USB 2.0 nader bekeken

Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. USB 2.0 versus Firewire
  3. 3. De techniek
  4. 4.  
  5. 5. Conclusie
  6. 6. Reacties

Inleiding

USB is al weer een tijdje aanwezig in de computerwereld. Het lijkt misschien een eeuwigheid, maar het is toch pas vier jaar geleden dat USB doorbrak als standaard voor randapparatuur voor de PC. Het grootste voordeel van USB is dat het het eerste en nog altijd enige Plug & Play protocol is voor Microsoft Windows besturingssystemen. Insteken, drivers installeren en gebruiken zonder dat een herstart nodig is. En dat men theoretisch 127 apparaten op één USB-poort kan aansluiten is natuurlijk ook iets dat genoemd mag worden.

In die vier jaar tijd zijn er talloze apparaten op de markt gekomen met een USB-aansluiting. De eerste apparaten waren scanners en printers. Nog altijd worden deze het meest gebruikt op de USB-poort. Maar er kwamen ook joysticks, muizen, fotocamera’s en nog veel meer.

Waar deze apparaten voorheen nog gebruik maakten van een seriële of parallelle poort, of van een aparte ISA/PCI kaart, gingen deze apparaten alle gebruik maken van de handige USB-aansluiting die al snel op ieder moederbord te vinden was. Tegenwoordig vinden we vaak meer dan twee USB poorten op een moederbord, wat de populariteit van USB duidelijk laat zien.

Enige nadeel van USB is de bandbreedte. USB 1.1, zoals het huidige protocol heet, heeft een maximale bandbreedte van 12 Mbit/s. Dit is voldoende voor bijvoorbeeld  joysticks en toetsenborden en scanners en printers die bij de mensen thuis staan. Maar er zijn ook veel apparaten op de markt die graag een snellere verbinding met de PC zouden willen hebben. Denk eens aan een videocamera, Externe harde schijven en CD-writers, hoge resolutie printers en nog meer. Daarvoor is USB 2.0 ontwikkeld. USB 2.0 heeft alle voordelen van USB 1.1 met één extra voordeel. USB 2.0 heeft een maximale bandbreedte van 480 Mbit/s, ideaal voor bandbreedtehongerige in/uitvoer apparaten.

Veel digitale fotocamera’s hebben nu bijvoorbeeld een USB- aansluiting. Om een volle 64 MB-kaart te importeren in je PC, heb je met USB 1.1 wel effe tijd nodig... Met USB 2.0 is dat zo gepiept. Laptop gebruikers kunnen nu al met een USB-brander een CD-tje bakken, maar dat gaat maximaal op 4 speed. Voor USB 2.0 staat de eerste 10 speed brander al in de planning.


USB 2.0 kaart van Freecom met vier externe en een interne uitgang.

Het mooiste aan USB 2.0 is dat het volledig compatible is met USB 1.1. Het is de verwachting dat USB 2.0 binnen nu en het eind van 2002 USB 1.1 vervangen zal hebben. De eerste tekenen hiervoor kunnen we al zien. MSI heeft al een moederbord waar je als optie een USB 2.0 controller op kunt krijgen. En we zien steeds meer aankondigingen van USB 2.0 apparaten.

USB 2.0 versus Firewire

Een tegenhanger van USB 2.0 is Firewire of IEEE1394 of I-link. Firewire is ontwikkeld door Apple voor de Macintosch computers. Naderhand is het protocol ook geschikt gemaakt voor de gewone PC onder de naam IEEE1394. I-link is de merknaam die Sony heeft gegeven aan deze technologie.

Firewire heeft een maximale bandbreedte van 400 Mbit/s en er kunnen maximaal 63 apparaten op een Firewire-poort worden aangesloten. Firewire wordt al een tijdje gebruikt, vooral door mensen die aan videobewerking doen. Vele digitale videocamera’s hebben een Firewire-poort. Om deze beelden van de videocamera naar de PC te krijgen, zal voorlopig ook nog wel Firewire gebruikt gaan worden.

