1 . Was bedeutet USB 3.0?

USB 3.0 stellt die nächste Generation der populären Plug-and-Play-Kommunikationsschnittstelle Universal Serial Bus dar. Sie wird vom USB Implementers Forum (USB-IF) verwaltet. Bei ihrer Entwicklung wurde auf den Stärken von USB 2.0 aufgesetzt, gleichzeitig aber viele Einschränkungen aufgehoben.

2. Mit welcher Bandbreite wartet USB 3.0 auf?

Die bei der Bulk-Transfer-Methode effektiv verfügbare Bandbreite beträgt ungefähr 400 MByte/s. Dies ist ungefähr 10-mal mehr als bei USB 2.0 und fünfmal mehr als bei FireWire IEEE1394b. Damit können mit USB 3.0 die Vorteile genutzt werden, die sich aus der Geschwindigkeit und der Auflösung der aktuellen Multi-Megapixel-Sensortechnologie ergeben.  
Die praktische Bandbreite ist abhängig vom USB3.0-Chipsatz und dem Chipsatz auf dem Motherboard. Einige Motherboards von Intel schränken z.B. das PCIe Gen 2.0 x1 Interface auf die Geschwindigkeit von Gen 1.0 ein (2,5 Gb/s anstelle von 5 Gb/s).

3. Worin unterscheidet sich die Architektur von USB 2.0?

USB 2.0 setzt eine hostgesteuerte Architektur (auch als Master-Slave bekannt) ein, bei der jede Transaktion entweder vom Master (der Hostcomputer) kommt oder zu ihm geht. Es handelt sich um eine sog. Halb-Duplex-Kommunikation, bei der Daten immer nur in eine Richtung gleichzeitig übertragen werden. Bei USB 3.0 kommen fünf weitere Drähte hinzu, sodass Stecker und Kabel über insgesamt neun Drähte verfügen. Als Datenschnittstelle kommt ein Unicast-Dual-Simplexinterface zum Einsatz, das gleichzeitige Datenflüsse in beide Richtungen erlaubt und eine deutliche Verbesserung gegenüber dem unidirektionalen Kommunikationsmodell von USB 2.0 darstellt.

USB 3.0 ist nach wie vor ein hostgesteuertes Geräteprotokoll, verwendet aber asynchrone Benachrichtigung, die einem Gerät ermöglicht, den Host zu informieren, wenn es zum Datentransfer bereit ist. Dies reduziert die Systembelastung und CPU-Auslastung beträchtlich im Vergleich zum Polling-Mechanismus von USB 2.0. Eine Vielzahl weiterer Protokollverbesserungen, wie z.B. Streamingsupport für Bulk-Transfers und eine effizientere Token-/Daten-/Handshake-Sequenz, erhöhen die Systemeffizienz und reduzieren den Stromverbrauch.

4. Sind USB 3.0 Geräte bereits verfügbar? ­Werden die meisten Computer USB 3.0 in ­Zukunft unterstützen?

Ja. Bis heute haben mehr als 250 Produkte den Zertifizierungstest für SuperSpeed USB bestanden, darunter Motherboards, Notebooks und Netbooks, Add-in-Karten sowie die xHCI und physischen Layer (PHY) Chips selbst. Peripheriegeräte (Karten, Kabel, Motherboards usw.) stehen zur Verfügung. Voraussichtlich wird USB 3.0 ab 2015 auf allen PCs verfügbar sein.

5. Ist USB 3.0 rückwärtskompatibel mit USB 2.0?

Ja. Obwohl das USB3.0-Kabel fünf neue Drähte enthält, ist es dennoch mit USB 2.0 kompatibel und ermöglicht den Benutzern somit, ihre bestehenden USB2.0-Peripheriegeräte auch mit einem USB3.0-fähigen Computer bzw. USB3.0-Geräte mit ihrem bestehenden Computer zu nutzen. Die USB3.0-Stecker des Standards A sind rückwärtskompatibel mit USB 2.0, verfügen aber über neue Pins für die USB3.0-Signale. Auch die neuen Stecker des Standards B sowie die weiblichen Micro-AB-Stecker sind rückwärtskompatibel. Mit USB 3.0 werden auch neue Micro-B und Micro-A Stecker und Steckbuchsen eingeführt.

