Entendendo o USB 3.0

Publicado em 05/08/2009 – 19:49
por Carlos Morimoto

O USB surgiu originalmente como um substituto para as portas seriais e paralelas usadas até então. Como a aplicação inicial era a conexão de mouses, impressoras, scanners e PDAs, os 12 megabits iniciais foram considerados mais do que suficientes. Entretanto, com o passar do tempo o USB passou a ser cada vez mais usado por câmeras, pendrives e outros dispositivos "rápidos", que demandam velocidades muito maiores. Surgiu então o USB 2.0, uma atualização indolor que aumentou a taxa de transferência teórica para 480 megabits, sem quebrar a compatibilidade com o padrão antigo.

Na prática, ele permite taxas de transferência entre 30 e 45 MB/s, que são uma pesada limitação no caso dos HDs externos, interfaces de rede e outros dispositivos atuais. Como a demanda por banda não para de crescer, é apenas questão de tempo para que os 480 megabits do USB 2.0 se tornem uma limitação tão grande quanto os 12 megabits do USB original foram no passado.

O USB é uma barramento serial (assim como o SATA), onde os dados são transmitidos usando um único par de fios, com um segundo par dando conta da alimentação elétrica. O principal problema é que o USB suporta o uso de cabos mais longos e hubs, o que torna complicado atingir taxas de transferência muito maiores que os 480 megabits do USB 2.0. Isso fez com que logo no início, os trabalhos se concentrassem em desenvolver novos cabos e conectores, que permitissem o uso de mais banda.

O primeiro rascunho do USB 3.0 foi apresentado em 2007 pela Intel, que propôs o uso de um par de cabos de fibra óptica, complementando os dois pares de fios de cobre. O uso de fibra óptica elevaria a taxa de transferência para respeitáveis 5 gigabits, sem quebrar a compatibilidade com dispositivos antigos:

O grande problema com o padrão da Intel era o custo, já que tanto os cabos quanto os dispositivos seriam muito mais caros. Ele também não fazia nada com relação à capacidade de fornecimento elétrico, mantendo os mesmos 2.5 watts por porta do USB 2.0, que são insuficientes para muitos dispositivos.

Não é preciso dizer que ele foi bastante criticado e acabou sendo abandonado em 2008, dando lugar ao padrão definitivo, que oferece 4.8 gigabits de banda (10 vezes mais rápido que o 2.0 e apenas 4% menos que o padrão proposto pela Intel) utilizando apenas cabos de cobre. Os 4.8 gigabits do USB 3.0 são chamados de "SuperSpeed", complementando o "High-Speed" (480 megabits) do USB 2.0 e o "Full-Speed" (12 megabits) do USB 1.x.

Para possibilitar o aumento da banda, foram adicionados dois novos pares de cabos para transmissão de dados (um para envio e outro para recepção) e um neutro, totalizando 5 novos pinos, que nos conectores tipo A são posicionados na parte interna do conector:

Essa organização permitiu manter a compatibilidade com dispositivos antigos, já que os 4 pinos do USB 2.0 continuam presentes. Ao plugar um dispositivo antigo em um conector USB 3.0, apenas os 4 pinos de legado são usados e ele funciona normalmente. O inverso também funciona, desde que o dispositivo USB 3.0 seja capaz de trabalhar em modo de legado, dentro das limitações elétricas do USB 2.0.

Por outro lado, os conectores USB tipo B (os usados por impressoras) e micro-USB (adotados como padrão para os smartphones) oferecem uma compatibilidade de mão-única, onde você pode plugar um dispositivo USB 2.0 em uma porta 3.0, mas não o contrário, devido ao formato dos conectores. O tipo B ganhou um "calombo" com os 5 pinos adicionais e o USB micro ganhou uma seção adicional:

Além dos novos conectores, outra novidade é o aumento no fornecimento elétrico das portas, que saltou de 500 mA (2.5 watts) para 900 mA (4.5 watts), o que permitirá que mais dispositivos sejam alimentados através da porta USB. Não deve demorar até que surjam gavetas para HDs de 3.5" alimentadas por duas (ou três) portas USB 3.0, por exemplo, já que muitos HDs "verdes" de 5.400 RPM trabalham tranquilamente abaixo dos 10 watts. Você pode contar também com toda uma nova safra de ventiladores, LEDs e bugigangas diversas tirando proveito da energia adicional.

Para reduzir o consumo elétrico dos controladores, o padrão inclui também um novo sistema de interrupções, que substitui o sistema de enumeração usado no USB 2.0. Em resumo, em vez de o controlador manter a porta ativa, constantemente perguntando se o dispositivo tem algo a transmitir, o host passa a manter o canal desativado até que o dispositivo envie um sinal de interrupção. Além de oferecer uma pequena redução no consumo do host (suficiente para representar um pequeno ganho de autonomia no caso dos netbooks) o novo sistema reduz o consumo nos dispositivos plugados.

Para diferenciar os conectores, foi adotada a cor azul como padrão tanto para os cabos quanto para a parte interna dos conectores. Naturalmente, os fabricantes não são necessariamente obrigados a usarem o azul em todos os produtos, mas ao ver um conector azul, você pode ter certeza de que se trata de um 3.0.

Os primeiros dispositivos devem chegar ao mercado no final de 2009, mas não espere que eles se tornem comuns antes da metade de 2010. Inicialmente, os lançamentos se concentrarão em HDs e SSDs externos (que são severamente limitados pelo USB 2.0), mas eventualmente ele chegará a outros dispositivos, substituindo o 2.0 gradualmente.

Apesar disso, ainda demorará muitos anos até que o USB 3.0 substitua o padrão anterior completamente, já que os controladores USB 2.0 são muito mais simples e baratos, e o desempenho é mais do que suficiente para muitas aplicações. Não faria sentido lançar um mouse ou um adaptador bluetooth USB 3.0, por exemplo, a não ser que fosse por simples hype.

Existem também várias complicações técnicas em equipar uma placa-mãe com um grande número de portas USB 3.0. Os controladores são caros e cada par de portas precisa ser conectado a duas linhas PCI Express 2.0 (ou quatro linhas PCIe 1.x) para que o desempenho não seja penalizado.

Considerando que muitos chipsets possuem apenas 20 ou 24 linhas PCI Express, é perfeitamente compreensível que a primeira geração de placas tenham apenas duas portas USB 3.0 (em azul), complementadas por mais 6 ou 10 portas USB 2.0:

Isso deve mudar a partir do momento em que a Intel, nVidia e AMD passarem a produzir chipsets com um número maior de portas integradas, mas isso deve acontecer apenas em 2010. A Intel é a mais avançada, graças ao trabalho no padrão xHCI (sucessor do EHCI e OHCI, usados no USB 2.0). Embora ele seja um padrão aberto de controladores, a Intel realizou a maior parte do desenvolvimento e por isso acabou desenvolvendo uma dianteira em relação aos outros fabricantes, liberando o projeto do controlador apenas depois que ele já estava concluído.

Ao usar uma placa antiga, é possível adicionar um controlador USB 3.0 através de uma placa de expansão, como de praxe. Nesse caso é recomendável usar uma placa PCIe x4, já que os slots x1 não oferecem banda suficiente para alimentar uma placa com duas ou quatro portas.

Com relação aos drivers, temos suporte no Linux a partir do kernel 2.6.31. A versão inicial do Windows 7 ainda não inclui drivers, mas eles devem ser adicionados através de uma atualização posterior, que deve se estender ao Vista. A dúvida fica por conta do Windows XP e anteriores, dos quais a Microsoft quer se livrar o mais rápido possível.