Mischbetrieb und Tunnel

Anders als HDMI war Displayport schon immer sehr flexibel. Um von einer Quelle mehrere Empfänger ansprechen zu können, erlaubt es der Standard, die Signalpaare auf die verschiedenen Empfänger aufzuteilen. Das bedeutet: Auch mit nur einer oder zwei differenziellen Verbindungen kann ein Bildsignal übertragen werden.

Das nutzt ein zweiter Alternativmodus, um nicht den kompletten Stecker ausschließlich zur Bildübertragung zu verwenden. Hierbei ist die Leitungsaufteilung asymmetrisch: Beim Host arbeiten drei Transceiver als Sender, einer als Empfänger, beim angeschlossenen Gerät genau umgekehrt. Zwei Sender übertragen Displayport-Signale, das Sender-Empfänger-Paar hingegen USB mit hoher Datenrate.

Auch wenn das nach Einschränkung klingt: Die Bandbreite genügt, um ein 4K-Signal mit hohem Dynamikumfang (High Dynamic Range, HDR) und 60 Hz Bildrate zu übertragen (PDF). Gleichzeitig kann etwa ein Monitor noch ein USB 3.1-Hub enthalten, an dem Ethernet, Maus und Tastatur mit nur einem Kabel hängen.

USB4 baut Tunnel

USB4 stellt in der Geschichte der Schnittstelle einen großen Umbruch dar. Die technische Grundlage ist Thunderbolt, wodurch das Protokoll komplett umgekrempelt wird und neue Möglichkeiten bekommt: Hier lassen sich PCIe, Thunderbolt 3 und USB 3 tunneln. Damit werden die drei unterschiedlichen Protokolle parallel über ein Kabel übertragen.

• 

Mischbetrieb: Nur zwei Hochgeschwindigkeitsverbindungen übertragen Bilddaten, die anderen bleiben für USB verfügbar. Das kann HDMI nicht. (Bild: USBIF)

Dabei teilen sie sich die vorhandenen Ressourcen, die Signalpaare stehen allen getunnelten Protokollen zur Verfügung. Eine explizite Zuordnung von Signalen wie bei den Alternativmodi gibt es nicht mehr. Auch bei USB4 ist eine asymmetrische Konfiguration vorgesehen, um durch einen Displayport-Tunnel die Datenrate nicht einseitig zu beschneiden. Möglich wird das, indem die Datenpakete der getunnelten Protokolle in USB-Pakete umverpackt werden.

Die Übergabe der Datenpakete erfolgt in der Transportschicht, also vor dem Einfügen von Redundanz zur Vorwärtsfehlerkorrektur und Leitungskodierung. Dadurch wird doppelter Aufwand vermieden, gleichzeitig sind nur geringe Anpassungen der Hardware erforderlich, da die getunnelten Daten einfach aus dem normalen Verarbeitungsprozess des jeweiligen Protokolls abgegriffen werden. HDMI fehlt hier – die rudimentären Pakete der älteren Protokolle machen das Tunneln kompliziert.

USB4-Hardware ist komplexer

Für jedes getunnelte Protokoll stellt die USB4-Hardware eine eigene Konfigurationsschnittstelle bereit. Die sorgt etwa dafür, dass die Übertragungskapazität so auf die verschiedenen Protokolle aufgeteilt wird, dass alle eine vorgegebene Service-Qualität (Quality of Service, QoS) einhalten. So wird sichergestellt, dass etwa Bilddaten kontinuierlich und mit fester Datenrate übertragen werden.

Zwar kannte USB lange Zeit sogenannte isochrone Transfers (g+), die ebenfalls QoS-Anforderungen umsetzen können. Die sind allerdings selbst in einem Tunnel verschwunden: Das alte USB-Protokoll wird als USB 3 getunnelt, das von Thunderbolt geerbte USB4-Protokoll kennt sie nicht.

Gegenüber den Alternativmodi bedeutet das Tunneling einen weiteren Unterschied: Die angesprochene Hardware muss, wenn wir beim Beispiel des Monitors bleiben, jetzt USB4 verstehen, um die getunnelten Daten zu extrahieren. Umgewidmete Signalleitungen im Alternativmodus lassen sich hingegen mit relativ wenig Schaltungsaufwand an eine bestehende Displayport-Schnittstelle anbinden.

Damit ist USB4 in erster Linie für hochpreisige Geräte interessant. Denn zum größeren Schaltungsaufwand kommt noch hinzu, dass aufgrund der höheren Datenraten schnell aktive Kabel erforderlich werden: Passive Kabel ohne eingebaute Verstärker oder optische Wandler dürfen maximal 80 cm lang sein (PDF). Die Alternativmodi werden uns also noch eine Weile erhalten bleiben.