Девять контактов разъема USB 3.0

Очередное, третье по счету поколение стан­дар­та уни­вер­саль­ной по­сле­до­ва­тель­ной ши­ны, на­ря­ду с уве­ли­че­ни­ем про­из­во­ди­тель­но­с­ти от 480 Mbps до 5 Gbps, от­ме­че­но ра­ди­каль­ны­ми из­ме­не­ни­я­ми, как в ап­па­рат­ном ин­тер­фей­се, так и в про­г­рам­мной мо­де­ли хост-кон­т­рол­ле­ра. Под­держ­ка ре­жи­ма Super­Speed (5 Gbps), а в пер­с­пек­ти­ве — и Super­Speed+ (10 Gbps), по­тре­бо­ва­ла рас­ши­ре­ния на­бо­ра ин­тер­фей­с­ных сиг­на­лов дву­мя вы­со­ко­час­тот­ны­ми диф­фе­рен­ци­аль­ны­ми па­ра­ми. Ими ста­ли SSTX и SSRX для пе­ре­да­чи и при­е­ма ин­фор­ма­ции по USB 3.0, кон­ст­рук­тив­но об­осо­б­лен­ные в ге­о­мет­рии разъ­е­ма.

Четыре новые линии получили в ка­че­ст­ве экрана-разделителя еще и GND-копию из ранее су­щест­во­вав­ше­го клас­си­че­ско­го на­бо­ра из дру­гих че­ты­рех ли­ний (+5V, Data-, Data+, GND). Рудимент шины USB 2.0, ис­поль­зу­ю­щий одну диф­фе­рен­ци­аль­ную пару для передачи в обоих направлениях, также был сохранен для со­вмес­ти­мос­ти. Всего в разъ­е­ме USB 3.0 по­мес­ти­лось 9 контактов, а его конструкция приобрела от­ли­чи­тель­ную чер­ту — как, пра­ви­ло, ста­ла вы­пол­нять­ся из си­не­го плас­ти­ка.

Впрочем, если посмотреть на кабель USB 3.0 в разрезе, мы обнаружим там не девять, а десять про­вод­ни­ков — каж­дая ви­тая диф­фе­рен­ци­аль­ная пара SSTX и SSRX в ка­че­ст­ве до­пол­ни­тель­но­го эк­ра­ни­ро­ва­ния со­дер­жит ко­пию «зем­ля­ной» ши­ны.

Посмотрев внимательнее, находим и один­над­ца­тый проводник — ме­тал­ли­че­ский кор­пус разъема и оп­лет­ку внеш­не­го эк­ра­на. Здесь важно вспомнить об уве­ли­чи­в­шей­ся про­пуск­ной спо­соб­нос­ти ин­тер­фей­са: пе­ре­да­ча данных в ги­га­бит­ном тем­пе и не­об­хо­ди­мость учета за­ту­ха­ния сигналов, при наличии импульсных по­мех в ги­га­гер­цо­вом ди­а­па­зо­не, оп­ре­де­ля­ет дизайн ка­бель­но­го хозяйства. Точки схемы, раз­де­лен­ные отрезком про­вод­ника, при­ни­ма­е­мые тож­дест­вен­ными при ана­ли­зе по по­сто­ян­но­му току, не являются та­ко­вы­ми по ВЧ, поскольку вступают в действие ин­дук­тив­ность со­е­ди­ни­тель­ной цепи и емкость ди­э­лек­т­ри­че­ской изоляции.

Фактор интеллекта

Наряду с кратным увеличением скорости передачи информации, важным фактором роста про­из­во­ди­тель­но­с­ти в тре­тьей вер­сии интерфейса является ин­тел­лек­ту­а­ли­за­ция обмена. Технология сор­ти­ров­ки оче­ре­ди ко­манд, не ут­ра­тив­шая свою ак­ту­аль­ность с рас­про­ст­ра­не­ни­ем SSD, под­дер­жи­ва­ет­ся в рам­ках Stream Pro­to­col.

Протокол определен в спецификации USB 3.0, детали его ре­а­ли­за­ции за­ло­же­ны в архитектуре кон­т­рол­ле­ра xHCI. Со­глас­но Stream Protocol, обмен дан­ны­ми пред­став­ля­ет­ся в виде па­рал­лель­но фун­к­ци­о­ни­ру­ю­щих по­то­ков, а ди­на­ми­че­ский выбор об­слу­жи­ва­е­мого потока в каж­дый момент вре­ме­ни осу­ще­ст­вля­ет mass storage уст­рой­ст­во, оп­ти­ми­зи­руя этот выбор в со­от­вет­ст­вии с внут­рен­ним состоянием. Таким со­сто­я­ни­ем для маг­нит­ного диска мо­жет быть но­мер ци­лин­д­ра, на который в данный мо­мент спо­зи­ци­о­ни­ро­ва­ны го­лов­ки. Для NAND-уст­рой­ст­ва это может быть номер ак­ти­ви­ро­ван­но­го в дан­ный момент банка запоминающей мат­ри­цы.

