O USB 3.0, é a terceira versão do padrão Universal Serial Bus, oferecendo a taxa de transferência SuperSpeed USB (SS) de até 5 Gbit/s (500 MB/s após codificação), cerca de 10 vezes mais rápido que o USB 2.0. Para distinguir os conectores, recomenda-se a cor azul e as iniciais SS.
O USB 3.1, introduzido em julho de 2013, mantém a taxa SuperSpeed como USB 3.1 Gen 1 e adiciona o SuperSpeed+ (USB 3.1 Gen 2), que alcança 10 Gbit/s (1200 MB/s).
O USB 3.2, lançado em setembro de 2017, substitui o 3.1, preservando seus modos de transferência e introduzindo dois novos modos via USB-C, com velocidades de 10 e 20 Gbit/s (1200 e 2400 MB/s). A nomenclatura, no entanto, gerou confusão entre especialistas e consumidores, devido à falta de clareza nas distinções entre as gerações.
Índice
Melhorias
O USB 3.0, embora semelhante ao USB 2.0, traz várias melhorias e uma implementação alternativa. Mantém conceitos como terminais e tipos de transferência (em massa, controle, isócrono e interrupção), mas apresenta diferenças no protocolo e na interface elétrica, incluindo um canal separado para tráfego USB 3.0. As principais melhorias são:
- Velocidade de transferência: Introduz a transferência SuperSpeed (SS) de até 5 Gbit/s, mais próxima do PCI Express 2.0 e SATA.
- Largura de banda: Utiliza dois caminhos unidirecionais, um para envio e outro para recebimento de dados.
- Gerenciamento de energia: Define estados de gerenciamento de energia (U0 a U3).
- Uso de barramento: Introduz pacotes NRDY e ERDY, permitindo que dispositivos notifiquem o host sobre sua prontidão de forma assíncrona.
- Suporte para mídia rotativa: Atualiza o protocolo em massa com o Stream Protocol, possibilitando múltiplos fluxos lógicos em um Endpoint.
Com velocidades de até 5 Gbit/s (500 MB/s), o USB 3.0 é cerca de dez vezes mais rápido que o USB 2.0 (0,48 Gbit/s) e, por ser full duplex, oferece uma largura de banda bidirecional total até vinte vezes maior, permitindo uma expectativa de 450 MB/s em aplicativos.
Arquitetura
O conector USB 3.0 padrão A apresenta uma linha frontal de quatro pinos para compatibilidade com USB 1.x/2.0 e uma segunda linha de cinco pinos para a nova conectividade USB 3.0, com a inserção de plástico na cor azul (Pantone 300C).
A arquitetura de barramento duplo permite que operações USB 2.0 (total, baixa ou alta velocidade) e USB 3.0 (supervelocidade) ocorram simultaneamente, garantindo compatibilidade retroativa. A topologia é em estrela, com um hub raiz no nível 0 e hubs em níveis inferiores.
Transferência e Sincronização
As transações SuperSpeed são iniciadas por solicitações do host, com o dispositivo aceitando ou rejeitando. Se aceito, o dispositivo envia ou recebe dados; caso contrário, pode responder com um handshake STALL ou um sinal Not Ready (NRDY) se não puder processar a solicitação. Quando estiver pronto, envia um Endpoint Ready (ERDY) para que o host reagende a transação.
O uso de unicast e pacotes multicast limitados, junto com notificações assíncronas, permite que os links inativos sejam colocados em estados de energia reduzida, melhorando o gerenciamento de energia.
Codificação de Dados
O modo “SuperSpeed” opera a 5 Gbit/s, resultando em uma taxa de transferência bruta de 4 Gbit/s, com uma expectativa prática de 3,2 Gbit/s (400 MB/s). Os dados são enviados como segmentos de 8 bits, codificados em símbolos de 10 bits usando a codificação 8b/10b, o que ajuda na decodificação mesmo diante de interferências eletromagnéticas (EMI).
Esta codificação utiliza um registrador de deslocamento de realimentação linear (LFSR), redefinido sempre que um símbolo COM é enviado ou recebido.
Diferentemente dos padrões anteriores, o USB 3.0 não especifica um comprimento máximo de cabo, apenas que todos os cabos atendam a uma especificação elétrica. Para cabos de cobre com fios AWG 26, o comprimento máximo prático é de 3 metros.