6. Welche maximale Leistung kann über USB 3.0 an die Kamera übertragen werden?

USB 3.0 bietet im Vergleich zu USB 2.0 ein effizienteres Leistungsmanagement sowie eine erhöhte Leistungsabgabe. Die Höhe der Stromaufnahme für im SuperSpeed-Modus arbeitende USB3.0-Geräte beträgt zurzeit 900 mA, wodurch sich eine Erhöhung der Gesamtleistungsabgabe von 2,5 W auf 4,5 W (bei 5 V) ergibt. Die USB-Batterielade-Spezifikation 1.2 ermöglicht bis zu 7,5 W. USB 3.0 bietet auch eine verbesserte Verwaltung von Energiespar-Modi, je nachdem, ob ein Gerät aktiv ist oder nicht, und macht ineffizientes Polling unnötig.

7. Gibt es Verbesserungen bezüglich EMV (elek­tromagnetische Verträglichkeit) bei USB 3.0?

Ja. Alle USB3.0-Geräte müssen Spread-Spektrum-Clocking (SSC) verwenden, das das Signal moduliert, um die Energie über ein breiteres Frequenzband zu streuen. SSC wird eingesetzt, um die niedrigen Grenzwerte für elektromagnetische Strahlung einhalten zu können.

8. Welche Betriebssysteme unterstützen Videostreaming mit USB 3.0 Kameras?

Windows 7 bietet keine native USB3.0-Unterstützung. Nach Aussage von Microsoft wird Windows 8 allerdings USB 3.0 unterstützen. Apple hat noch keine genauen Pläne zur nativen Unterstützung von USB 3.0 in ihren Betriebssystemen bekanntgegeben. Linux unterstützt USB 3.0 ab der Kernelversion 2.6.31 von September 2009, die derzeitige Implementierung unterstützt allerdings Videostreaming-Anwendungen nicht ausreichend.

9. Gibt es ein standardisiertes Kamera­steuerungsprotokoll für USB3.0-Kameras? Was ist USB3 Vision?

Der USB3-Vision-Standard wird speziell entwickelt, um ein gemeinsames Interface zur Steuerung von USB3.0-Kameras anbieten zu können. Der Standard wird von der Automated Imaging Association (AIA), der globalen Handelsvereinigung für die Vision- und Bildgebungsbranche gepflegt. Ein erster Entwurf wurde in diesem Jahr vorgestellt.

10. Was ist die maximale Kabellänge für USB 3.0?

Die maximale Kabellänge ist im USB3.0-Standard nicht explizit festgelegt. Der Standard beschreibt allerdings das Verhältnis von Kabeldurchmesser zu maximaler Kabellänge, um die Anforderungen bezüglich Spannungsabfall und Dämpfung zu erfüllen. So kann ein Kabel durchaus bis zu 5,3 m lang sein und immer noch die Anforderungen für USB 3.0 erfüllen. USB 3.0 Hubs und Repeater sind bereits in Produktion und werden von Firmen wie Diamond und IOI angeboten. Firmen wie Newnex arbeiten an Lösungen für Kabel mit Signalkorrektur sowie an optischen Lösungen, um größere Distanzen zu überbrücken. Point Grey bietet ein getestetes 3-Meter-Kabel mit einem verriegelbaren Micro-B-Stecker an und arbeitet bereits an geeigneten längeren Kabeln.

