USB 3.0

USB 3.x là phiên bản thứ ba của chuẩn Universal Serial Bus (USB), cho phép máy tính và các thiết bị điện tử kết nối nhanh chóng. USB 3.0 sử dụng công nghệ SuperSpeed USB (SS), đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến 5 Gbit/s (625 MB/s), nhanh gấp khoảng mười lần so với USB 2.0. Các cổng USB 3.0 thường có màu xanh và có thể có ký hiệu SS để phân biệt với USB 2.0.

USB 3.1, ra mắt vào tháng 7 năm 2013, là phiên bản kế nhiệm của USB 3.0, kế thừa các tiêu chuẩn của USB 3.0 và đồng thời thay thế chuẩn này. USB 3.1 vẫn giữ tốc độ SuperSpeed, nhưng được gọi với tên mới là USB 3.1 Thế hệ 1 (USB 3.1 Gen 1). USB 3.1 cũng định nghĩa chuẩn tốc độ SuperSpeed mới với tốc độ 10 Gbps, gọi là USB 3.1 Thế hệ 2 (USB 3.1 Gen 2), cung cấp tốc độ gấp đôi so với USB 3.0 và tương đương với Thunderbolt thế hệ đầu tiên.

USB 3.2, được giới thiệu vào tháng 9 năm 2017, thay thế cho chuẩn USB 3.1.

Từ năm 2017, tên gọi của USB 3.0 đã được đổi thành USB 3.1 Gen 1.

Khái quát

USB 3.0 chia sẻ nhiều điểm tương đồng với USB 2.0 nhưng mang lại những cải tiến đáng kể và có cách thức hoạt động hoàn toàn khác biệt. Mặc dù các khái niệm như 'thiết bị đầu cuối' và bốn loại chuyển dữ liệu (số lượng lớn, kiểm soát, không đồng bộ, và gián đoạn) vẫn được giữ nguyên, các giao thức và cách thức truyền tải điện đã được cải tiến. USB 3.0 sử dụng một kênh vật lý riêng biệt để xử lý lưu lượng, với những thay đổi được mô tả dưới đây:

• Tốc độ truyền: USB 3.0 giới thiệu phương thức truyền mới gọi là SuperSpeed (SS), đạt tốc độ 5 Gbit/s (về mặt điện tử, chuẩn này tương tự như PCI Express 2.0 và SATA hơn là USB 2.0).
• Tăng cường băng thông: Thay vì sử dụng một đường truyền đơn chiều, USB 3.0 sử dụng hai đường dữ liệu không định hướng, một đường nhận và một đường truyền dữ liệu.
• Quản lý điện: USB 3.0 xác định trạng thái quản lý điện từ U0 đến U3.
• Cải thiện bus: USB 3.0 bổ sung tính năng mới với các gói NRDY và ERDY cho phép thiết bị thông báo không đồng bộ khi sẵn sàng.
• Phương thức bulk được cập nhật để hỗ trợ nhiều dòng dữ liệu trong một điểm cuối (Endpoint).

USB 3.0 có tốc độ truyền dữ liệu tối đa 5 Gbps, nhanh hơn khoảng 10 lần so với USB 2.0 (480 Mbps). Với khả năng duplex toàn phần, USB 3.0 có thể đạt băng thông lớn gấp 20 lần so với USB 2.0 nếu sử dụng cả hai đường truyền dữ liệu đồng thời.

Cấu trúc và tính năng

USB 3.0 sử dụng kiến trúc dual-bus cho phép hoạt động đồng thời của cả USB 2.0 (tốc độ đầy đủ, thấp hoặc cao) và USB 3.0 (SuperSpeed), đảm bảo tính tương thích ngược. Các thiết bị USB 3.0 cũng có thể kết nối và hoạt động với cổng USB 2.0.

Truyền dữ liệu và đồng bộ hóa

Trong quá trình truyền dữ liệu SuperSpeed, hệ thống gửi yêu cầu và thiết bị có thể chấp nhận hoặc từ chối yêu cầu đó. Nếu chấp nhận, thiết bị sẽ gửi hoặc nhận dữ liệu từ máy chủ. Nếu đầu cuối bị ngừng, thiết bị sẽ phản hồi bằng tín hiệu bắt tay STALL. Khi thiếu không gian đệm, thiết bị sẽ thông báo bằng tín hiệu Không Sẵn sàng - Not Ready (NRDY). Khi thiết bị sẵn sàng, nó gửi tín hiệu Điểm đến Sẵn sàng - Endpoint Ready (ERDY) tới hệ thống để lên lịch truyền dữ liệu.