Maar vanwege de volledige compatibiliteit met USB 1.1, zullen we op andere in- en uitvoer apparaten in de toekomt waarschijnlijk een USB 2.0 poort verschijnen om grote hoeveelheden data uit te wisselen met de PC. Je kunt rustig zeggen dat alle apparaten die nu te koop zijn met een USB 1.1 aansluiting in de toekomt een USB 2.0 aansluiting zullen hebben

Compatibiliteit

De compatibiliteit van USB 2.0 met USB 1.1 kunnen we het beste met een paar plaatjes laten zien. Op onderstaande afbeelding zien we een gewone USB 1.1 configuratie, met meerdere HUB’s en meerdere USB apparaten.

Als we dan gaan kijken naar een USB 2.0/USB1.1 configuratie dan verandert er niet veel:

We zien hier dus dat een USB 2.0 hub midden in de USB 1.1 configuratie geplaatst kan worden. De USB 2.0 hub die aan de USB-poort van de PC (root hub) is aangesloten, kan data met maximaal 480 Mbit/s doorvoeren, beide richtingen op. Dit is dus ideaal voor de camera die rechtstreeks is aangesloten op de USB 2.0 hub. Let dus wel dat voor optimaal gebruik van USB 2.0 apparaten, de USB 2.0 hub als eerste hub aan de root-hub geplaatst moet worden. Verwisselen we in dit schema de USB 1.1 en USB 2.0 hub, dan zal de camera nooit zijn data kunnen doorgeven met 480 Mbit/s.

De techniek

De techniek achter USB 2.0 is  bijna hetzelfde als de techniek achter USB 1.1. Voor een uitgebreide uitleg over USB 1.1 verwijzen we je naar het artikel “USB nader bekeken” dat op 9 mei 1999 verschenen is op Hardware.Info.

Voltage

Een van de weinige verschillen tussen USB 1.1 en USB 2.0 is het voltage van het signaal; waarover data wordt verstuurd. Bij USB 1.1 is dit 3.3 Volt. Als er data verzonden gaat worden met 480 Mbit/s over een 3.3 V signaal, ontstaat er veel te veel elektromagnetische storing en wordt er teveel stroom verbruikt. Daarom gebruikt USB 2.0 een 400 mV (0,4V) signaal

 

Om bandbreedte te besparen in geval van opstoppingen hebben ze ook een leuk foefje bedacht. Voor het uitleggen van dit foefje nemen we het voorbeeld van een USB 2.0 printer die wordt gebruikt voor het afdrukken van foto’s met hoge resolutie, aangesloten aan een USB 2.0 controller.

Data wordt verstuurd met een OUT-signaal van de USB host controller naar de printer. Als de buffer van de printer vol is, antwoordt deze met een NACK (not acknowledge) signaal richting de host controller en vraagt de host om de data nogmaals te verzenden. Als de host controller deze data daadwerkelijk nogmaals zou verzenden en weer een NACK terugkrijgt van de printer, raakt de bus verstopt door dit repeterende vraag en antwoord spelletje van de host en printer totdat er weer data ontvangen kan worden door de buffer van de printer.

Daarom wordt gebruikt gemaakt van het PING protocol, zodra de printer een NACK-signaal richting de host controller verstuurt. De printer kan op het PING signaal reageren met NYET (not yet) of met een ACK (acknowledgment). Als een ACK terugkomt van de printer wordt er weer data verstuurd (OUT), als een NYET terugkomt van de printer wordt er weer een PING verstuurd.

Wat nu als we een USB 2.0 hub hebben waar een USB 1.1 apparaat is aangesloten. Data zal dan aankomen bij de hub met 480 Mbit/s, maar kan alleen maar doorgestuurd worden met maximaal 12 Mbit/s. Een bij computers bekende manier om dit snelheidsverschil op te vangen is om de maximale snelheid gelijk te laten zijn aan de laagste snelheid, zoals bij IDE-controllers. Maar dit is zonde van de bandbreedte. Andere USB 2.0 apparaten die aan de USB 2.0 hub zijn aangesloten, zullen dan ook met maximaal 12 Mbit/s data kunnen uitwisselen met de PC . Bij USB 2.0 heeft men dit anders aangepakt. Om het snelheidsverschil op te vangen heeft men een buffer ingebouwd in de USB 2.0 hub. Deze buffer heet de Transaction Translator.

