USB-C-Alt-Modes: Wie aus USB Displayport oder Thunderbolt wird
USB-C kann eigentlich so ziemlich alles: Geräte mittels Power Delivery mit Strom versorgen, Daten mit einer kaum überschaubaren Anzahl an Geräten austauschen – und Bilder an Monitore übertragen. Letzteres funktioniert über alternative Betriebsmodi, kurz Alt Modes. Am bekanntesten ist der Alt Mode für Displayport, aber auch Thunderbolt und HDMI sind über den ovalen Stecker möglich, auch wenn der HDMI-Alt-Mode nicht weiterentwickelt wird.
Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen wir zunächst einen Blick auf den Stecker werfen. Nachdem bereits USB 3.0 die Steckverbinder erweiterte, kamen bei den USB-C-Verbindern noch einmal eine Reihe neuer Signale hinzu. Da finden sich zuerst die klassischen USB-Datenleitungen: Um mit vertretbarem Aufwand abwärtskompatibel zu bleiben, ist noch immer ein Leiterpaar für USB 2.0 vorhanden. Daneben existieren Kontakte für die vier Signalpaare der Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Außerdem ergänzt USB-C noch einige sogenannte Seitenbandsignale. Die werden gleich noch wichtig.
Von den Hochgeschwindigkeitsverbindungen nutzt USB nicht zwangsläufig alle: Nur Geräte, die einmal die Namenserweiterung x2 trugen, nutzen alle vier Leiterpaare. Anders als USB 2.0 (und seine Vorgänger) werden die Hochgeschwindigkeitsleiter nicht mehr als Bus verwendet, sondern exklusiv als Up- (Gerät zu Host) oder Downlink (Host zu Gerät). Sie können mit 5 bis 40 GBit/s (USB 4.0 Version 2) betrieben werden.
Gleicher Stecker, andere Signale
Damit sind wir dann auch bei den Display-Schnittstellen: Auch die verwenden vier differenzielle Leiterpaare, allerdings nur in eine Richtung, üblicherweise von einer Grafikkarte zum Monitor; auch Thunderbolt nutzt vier Leiterpaare. Daneben verfügen sowohl Displayport als auch HDMI noch über einige Signale zur Übertragung von Seitenbandinformationen mit geringer Bandbreite, etwa zur Übertragung der Extended Display Identification Data (Edid) und Hot-Plug-Erkennung.
Damit erfüllt der USB-C-Stecker also rein technisch alle Voraussetzungen. Der Teufel liegt hier, wie so oft bei USB, im Detail: Sowohl die Buchsen als auch das Kabel müssen alle 14 Datensignale übertragen – acht für die Hochgeschwindigkeitsverbindungen, zwei für USB 2.0 und vier Seitenbandsignale. Auch der Chip wird etwas komplexer als für reines USB, da die beiden Hochgeschwindigkeitsempfänger im Alternativmodus senden müssen und die Protokolle nicht identisch sind.
Rein technisch unterscheiden sich die Schaltungen dabei kaum, da sowohl die Transceiver als auch die Leitungscodierung von USB und Displayport sehr ähnlich sind. Die Transceiver übernehmen die Wandlung digitaler Daten in analoge Signale (und umgekehrt), die Leitungscodierung (g+) ermöglicht Synchronisation sowie die Übertragung von Steuerinformationen und verhindert starke elektromagnetische Störimpulse.
Abgesehen vom Bittakt sind USB und Displayport identisch: Beide betreiben die Datenleitungen mit einem festen Bittakt, 8b10b- oder 128b130b-Codierung und beide übertragen Daten paketbasiert. Thunderbolt nutzt fast identische Mechanismen, hier werden wie bei USB je zwei Leiterpaare als Up- und Downlink verwendet, der Encoder muss allerdings noch 64b66b-Codierung unterstützen. Die verwendeten Bittakte sind teils verschieden, aber auf rund zehn diskrete Werte beschränkt. Auch die Signalpegel sind nicht willkürlich gewählt, hier sind wenige Standardpegel gebräuchlich. Der Mehraufwand für die komplexeren Transceiver bleibt damit überschaubar.
Größere Unterschiede tauchen erst in den höheren Schichten auf, etwa bei der Datensicherung mittels Vorwärtsfehlerkorrektur. Auch abseits von USB zeigt sich seit Jahren ein Trend, Transceiver für verschiedene Aufgaben zu nutzen, etwa in Systems-on-Chip alternativ für PCIe oder SATA. Das spart Chipfläche, ohne Flexibilität einzubüßen, da Transceiver im Vergleich zur Logik der höheren Protokollschichten viel Platz benötigen, wie auf dem Die-Shot zu erkennen ist (links oben im Bild die PCIe-Transceiver oder PHYs):
Intel did provide a better RKL die shot:https://t.co/cpuysMOQMb(öffnet im neuen Fenster)
I straighten it and updated the previous annotations with the new image (orig. proportions were not kept)
The face of the GT1 solution on RKL looks creepy now and not aztec anymore, that's very important to note. pic.twitter.com/7OhPHCHryw(öffnet im neuen Fenster)
— Locuza (@Locuza_) January 12, 2021(öffnet im neuen Fenster)
HDMI fällt aus der Reihe
HDMI hingegen fällt ziemlich aus der Reihe, was zur geringen Akzeptanz des HDMI-Alternativmodus beigetragen haben dürfte. Bis einschließlich zur Standardversion 2.0b verwendet HDMI einen variablen Bittakt, der von der Auflösung des übertragenen Videosignals abhängt. Das macht komplexere Transceiver erforderlich, die über einen größeren Frequenzbereich funktionieren müssen. Pakete gab es bei HDMI vor Version 2.1 nur in sehr rudimentärer Form.
Auch belegt der HDMI-Alternativmodus immer den kompletten Stecker, Displayport ist da, wie wir gleich sehen werden, flexibler. Denn die bislang vorgestellten Alternativmodi sind nur die einfachsten möglichen Lösungen, USB kann aber noch mehr.
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)(öffnet im neuen Fenster). 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.
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)(öffnet im neuen Fenster). Die Alternativmodi werden uns also noch eine Weile erhalten bleiben.
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