11. Wie räumt USB 3.0 vorhandene Bedenken ­gegenüber USB 2.0 aus?

USB 3.0 funktioniert in vielerlei Hinsicht ähnlich wie FireWire, eine der populärsten digitalen Schnittstellen der Branche. Wie FireWire liefert auch USB 3.0 sowohl Strom als auch Daten über ein einziges Kabel. Die verbesserte Leistung mit 4,5 W Stromabgabe (in Zukunft auf 7,5 W erhöht) ist für die heutigen Bildsensoren mit hohen Bildraten sehr gut geeignet. Schraubengesicherte USB3.0-Stecker und hoch flexible Schleppkabel werden derzeit entwickelt.

USB 3.0 unterstützt auch den direkten Speicherzugriff (DMA), womit Daten vom Hauptspeicher gelesen oder in den Hauptspeicher geschrieben werden können, ohne den Weg über die CPU zu gehen. Asynchrone Benachrichtigung ersetzt den Polling-Mechanismus von USB 2.0, wodurch die Prozessorauslastung weiter reduziert wird.

Wie kann man FireWire, GigE, Camera Link, USB 2.0 und USB 3.0 mit Bezug auf Bandbreite, Kabellänge und Kosten miteinander vergleichen?

Eine Schnittstelle, die alle Erfordernisse bezüglich Bandbreite, Kabellänge, Preis usw. optimal abdecken könnte, wäre eindeutig der klare technische Gewinner. In der Realität sind die Kundenanforderungen jedoch zu unterschiedlich, als dass eine Schnittstelle sie alle erfüllen könnte.

In der oben stehenden Tabelle sind die wichtigsten Datenschnittstellen, die heute in industriellen Kameras üblicherweise verfügbar sind, gegenübergestellt. Zu beachten ist dabei, dass einige der in dieser Tabelle vorgestellten Informationen subjektiv sind und dass die Leistung der einzelnen Schnittstellen von der exakten Systemkonfiguration abhängt, in der sie eingesetzt werden.

12. Wie viele Kameras kann ich maximal an einen USB3.0-Bus anschließen?

In einem Netzwerk können theoretisch 255 Einheiten angeschlossen werden, in der Praxis wird die Anzahl jedoch vom Host-Controller bestimmt. Heute verfügbare Host-Controller unterstützen bis zu 30 Geräte (Hubs werden als Gerät mitgezählt).

13. Wie ist die CPU-Auslastung im Vergleich zu anderen Schnittstellen wie FireWire, GigE und USB 2.0?

USB 3.0 ist nach wie vor ein Host-basiertes Geräteprotokoll, verwendet aber eine Unicast-Dual-Simplex-Datenschnittstelle, mit der Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden können. Des Weiteren verwendet USB 3.0 asynchrone Benachrichtigung, die es einem Gerät ermöglicht, dem Host mitzuteilen, dass es für den Datentransfer bereit ist. Dies reduziert die Systembelastung und CPU-Auslastung im Vergleich zum Polling-Mechanismus bei USB 2.0. Eine Vielzahl weiterer Protokollverbesserungen, wie z.B. Streamingsupport für Bulk-Transfers sowie eine effizientere Token-/Daten-Handshake-Sequenz, verbessern die Systemeffizienz und reduzieren den Stromverbrauch. Im Allgemeinen wird die CPU-Auslastung geringer sein als bei USB 2.0 und GigE und eher der von FireWire entsprechen.

14. Wo steht USB 3.0 im Vergleich zu Thunderbolt?

Thunderbolt ist eine neue Hochgeschwindigkeits-Schnittstellentechnologie, die eine Bandbreite von ungefähr 10 Gbit/s bietet und DisplayPort und PCI Express (PCIe) Schnittstellen kombiniert. Es ist noch nicht klar, ob es für Thunderbolt eine Zukunft als digitale Schnittstellentechnologie für industrielle Kameras geben wird. Es ist klar, dass USB 3.0 im Konsumentenbereich sehr schnell allgegenwärtig und eine der vorherrschenden Schnittstellen in der Visionsbranche sein wird.