Per l’utilizzatore finale molte volte la tecnologia disponibile non è abbastanza veloce per soddisfare appieno le sue esigenze. Attualmente sono necessari circa 14 minuti per trasferire un filmato ad alta definizione di 256 GB e circa nove minuti per trasferire un programma televisivo da 16 GB da un Pc a un dispositivo multimediale portatile. Fortunatamente le più recenti innovazioni tecnologiche sono caratterizzate da velocità tali da permettere agli utenti di disporre dei contenuti desiderati in tempi più rapidi. Una di queste innovazioni è rappresentata dall’evoluzione di Usb, senza dubbio l’interfaccia che gode della più ampia diffusione tra quelle attualmente presenti sul mercato. Il nuovo standard Usb 3.0 SuperSpeed ha fatto la sua comparsa sul mercato e garantisce notevoli miglioramenti per quanto riguarda la velocità di trasferimento di file multimediali. Nell’era di Internet e di un’autentica rivoluzione nel mondo delle comunicazioni, una massa sempre maggiore di contenuti viene generata, elaborata e consumata a velocità via via crescenti: nel contempo, anche nel settore delle tecnologie di memorizzazione di massa si assistono a evoluzioni di notevole portata. La memorizzazione sta diventando sempre più economica e le densità vanno rapidamente aumentando, favorendo la condivisione dei contenuti. Gli utenti non devono più preoccuparsi di riservare spazio sull’hard drive. La disponibilità di parecchie schedine di memoria permetterà ad esempio a un fotografo di scattare tutte le foto che vuole e sostituire la scheda quando è piena. Questi modelli di utilizzo si vanno sempre più diffondendo non solo in contesti aziendali e professionali, ma anche nella vita di tutti i giorni. Fotocamere e videocamere sono caratterizzate da risoluzioni sempre più elevate e immagini di qualità migliore, generando la necessità di una interconnessione più veloce per fruire in tempi brevi del contenuto. La richiesta di un collegamento più rapido è stata così sostenuta da indurre parecchie aziende di primo piano a dar vita a un gruppo il cui scopo era quello di sviluppare soluzioni adatte a soddisfarla in maniera semplice ed elegante. Così nel novembre di due anni fa l’Usb Implementers Forum ha ufficialmente ratificato la specifica Usb 3.0. L’obiettivo principale di Usb 3.0 è quello di preservare le medesime doti di semplicità d’uso, flessibilità e supporto della modalità hot-plug (connessione e/o sconnessione anche a sistema funzionante) a fronte di un considerevole aumento della velocità di trasmissione. Un altro aspetto che è stato tenuto nella massima considerazione è quello relativo della gestione della potenza. Si tratta di un fattore molto importante soprattutto nelle applicazioni di tipo “Sync&Go” in cui è necessario bilanciare attentamente funzionalità disponibili e durata delle batterie. Per quanto concerne i chipset per Usb 3.0, la loro comparsa è avvenuta all’inizio dell’anno mentre la diffusione su larga scala è prevista per il 2011. Usb 3.0 abilita tutta una nuova serie di modelli di utilizzo delle applicazioni mentre il throughput è superiore a 3 Gbps (mentre la velocità massima – signaling speed, ovvero la velocità complessiva con cui i dati, compreso l’overhead, possono essere trasmessi - è di 5 Gbps), più elevato di un fattore pari a 10 rispetto ad Hi-Speed. Usb 3.0 è destinato inizialmente ai mercati dei PC e dei dispositivi che richiedono velocità e volumi di trasferimento dati più elevati, come ad esempio memorie esterne, dispositivi elettronici consumer e apparecchiature di comunicazione che necessitano di una maggiore quantità di memoria.
Da Hi-Speed a SuperSpeed
L’interfaccia Usb 3.0 risulta composta da un bus fisico SuperSpeed oltre al bus fisico 2.0. Lo standard Usb 3.0 definisce un meccanismo di segnalamento simplex (unidirezionale) doppio a una velocità di 5 Gbps. Questo consente un trasferimento simultaneo di dati da e per il dispositivo, in contrapposizione a quanto avviene per il singolo bus Usb 2.0 full duplex unidirezionale. L’architettura del bus Usb 3.0 è stata progettata per risulta compatibile dal punto di vista elettrico e meccanico con Usb 2.0. in modo che un host Usb 3.0 possano comunicare con un dispositivo alla più elevata velocità di segnalamento supportato dal dispositivo. Viceversa un dispositivo conforme alle specifiche Usb 3.0 quando collegato a un host Usb 2.0 opera alla velocità prevista da Usb 2.0. Oltre a garantire una velocità di segnalamento 10 volte superiore rispetto a quella di Usb 2.0, Usb 3.0 supporta un modello di trasferimento senza dubbio più efficiente. Per esempio le notificazioni asincrone sostituiscono il modello di polling (interrogazione ciclica) previsto da Usb 2.0. Quando un hub Usb 3.0 avvia una transazione il dispositivo può rispondere con Not Ready (NRDY) se i dati o lo spazio di bufferizzazione non sono disponibili. Più tardi, quando il dispositivo è in grado di soddisfare la richiesta, riferirà all’host di essere pronto (stato di ERDY - “Endpoint Ready”). Un host Usb 2.0 invia i pacchetti a tutti i dispositive a valle abilitati (broadcast), costringendo quindi tutti i dispositive a decodificare l’indirizzo ricevuto con ciascun pacchetto. Usb 3.0, invece, distribuisce i pacchetti solamente al dispositivo destinatario di questi ultimi (unicast). Ciò è reso possibile dall’integrazione di informazioni di istradamento nei pacchetti trasmessi, che vengono decodificate da un hub intermedio. La trasmissione di tipo unicast consente a dispositivi inattivi di rimanere in modalità a basso consumo. Questa è una delle numerose tecniche di riduzione dei consumi previste da Usb 3.0. Le specifiche Usb 3,0 consentono ai dispositivi di prelevare fino a 900 mA quando collegati all’host, un valore nettamente superiore rispetto al limite di 500 mA imposto da Usb 2.0.