Việc sử dụng unicast và các gói tin multicast có giới hạn cùng với thông báo không đồng bộ giúp các liên kết không chủ động chuyển sang trạng thái tiết kiệm năng lượng, cải thiện quản lý điện năng hiệu quả.

Mã hóa dữ liệu

Dữ liệu được truyền dưới dạng chuỗi các byte 8 bit, được mã hóa và chuyển đổi thành các ký hiệu 10-bit bằng phương pháp mã hóa 8b/10b. Phương pháp này đảm bảo giải mã chính xác ngay cả khi có nhiễu điện từ (EMI). Quy trình xáo trộn sử dụng phương pháp đăng ký phản hồi hồi quy tuyến tính - linear feedback shift register (LFSR), và LFSR được đặt lại mỗi khi một biểu tượng COM được gửi hoặc nhận.

Khác với các chuẩn trước, USB 3.0 không chỉ định trực tiếp độ dài tối đa của cáp, mà yêu cầu rằng tất cả các cáp phải đáp ứng các tiêu chuẩn: đối với cáp đồng AWG 26, chiều dài tối đa là 1,3 mét (4,3 ft).

Cung cấp nguồn và sạc

USB 3.0 cung cấp nguồn điện 5 volts như các phiên bản trước. Đối với các thiết bị SuperSpeed tiêu thụ điện năng thấp, dòng điện tối đa là 150 mA (1 đơn vị tải). Đối với các thiết bị tiêu thụ điện năng cao, giới hạn là 900 mA (6 đơn vị tải, tương đương 4,5 W).

Chuẩn bị ra mắt thị trường

Vào ngày 17 tháng 11 năm 2008, nhóm quảng cáo USB 3.0 thông báo rằng đặc tả của phiên bản 3.0 đã hoàn tất và được chuyển giao cho Diễn đàn Người thực hiện USB (USB-IF). Điều này đã tạo điều kiện cho các nhà phát triển phần cứng bắt đầu triển khai công nghệ USB 3.0 vào các sản phẩm của họ.

Sản phẩm đầu tiên tích hợp USB 3.0 được Buffalo Technology công bố và vận chuyển vào tháng 11 năm 2009. Đến ngày 5 tháng 1 năm 2010, các thiết bị đầu tiên có cổng USB 3.0 được chứng nhận chính thức đã được giới thiệu tại Triển lãm Điện tử Tiêu dùng (CES) ở Las Vegas, bao gồm các bo mạch chủ của ASUS và Gigabyte Technology.

Các nhà sản xuất bộ điều khiển USB 3.0 bao gồm Renesas Electronics, Fresco Logic, ASMedia Technology, Etron, VIA Technologies, Texas Instruments, NEC và Nvidia. Tính đến tháng 11 năm 2010, Renesas và Fresco Logic đã được chứng nhận USB-IF. Bo mạch chủ cho bộ vi xử lý Sandy Bridge của Intel đã tích hợp các bộ điều khiển từ Asmedia và Etron. Vào ngày 28 tháng 10 năm 2010, Hewlett-Packard phát hành HP Envy 17 3D với bộ điều khiển Renesas USB 3.0, sớm hơn nhiều đối thủ. AMD đã hợp tác với Renesas để bổ sung USB 3.0 vào chipset năm 2011. Tại CES 2011, Toshiba giới thiệu laptop 'Toshiba Qosmio X500' với USB 3.0 và Bluetooth 3.0, và Sony ra mắt loạt máy tính xách tay VAIO tích hợp USB 3.0. Đến tháng 4 năm 2011, các dòng Dell Inspiron và Dell XPS đã có cổng USB 3.0, tiếp theo là dòng Dell Latitude vào tháng 5 năm 2012; tuy nhiên, các máy chủ gốc USB không hỗ trợ SuperSpeed trong Windows 8. Vào ngày 11 tháng 6 năm 2012, Apple công bố MacBook Air và MacBook Pro mới với USB 3.0.

Thêm vào các thiết bị hiện có

Nếu laptop thiếu cổng USB 3.0 nhưng có khe ExpressCard, có thể thêm cổng USB 3.0 bằng bộ chuyển đổi ExpressCard-to-USB 3.0. Dù cổng ExpressCard được cấp nguồn 3.3 V, đầu nối cũng có một cổng USB 2.0 (một số thẻ Express thực tế sử dụng giao diện USB 2.0 thay vì ExpressCard). Cổng USB 2.0 này chỉ cung cấp nguồn cho một cổng USB 3.0. Nếu có nhiều cổng trên ExpressCard, cần thêm nguồn điện.