Триединый xHCI-контроллер

Разработка архитектуры eXtensible Host Controller Interface — контроллера USB 3.0, шедшего на смену ком­па­ньо­нам EHCI (USB 2.0) и UHCI/OHCI (USB 1.1), ставила задачи в духе времени. Инженерам-про­ек­ти­ров­щи­кам ста­ло оче­вид­но: пригодность его про­г­рам­мной мо­де­ли к аппаратной вир­ту­а­ли­за­ции должна лежать в основе дизайна. Поэтому сегодня USB 3.0 xHCI оптимизирован для представления одного USB хост-конт­рол­ле­ра в виде набора вир­ту­аль­ных фун­к­ций, по­сту­па­ю­щих в рас­по­ря­же­ние нескольких гостевых ОС. При этом на­бор USB-устройств, под­клю­чен­ных к од­но­му фи­зи­че­ско­му USB-контроллеру, может быть про­из­воль­ным об­ра­зом разделен на группы, каждая из которых пе­ре­да­ет­ся в рас­по­ря­же­ние одной из гос­те­вых ОС.

Реализация подобного класса возможностей требует сложного набора программируемых регистровых по­лей, опи­сы­ва­ю­щих привязку каждого из виртуальных агентов (контроллеров и устройств) к требуемой гостевой ОС. Разумеется, такая функциональность является лишь опцией. Реализации xHCI полностью «в железе» раскрывающие потенциал, заложенный в спецификации, встретить достаточно сложно, если не сказать про­б­ле­ма­тич­но. Тем не менее, готовность к рас­смот­рен­ным операционным сценариям, даже при отсутствии под­держ­ки этих сценариев конкретными ре­а­ли­за­ци­я­ми контроллеров, привела к значительному ус­лож­не­нию программной модели.

Более практичным и востребованным свойством xHCI является поддержка одним контроллером всех ско­рост­ных ре­жи­мов, определенных в рамках трех поколений шины. Теоретически, это обстоятельство должно было сделать не­нуж­ны­ми контроллеры-компаньоны. На практике, в силу сложной архитектуры xHCI, ряда ра­ди­каль­ных но­во­вве­де­ний, кос­нув­ших­ся не только контроллера, но и принципов его интеграции в платформу, полноценная программная под­дер­ж­ка xHCI существующими на тот момент ОС, сильно запаздывала. Это мо­ти­ви­ро­ва­ло раз­ра­бот­чи­ков, в це­лях сов­мес­ти­мос­ти, включать в состав системной логики контроллеры пред­ы­ду­щих поколений, в частности USB1 OHCI и USB2 EHCI наряду с USB3 xHCI.

Так, ситуация с AMD Bolton FCH находится на грани анекдотичной. Вместо устранения кон­т­рол­ле­ров-ком­па­ньо­нов, клас­си­фи­ка­ция их типов расширилась с двух до трех.

Конкурент решал аналогичную проблему одновременным присутствием EHCI, RMH и xHCI. Но надо признать на се­го­дня ука­зан­ные трудности роста можно считать прой­ден­ны­ми. Типовые ре­а­ли­з­ции системной ло­ги­ки вклю­ча­ют в себя лишь кон­т­рол­ле­ры xHCI, успешно справляющиеся с поддержкой мно­го­чис­лен­ных ско­рост­ных режимов всех трех по­ко­ле­ний шины.

Вместо резюме: продолжение следует

С третьей попытки дизайн универсальной последовательной шины стал той благодатной почвой, на которой буй­но за­ко­ло­си­лись ком­пле­мен­тар­ные тех­но­ло­гии: от ре­вер­сив­но­го разъ­е­ма и его аль­тер­на­тив­но­го ис­поль­зо­ва­ния, до ура­ган­ных ме­то­дов об­ме­на пи­та­ю­щи­ми на­пря­же­ни­я­ми. Все они по­лу­чи­ли свои собственные спе­ци­фи­ка­ции и за­слу­жи­ва­ют от­дель­но­го рас­смот­ре­ния на страницах нашего сай­та.