L’architettura di Usb 3.0
L’architettura di Usb 3.0 si ispira all’architettura a strati di PCIe e a quella del modello OSI. Come si può osservare dalla figura 1, Usb 3.0 prevede un strato fisico, uno strato di collegamento e uno strato di protocollo. Il primo strato comprende il PHY e il collegamento tra un host e un dispositivo o tra un hub e un dispositivo. Come accade per il PHY di PCIe, il Phy di Usb 3.0 prevede codifica 8b/10b, scrambling e descrambing dei dati oltre a funzioni di serializzazione/deserializzazione. Lo strato di collegamento ha il compito di mantenere la connettività e assicurare l’integrità dei dati tra i dispositivi coinvolti nella connessione mediante l’uso di tecniche di rilevamento degli errori. I pacchetti vengono creati in questo strato di collegamento e qui vengono inviati i comandi di collegamento. Lo strato del protocollo gestisce il flusso di dati tra un dispositivo e l’host. Come accade per Usb 2.0, il bus SuperSpeed trasporta dati, indirizzi, informazioni di stato e di controllo. Le tipologie di pacchetto definite sono quattro, due delle quali, TP (Transaction Packet) e DP (Data Packet) sono le stesse di Usb 2.0. I due tipi di pacchetti aggiunti, Itp (Isochromous Timestamp Packet) e Lmp (Link Management Packet) sono invece una peculiarità di Usb 3.0.
Gestione della potenza di Usb 3.0
Le specifiche Usb 3.0 includono funzioni avanzate di gestione della potenza per soddisfare le esigenze delle applicazioni dei dispositive portatili alimentati a batteria. Lo standard definisce due modalità di “Idle” (definite come U1 e U2) che vanno ad aggiungersi alla modalità “Suspend” (denominata U3) di Usb 2.0. Lo stato U2 garantisce risparmi energetici superiori rispetto a U1 in quanto consente a un numero maggiore di circuiti analogici (ad esempio ai circuiti per la generazione del clock) di rimanere inattivi. Ovviamente il tempo per il passaggio dallo stato U2 a quello attivo è più lungo. I consumi minori si hanno nello stato “Suspend” (U3) ma, ancora una volta, il tempo necessario per la ripresa dell’attività (wake-up) risulta maggiore. L’ingresso nelle modalità di “Idle” può essere provocato dall’inattività di una porta a valle per un periodo di tempo programmato o può essere avviato dal dispositivo in base alle informazioni di pianificazione ricevute dall’host. Informazioni di questo tipo vengono segnalate dall’host al dispositivo mediante gli indicatori “Packet pending”, “End of burst” e “Last packet”. Sulla base di questi indicatori, il dispositivo può decidere di entrare in una modalità di “Idle” senza dover attendere l’inattività del bus.
Quando un link si trova in uno degli stati di “Idle” appena descritti, la comunicazione può avere luogo attraverso la modalità Lfps (Low Frequency Period Signaling) che richiede una potenza nettamente inferiore rispetto a un segnalamento SuperSpeed. Una trasmissione Lfps da parte dell’host o di un dispositivo provoca l’uscita dalla modalità di Idle. Con Usb 3.0 viene anche introdotta la funzionalità “Function Suspend” che consente la gestione della potenza di singole funzioni di un dispositivo composito. In questo modo è possibile sospendere talune funzioni di un dispositivo composito mentre altre funzioni restano attive. Anche il meccanismo Ltm (Latency Tolerance Messaging) permette di conseguire ulteriori risparmi in termini di consumi. Un dispositivo può informare l’host circa il massimo ritardo che può sostenere dal momento in cui riporta uno stato di Erdy (Endpoint Ready) a quello in cui riceve una risposta. L’host può scomporre questa tolleranza alla latenza per gestire in modo più efficiente la potenza del sistema. In definitiva il concetto di efficienza energetica è esteso a tutti i livelli di un sistema Usb 3.0, compresi gli strati fisico, di collegamento e di protocollo. Nella Fig. 2 viene riportato un confronto tra il consumo di potenza durante un trasferimento dati in modalità SuperSpeed e Hi-Speed. Un sistema Usb 3.0 richiede più potenza quando è in funzione ma, grazie alla maggiore velocità di trasferimento dati e alla presenza di numerose funzioni di risparmio energetico, rimane attivo per un periodo più breve. Un trasferimento dati in modalità SuperSpeed potrebbe richiedere una potenza inferiore fino al 50% rispetto a un trasferimento in modalità Hi-Speed. Si tratta di una caratteristica di fondamentale importanza per la durata della batteria di dispositivi mobili come ad esempio telefoni cellulari.