Cung cấp nguồn điện cho nhiều cổng trên laptop có thể thực hiện theo các cách sau:

• Có một số adapter ExpressCard-USB 3.0 có thể kết nối qua cáp với cổng USB 2.0 bổ sung trên máy tính, giúp cung cấp nguồn điện thêm.
• ExpressCard có thể trang bị cổng cấp nguồn bên ngoài.
• Nếu thiết bị bên ngoài có cổng kết nối phù hợp, nó cũng có thể nhận năng lượng từ nguồn ngoài.
• Cổng USB 3.0 được cung cấp bởi bộ chuyển đổi ExpressCard-to-USB 3.0 có thể nối với hub USB 3.0 có nguồn riêng, từ đó kết nối với các thiết bị ngoại vi qua Hub USB 3.0.

Trên bo mạch chủ máy tính để bàn có khe PCI Express (PCIe) hoặc chuẩn PCI cũ hơn, có thể thêm hỗ trợ USB 3.0 bằng card mở rộng PCI Express. Nhiều card mở rộng PCI Express to USB 3.0 cần kết nối với nguồn điện như bộ chuyển đổi Molex hoặc nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho nhiều thiết bị USB 3.0 như điện thoại di động và ổ đĩa cứng gắn ngoài. Vào năm 2011, các card này thường cung cấp từ hai đến bốn cổng USB 3.0 với điện năng 900 mA (4,5 W).

Nếu cần kết nối nhanh hơn với thiết bị lưu trữ, eSATAp là một lựa chọn khác. Bằng cách thêm khe mở rộng, bạn sẽ có một cổng eSATAp. Một số ổ đĩa cứng gắn ngoài hiện nay hỗ trợ cả kết nối USB (2.0 hoặc 3.0) và eSATAp. Để đảm bảo tính tương thích, tất cả thiết bị phải được chứng nhận bởi Diễn đàn Trình kết nối USB (USB-IF). Ít nhất một hệ thống thử nghiệm cho USB 3.0 đã có mặt trên thị trường cho các nhà sản xuất tham khảo.

Những phản hồi

USB Promoter Group công bố USB 3.0 vào tháng 11 năm 2008. Vào ngày 5 tháng 1 năm 2010, USB-IF công nhận hai bo mạch chủ USB 3.0 đầu tiên từ Asus và Gigabyte. Các bo mạch chủ P55 của Gigabyte và một bo mạch chủ khác của ASUS đã bị hủy bỏ trước khi sản xuất.

Dự kiến các nhà quản lý thương mại sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt vào quý I năm 2010. Vào ngày 14 tháng 9 năm 2009, Freecom giới thiệu một ổ cứng gắn ngoài sử dụng USB 3.0. Đến ngày 4 tháng 1 năm 2010, Seagate ra mắt một ổ cứng di động nhỏ kèm theo thẻ ExpressCard USB 3.0 bổ sung, nhắm đến máy tính xách tay và máy tính để bàn có khe ExpressCard tại CES ở Las Vegas.

Hạt nhân Linux phiên bản 2.6.31, phát hành vào tháng 9 năm 2009, đã chính thức hỗ trợ USB 3.0.

FreeBSD đã hỗ trợ USB 3.0 từ phiên bản 8.2, phát hành vào tháng 2 năm 2011.

Windows 8 là hệ điều hành đầu tiên của Microsoft hỗ trợ USB 3.0. Mặc dù Windows 7 không hỗ trợ USB 3.0 ngay từ đầu, nhưng các nhà sản xuất đã cung cấp driver USB 3.0 cho hệ điều hành này trên trang web của họ.

Intel phát hành chipset đầu tiên tích hợp cổng USB 3.0 vào năm 2012 với chipset Panther Point. Một số nhà phân tích cho rằng Intel đã chậm trong việc tích hợp USB 3.0 vào chipset, dẫn đến sự chậm trễ chung. Nguyên nhân có thể do vấn đề trong sản xuất CMOS, vì Intel cần đợi để đạt các tiêu chuẩn USB 3.0, PCIe 3.0 và SATA 3.0 trước khi phát triển chipset mới.

AMD đã bắt đầu tích hợp hỗ trợ USB 3.0 vào Fusion Controller Hubs từ năm 2011. Samsung Electronics cũng công bố hỗ trợ USB 3.0 trên nền tảng Exynos 5 Dual cho các thiết bị di động.