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Potência
O USB 3.0 mantém a tensão de 5 volts das versões anteriores, mas oferece melhorias na corrente. Para dispositivos SuperSpeed de baixa potência, a corrente disponível é de 150 mA, um aumento em relação aos 100 mA do USB 2.0. Dispositivos de alta potência podem acessar até 900 mA (4,5 W), quase o dobro dos 500 mA permitidos pelo USB 2.0.
Além disso, as portas USB 3.0 podem adotar especificações adicionais para maior potência, como a Especificação de Carregamento de Bateria USB, que permite até 1,5 A (7,5 W), ou a Especificação de Fornecimento de Energia USB do USB 3.1, que suporta carregamento de até 100 W para o dispositivo host.
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Adoção e disponibilidade do USB 3.0
O USB 3.0 Promoter Group anunciou a conclusão da especificação da versão 3.0 em 17 de novembro de 2008, transferindo-a para o USB Implementers Forum (USB-IF), permitindo a implementação em produtos. Os primeiros dispositivos USB 3.0 foram lançados pela Buffalo Technology em novembro de 2009, com produtos certificados anunciados no CES de janeiro de 2010, incluindo placas-mãe da Asus e Gigabyte.
Fabricantes de controladores USB 3.0 como Renesas, Fresco Logic, ASMedia e outros passaram pela certificação USB-IF em 2010. A HP lançou o HP Envy 17 3D com controlador USB 3.0, enquanto a AMD colaborou com a Renesas para integrar USB 3.0 em seus chipsets de 2011. Na CES 2011, Toshiba e Sony também apresentaram laptops com USB 3.0.
Adicionando ao Equipamento Existente
Controladores USB 3.0 podem ser adicionados por meio de placas de expansão PCI Express. Em laptops, a energia adicional para portas USB 3.0 pode ser obtida através de:
- Adaptadores ExpressCard que se conectam a uma porta USB 2.0.
- Soquetes para fontes de alimentação externa.
- Conexões a hubs USB 3.0 alimentados.
Em desktops, placas de expansão PCI Express geralmente requerem uma fonte de alimentação adicional, como um adaptador Molex, para suportar dispositivos que não têm outra fonte de energia. As placas de expansão podem fornecer de duas a quatro portas USB 3.0, cada uma com até 0,9 A (4,5 W).
Alternativas como eSATAp também são consideradas para conexões rápidas de dispositivos de armazenamento. Todos os dispositivos USB devem ser aprovados pelo USB-IF, e sistemas de teste estão disponíveis para garantir a compatibilidade entre placas-mãe e periféricos.
Conectores
O receptáculo USB 3.0 Standard-A, que possui inserto azul (Pantone 300C), aceita tanto plugues USB 3.0 Standard-A quanto USB 2.0 Standard-A, garantindo compatibilidade retroativa. O Standard-A é utilizado para conectar a portas de computador.
O receptáculo USB 3.0 Standard-B aceita plugues USB 3.0 Standard-B e USB 2.0 Standard-B. Embora seja possível conectar um plugue USB 2.0 em um receptáculo USB 3.0, não é possível o contrário devido ao tamanho maior do conector USB 3.0. O Standard-B é utilizado no lado do dispositivo.
O USB 3.0 introduziu também o plugue Micro-B, que combina um conector Micro-B padrão com um plugue adicional de 5 pinos “empilhado”, mantendo a compatibilidade com dispositivos USB 1.x/2.0. Isso permite que dispositivos USB 3.0 Micro-B funcionem em velocidades USB 2.0 quando conectados a cabos USB 2.0. Porém, um plugue USB 3.0 Micro-B não se encaixa em receptáculos USB 2.0 Micro-B.
Pinagem
O conector USB 3.0 mantém a mesma configuração física do USB 2.0, mas adiciona cinco pinos extras.
Os pinos VBUS, D−, D+, e GND são necessários para a comunicação USB 2.0. Os cinco novos pinos incluem dois pares diferenciais para transferência de dados SuperSpeed (full duplex) e um pino de terra (GND_DRAIN), que é utilizado para a terminação do fio dreno, controle de EMI e manutenção da integridade do sinal.
Problemas Conhecidos
Velocidade e Compatibilidade
Várias implementações do USB 3.0 utilizaram a família de controladores NEC/Renesas µD72020x, que frequentemente exigem atualização de firmware para funcionar corretamente com determinados dispositivos. Além disso, a velocidade de dispositivos de armazenamento USB é afetada pelo fato de que os drivers do protocolo USB Mass Storage Bulk-Only Transfer (BOT) costumam ser mais lentos que os do protocolo USB Attached SCSI (UAS).
