungen und die Grenzprüfung bestanden werden, ist nicht garantiert, dass keine Probleme unter verschiedenen Bedingungen oder Szenarien entstehen. Das USB-IF-Abnahmeprogramm für USB 3.0-Produkte beinhaltet folgende Prüfungen: SuperSpeed Electrical, xHCI Host Test, USB3.0 Interop, Abwärtskompatibilität für USB3.0, Link Layer Test, USBCV, Leistungsaufnahme, Drop, Droop, EMI, USB2.0, Gerät, Host, Hub, Aufladen der Batterie etc. Jedoch, wie bereits gesagt: auch wenn alle Tests zu 100% bestanden werden, gibt es unter verschiedenen Bedingungen oder Szenarien keine Garantie dafür, dass das USB-System im Ganzen funktioniert.
Augendiagramm
Das Augendiagramm zusammen mit dem Einschaltstrom und der Leistungsentfaltung wurden de facto zum Standardtestverfahren der Signalqualität der Computerschnittstellen. Eine der größten Herausforderungen war, die Muster zu definieren, die in der Signalanalyse verwendet werden, indem man die ungünstige kapazitive Belastung, die zulässigen Flankenraten und den Jitter für Sender und Kanäle analysiert, insbesondere entlang langer USB-Kabel. Die für USB3.0 ’standardisierte‘ Prüfung verlangt Sondervorrichtungen sowie eine spezielle Ausrüstung und Entzerrungstechniken (3,5dB Senderentzerrer und 6dB Empfängerentzerrer) für den Sender als auch den Empfänger, um den deterministischen Jitter zu reduzieren und die durch die Leiterplatten- oder Kabelverluste bedingte Signalminderung wiederherzustellen. Somit ist das Prüfverfahren ziemlich teuer. Daher gibt es zurzeit nur circa 1.000 USB-IF-zertifizierte Produkte. Aufgrund dessen versuchen manche ‚All-in-One‘-Hersteller weniger teure Testgeräte zu erwerben, die die Verwendung von benutzerdefinierten Standards und Anforderungen, Protokollanalyse und Austestfunktionen ermöglichen. Auch Microsoft hat Ende 2013 ein sehr nützliches kostenloses Tool veröffentlicht (Microsoft Message Analyzer, MMA), das die Ereignis- und Nachrichtenerfassung sowie die Analyse bei verschiedenen Systemschichten und Endpunkten, inklusive USB, ermöglicht. Der Besitz von zertifizierten Hosts und Geräten bedeutet aber nicht, dass sie bei deren Zusammenbinden auch richtig funktionieren. Dies ist aufgrund der Komplexität und Vielzahl der in der USB-Technologie einbezogenen Faktoren leider nicht pauschal zu beantworten. Einer der wichtigsten Aspekte, der speziell bei USB3.0-Datenübertragungen überprüft wird, ist die Latenz, die aus verschiedenen Gründen auf beliebige USB-Protokollschichten zurückzuführen ist. Die USB3.0-Architektur ist grundsätzlich aus zwei Schichten aufgebaut: die Hardware (die aus Protokoll-, Sicherungs- und physischer Schicht besteht) und die Software-Funktionsschicht. Die USB3.0-Funktionsschicht ist mittels Softwareleitungen angeschlossen, die physische Schicht dagegen mit Kabel. In beiden Schichten kann die Signalqualität durch die USB-Kette von vielen Variablen beeinflusst werden. Die Nutzer erwarten, dass USB einfach funktioniert, dass es dem Bedienen und nicht den Spezifikationen angepasst ist. In diesem Zusammenhang ist die maximale Durchsatzleistung über die Kette Host-Kabel-Gerät der wichtigste Parameter. Die Durchsatzleistung kann auf verschiedene Art gemessen werden: von USB-Entwicklungssätzen über LoopBack-Stecker bis hin zu teuren Produkten, wie z.B. Protokollanalysatoren. Die Durchsatzleistung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst:
- • Chipsätze
- • Leistung der PCI- und USB-Busse: Schwankungen der zugeführten Leistung können die USB-Kommunikation erheblich beeinträchtigen und zu unvorhersehbarem Verhalten und Übertragungsfehlern oder Fehlfunktionen führen, insbesondere im Falle der über Bus versorgten Geräte.