Flussi e accesso alle memorie di massa
La velocità di trasferimento dati in modalità SuperSpeed è supportata da un nuovo modello di flussi (Stram). È possibile impostare più buffer di dati e organizzarli sotto forma di flussi in un unico endpoint. Per ciascun endpoint è possibile multiplare flussi fino a 64 k. I flussi sono disponibili sugli endpoint IN e OUT e ciascun flusso è etichettato con uno stream ID. Sia l’host sia il dispositivo possono stabilire il “flusso corrente” associato con un endpoint. Quando richiesto, l’host e il dispositivo possono anche interrompere uno stream. Con gli stream è possibile impostare un modello di esecuzione di tipo out-of-order (in cui cioè non viene rispettato l’ordine imposto) richiesto per il command queuing (ovvero l’analisi e il riordino dei comandi in modo da ottenere sempre una sequenza di esecuzione ottimizzata).
Attualmente lo standard Usb Msc (Mass Storage Class) è il protocollo di riferimento per la comunicazione con i dispositivi di memorizzazione. Il protocollo Msc impone però alcune limitazioni: ad esempio un host Msc in grado di inviare un solo comando alla volta e sono richiesti frequenti gli interventi da parte dell’host e del dispositivo durante l’elaborazione del comando. Queste limitazioni intrinseche comportano l’insorgere di “colli di bottiglia” durante il trasferimento che limitano il throughput negli attuali sistemi Usb 2.0 e potrebbero avere effetti negativi sulla velocità di trasmissione dei sistemi Usb 3.0. Il concetto di flussi dovrebbe favorire l’utilizzo di protocolli per le memorie di massa decisamente più efficienti. Un link di comunicazione tipico dovrebbe essere costituito da una pipe (ovvero un canale logico) Out di comando, una pipe IN e Out (con più flussi di dati) e una pipe di stato. L’host dovrebbe essere in grado di accodare i comandi, ovvero inviare un nuovo comando senza aspettare il completamento del precedente, assegnando un identificativo del flusso a ciascun comando.
Questo concetto di flussi dovrebbe avere un ruolo determinante per attenuare gli effetti dei “colli di bottiglia” dello standard Msc.
Schemi di carica della batteria
La carica è senza dubbio una caratteristica di basilare importanza quando si effettua il confronto tra Usb e altre interfacce. Usb è ora l’interfaccia di carica adottata in numerosi Paesi. La carica mediante Usb comporta indubbi benefici rispetto all’utilizzo di caricabatterie per ogni dispositivo. Non solo contribuisce a diminuire i costi di produzione, limitando il numero di caricabatterie specifici per ogni produttore, ma sul lungo periodo avrà riflessi favorevoli anche sull’impatto ambientale. Host e hub Usb 3.0 supportano gli schemi per la carica della batteria previste dalle relative specifiche dello standard Usb (Usb Battery Charging Specification).
Queste ultime definiscono tre tipi di modalità di utilizzo per la carica:
1 - Host charger: si tratta di un host Usb 2.0 che fornisce una corrente massima di 500 mA a una porta a valle e prevede la funzione di rilevamento del caricabatteria. Un dispositivo Hi-Speed può prelevare fino a 900 mA da un host charger
2 - Hub charger: si tratta di un hub 2.0 che fornisce una corrente massima di 500 mA a una porta a valle e prevede la funzione di rilevamento del caricabatteria. La funzionalità di carica è molto simile a quella di un host charger
3 - Caricabatteria dedicato: si tratta di un dispositivo che fornisce potenza attraverso l’interfaccia Usb ma non prevede l’enumerazione del dispositivo. La corrente di carica è limitata a 1,5 A.
Nella specifica è anche contemplato il caso della carica di una batteria scarica, in modo da consentire a una batteria scarica o con una carica residua di prelevare fino a 100 mA da un host o da un hub finchè la batteria stessa non risulta caricata fino a un valore di soglia accettabile. La possibilità di effettuare la carica attraverso il bus Usb continuerà ad essere sfruttata dai sistemi Usb 3.0. Usb 3.0 si propone quindi come una soluzione ideale per un gran numero di applicazioni che richiedono uno sfruttamento intensivo dell’ampiezza di banda. Il passaggio da Usb 2.0 a Usb 3.0 è imputabile in larga misura alla crescente richiesta di fruizione di contenuti multimediali e dal costante aumento della densità dei dispositivi di memorizzazione. Con Usb 3.0 sarà quindi possibile per un utilizzatore disporre di tutti i contenuti che desidera in tempi estremamente brevi.