Em algumas placas-mãe antigas baseadas em Ibex Peak (2009–2010), os chipsets USB 3.0 integrados estavam conectados por meio de uma via PCI Express de 2,5 GT/s, o que não fornecia largura de banda suficiente para suportar uma única porta USB 3.0. Algumas dessas placas permitiam conectar o chip USB 3.0 diretamente ao processador, mas isso reduzida a disponibilidade de pistas PCI Express para a placa gráfica. Por outro lado, placas mais recentes, como a Gigabyte P55A-UD7, utilizaram switches PLX para combinar duas pistas de 2,5 GT/s em uma única pista de 5 GT/s, proporcionando a largura de banda necessária.
Interferência de Radiofrequência
Dispositivos e cabos USB 3.0 podem interferir em dispositivos sem fio que operam na banda ISM de 2,4 GHz, resultando em redução da taxa de transferência ou perda total de conexão com dispositivos Bluetooth e Wi-Fi. Em alguns casos, como no Vivo Xplay 3S, a interferência foi tão significativa que os fabricantes tiveram que remover o suporte para USB 3.0 antes do lançamento.
Estratégias para mitigar esses problemas incluem aumentar a distância entre dispositivos USB 3.0 e roteadores Wi-Fi ou dispositivos Bluetooth, além da aplicação de blindagem adicional em componentes internos do computador.
Versões recentes
USB 3.1
Em janeiro de 2013, foi anunciada a atualização do USB 3.0 para atingir velocidades de 10 Gbit/s (1250 MB/s). A nova especificação, USB 3.1, foi lançada em 31 de julho de 2013, substituindo o USB 3.0. O USB 3.1 mantém a taxa de transferência SuperSpeed do USB 3.0, agora chamada de USB 3.1 Gen 1, e introduz uma nova taxa, SuperSpeed USB 10 Gbps, conhecida como USB 3.1 Gen 2. Esta atualização melhora a codificação de linha, reduzindo a sobrecarga para 3% e aumentando a taxa de dados efetiva para 1.212 MB/s. A primeira implementação real do USB 3.1 Gen 2 alcançou velocidades de 7,2 Gbit/s.
A especificação USB 3.1 é compatível com USB 3.0 e USB 2.0, definindo os seguintes modos de transferência:
- USB 3.1 Gen 1: SuperSpeed a 5 Gbit/s usando codificação 8b/10b (500 MB/s efetivos).
- USB 3.1 Gen 2: SuperSpeed+ a 10 Gbit/s usando codificação 128b/132b (1212 MB/s efetivos).
A mudança na nomenclatura permitiu que produtos com velocidades de 5 Gbit/s fossem comercializados como “USB 3.1”.
USB 3.2
Em 25 de julho de 2017, o USB 3.0 Promoter Group anunciou uma atualização para a especificação USB Type-C, com a introdução de novas velocidades de transferência. A especificação USB 3.2, lançada em 22 de setembro de 2017, permite que cabos USB-C operem a 10 Gbit/s e até 20 Gbit/s, utilizando multipistas.
A especificação USB 3.2 é compatível com USB 3.1, 3.0 e 2.0, definindo os seguintes modos de transferência:
- USB 3.2 Gen 1: SuperSpeed a 5 Gbit/s em 1 pista (500 MB/s efetivos).
- USB 3.2 Gen 2: SuperSpeed+ a 10 Gbit/s em 1 pista (1212 MB/s efetivos).
- USB 3.2 Gen 1×2: SuperSpeed+ a 10 Gbit/s em 2 pistas (1000 MB/s efetivos).
- USB 3.2 Gen 2×2: SuperSpeed+ a 20 Gbit/s em 2 pistas (2424 MB/s efetivos).
Embora Gen 1×2 e Gen 2×1 operem a 10 Gbit/s, Gen 1×2 usa uma codificação menos eficiente (8b/10b).
Em maio de 2018, a Synopsys demonstrou a primeira conexão USB 3.2 Gen 2×2, alcançando velocidades médias de 1600 MB/s. O USB 3.2 é compatível com drivers padrão do Windows 10 e Linux 4.18 ou posterior. Em fevereiro de 2019, o USB-IF simplificou as diretrizes de marketing, excluindo o modo Gen 1×2 e exigindo que os logotipos indicassem a velocidade máxima de transferência.