Omdat het overdragen van data van de USB 2.0 hub naar het USB 1.1 apparaat relatief langzaam gaat, is het protocol dat er voor zorgt dat de data overgedragen wordt in tweeën gedeeld; Start-split Transaction en Complete Split Transaction. Start-split Transaction: De host controller controleert of de Transaction Translator genoeg bufferruimte heeft om data door te sturen naar een USB 1.1 apparaat. Een Start-split Transaction bevat geen data. Wanneer de hub antwoordt met ACK, wordt er data verstuurd naar de hub. Wanneer de hub antwoordt met NYET, wordt de Start-split Transaction opnieuw uitgevoerd.

Wanneer een Start-split Transaction is beantwoordt met een ACK, en de data vanuit de host verstuurd is, verstuurt de host een Complete-split Transcation. Met een Complete-split Transaction controleert de host of de Transaction Translator de door de host gestuurde data al heeft verder gestuurd en klaar is om nieuwe data te ontvangen. Ook een Complete-split Transaction bevat geen data. De Complete-split Transaction kan beantwoord worden met een ACK of met een NYET. Bij een NYET wordt de Complete-split Transaction opnieuw uitgevoerd.

Wanneer de hub een NACK signaal ontvangt van het USB 1.1 apparaat, zal het deze doorsturen naar de host, die vervolgens opnieuw begint met de Start-split Transaction.

 

Het klinkt misschien allemaal heel erg omslachtig, maar we zullen even uitleggen waarom Split Transaction een snelheidsvoordeel oplevert en vooral efficiënter is. We nemen een situatie waar geen Split Transaction voorkomt. Data zal vanuit de host verstuurd worden naar de USB 2.0 hub, waar het terecht komt in de buffer om van daaruit verder gestuurd te worden naar het USB 1.1 apparaat. Maar als die buffer vol raakt, zal de host alle niet door de buffer ontvangen data overnieuw gaan sturen. Hierdoor gaat bandbreedte verloren, die anders door andere USB 2.0 apparaten gebruikt had kunnen worden.

Conclusie

USB 2.0 heeft de toekomst. Doordat USB 2.0 volledig compatible is met USB 1.1 kan iedereen gewoon zijn USB 1.1 apparaten blijven gebruiken op een USB 2.0 controller en combineren met andere USB 2.0 apparaten. De hoge bandbreedte van 480 Mbit/s zal uitstekend van pas gaan komen voor bijvoorbeeld digitale fotografie of external storage devices zoals externe harde schijven of externe cd-schrijvers. Denk maar eens dat je net de 64 MB flash card van je digitale fototoestel hebt volgeschoten. Even aansluiten op de USB 2.0 poort en een minuut later staan de foto’s op je PC. En daarna naar een kennis om die foto’s te laten zien. Even exporteren naar de externe USB 2.0 harddisk, aansluiten bij die kennis en foto’s kijken.

Gebuikers van notebooks zullen dankbaar gebruik gaan maken de externe USB 2.0 CD-schrijvers. Even inpluggen en een CD-tje schrijven, op 24 speed.Verder zullen er ook voldoende conversiemogelijkheden op de markt komen zoals bijvoorbeeld een USB 2.0 naar IDE convertor, iets wat het vertrouwen in USB 2.0 alleen maar doet toenemen.

Concurrentie met Firewire zal er niet of weinig zijn. Firewire is inmiddels ingeburgerd bij mensen die aan videobewerking doen (en de Macintosch gebruikers) en dat zal voorlopig wel zo blijven. Maar voor de overige mogelijkheden zal USB 2.0, met name vanwege de volledige compatibiliteit met USB 1.1, een grotere populariteit verwerven, waardoor USB 2.0 apparatuur betaalbaarder wordt en zeer waarschijnlijk de standaard zal worden voor bandbreedtehongerige in/uitvoer apparatuur.

0