- • Linux (ab der Kernelversion 2.6.31 von 2009), Microsoft Windows 8, Windows Server 2012, Apple Mountain Lion (10.8), mit vorgegebener Unterstützung für USB3.0, wobei die von Drittanbietern gelieferten Gerätetreiber für Windows 7, Vista und XP seit 2008 verfügbar sind. Allerdings haben manche davon auch Probleme bei Entwicklern und Herstellern verursacht.
- • Qualität der Geräteanschlüsse, einschließlich der Kontaktbeschichtung
- • Treiber
- • Firmware des Geräts
- • Puffer (RAM, NAND etc.)
- • Abschirmung, EFI und RFI
- • Spread Spectrum und Taktrückgewinnung: Es kann sein, dass Geräte, die von der Taktfrequenz abhängig sind, nicht richtig funktionieren bzw. abstürzen, wenn sie bei höheren Taktraten als die Nenntaktrate eingesetzt werden.
In der Regel sind Standards und Spezifikationen rund um ideale´Systeme aufgebaut. Dadurch werden die Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Elementen minimiert bzw. komplett entfernt. Es gibt einen definitiven Bedarf an Standardisierung für Komponenten und Baugruppen sowie deren Anwendung, z.B. die USB-IF-Spezifikationen. Aus den USB-IF-Spezifikationen ‚ECN 019 USB.0 MicroB Cable Loss Specification‘ erfährt man, dass „ein Super-Speed-USB-Kabelsatz, der über mindestens einen micro-USB-Stecker verfügt, auf eine Länge von 1m begrenzt ist und eine maximale differentiale Einfügedämpfung in Höhe von 3,5dB aufweisen muss“. Diese Abgrenzung wurde überwunden, indem hochqualitative Materialien genutzt wurden. Somit sind nun völlig funktionsfähige USB3.0-Kabelsätze mit bis zu 10m langen MicroB-Steckern möglich. Aber auch hier: Die Verkabelung ist nur ein Teil der gesamten Applikation und hat nur einen beschränkten Einfluss auf den gesamten Aufbau. Es wird viel diskutiert, wie USB-IF die Zertifizierung der Lieferanten-IDs (VID) und der Produkt-IDs (PID) als USB-konform verwaltet. Einige Stimmen behaupten sogar, dass USB-IF sowohl Optimierungen als auch zukünftige Entwicklungen blockiert, indem es die Zuteilung der VIDs und PIDs durch die Zahlung einer Anmeldegebühr bedingt. Dies bedeutet zusätzliche Barrieren für Bastler und kleine Unternehmen, die an der Verwendung und Umsetzung der USB-Technologie in ihren Prototypen oder anderen Geräten interessiert sind. Viele sind dafür, dass die Zuteilung der VIDs und PIDs als Open Source laufen sollte oder dass diese zumindest in der gleichen Art und Weise zur Verfügung gestellt werden, wie IEEE die MAC-Adressen zuteilt/verwaltet. Über seine Grenzen und Herausforderungen hinaus wird USB jedoch allgegenwärtig im täglichen Leben eine klassische Technologie sein, während es auch neue Ansätze und Nutzungsmöglichkeiten bietet, wie DisplayLink, neue Leistungsaufnahmefähigkeiten (bis zu 20V und 100W), neue Funktionen für die Batterieaufladung, USB on the GO, Android Open Accessory Protocol (AOAP) usw. Erwähnenswert ist, dass USB ein starker Kandidat für den Universal-Anschluss ist, zumindest in der EU. Zudem hat Samsung in seinem Galaxy Note 3 bereits USB3.0 umgesetzt, was es wohl zum ersten Handy macht, das über USB3.0 verfügt.