Vấn đề

Tốc độ và khả năng tương thích

Tốc độ của các thiết bị lưu trữ USB, đặc biệt là với USB 3.0, bị ảnh hưởng bởi các trình điều khiển giao thức BOT (Mass-Bulk-Only Transfer) thường chậm hơn so với giao thức USB Attached SCSI.

Trên một số bo mạch chủ cũ (2009-2010) như Ibex Peak, chipset USB 3.0 tích hợp kết nối mặc định qua một làn PCI Express 2.5 GT/s từ PCH, không đạt đủ tốc độ PCI Express 2.0 (5 GT/s), dẫn đến băng thông không đủ cho USB 3.0. Các bo mạch này có thể sử dụng một bộ chuyển đổi thủ công (trong BIOS) để kết nối chip USB 3.0 trực tiếp với bộ vi xử lý, cung cấp tốc độ PCI Express 2.0 đầy đủ nhưng giảm số làn PCI Express cho card đồ họa. Các bo mạch mới hơn thường sử dụng kỹ thuật liên kết kênh để kết hợp hai PCI Express 2.5 GT/s nhằm đạt băng thông cần thiết từ PCH.

Gây nhiễu tần số radio

Các thiết bị và cáp USB 3.0 có thể gây can thiệp đến các thiết bị không dây hoạt động ở băng tần 2,4 GHz ISM, dẫn đến giảm hiệu suất hoặc mất kết nối hoàn toàn với các thiết bị Bluetooth và Wi-Fi. Một số giải pháp cho vấn đề này bao gồm tăng khoảng cách giữa thiết bị USB 3.0 và bộ định tuyến Wi-Fi, cũng như thiết kế thêm bộ che chắn cho các linh kiện bên trong máy tính.

Một số thiết bị, chẳng hạn như Vivo Xplay 3S, đã được công bố sẽ hỗ trợ USB 3.0, nhưng cuối cùng lại không có kết nối USB 3.0 do nhà sản xuất không khắc phục được vấn đề nhiễu điện từ của USB 3.0.

Giao tiếp

Chuẩn A thường được dùng trên máy tính. Cổng USB 3.0 chuẩn A có thể tiếp nhận cả thiết bị USB 3.0 chuẩn A và USB 2.0 chuẩn A. Ngược lại, bạn cũng có thể cắm thiết bị USB 3.0 chuẩn A vào cổng USB 2.0 chuẩn A.

Cổng USB 3.0 chuẩn B có thể tiếp nhận thiết bị USB 3.0 chuẩn B hoặc USB 2.0 chuẩn B. Khả năng tương thích ngược cho phép kết nối USB 2.0 chuẩn B vào cổng USB 3.0 chuẩn B. Tuy nhiên, USB 3.0 chuẩn B không thể cắm vào cổng USB 2.0 chuẩn B do kích thước đầu nối lớn hơn. Chuẩn B thường được dùng ở phía thiết bị.

Vì các cổng USB 2.0 và USB 3.0 có hình dáng giống nhau, các nhà sản xuất thường làm phần nhựa của cổng USB 3.0 màu xanh lam (Pantone 300C). Mã màu tương tự cũng được áp dụng cho các cổng USB 3.0 chuẩn A.

USB 3.0 giới thiệu đầu cắm Micro-B mới, bao gồm đầu cắm chuẩn USB 1.x/2.0 Micro-B và thêm một phích cắm 5-pin 'xếp chồng' bên trong. Nhờ vậy, đầu cắm USB 3.0 Micro-B vẫn tương thích với đầu cắm USB 1.x/2.0 Micro-B. Tuy nhiên, không thể cắm USB 3.0 Micro-B vào cổng USB 2.0 Micro-B vì đầu nối chuẩn 3.0 lớn hơn.

Cổng

Bộ kết nối này có cấu hình tương tự như phiên bản trước nhưng bổ sung thêm 5 chân mới.

 Các chân VBUS, D, D+, và GND là cần thiết cho giao tiếp USB 2.0. USB 3.0 thêm hai cặp vi sai và một chân nối đất (GND_DRAIN) để truyền dữ liệu SuperSpeed, hỗ trợ tín hiệu SuperSpeed full duplex. Chân GND_DRAIN giúp giảm EMI và duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Khả năng tương thích ngược

Các cổng USB 3.0 chuẩn B có kích thước lớn hơn phiên bản trước, cho phép cắm cả USB 3.0 chuẩn B và USB 2.0 chuẩn B. Tuy nhiên, vì đầu cắm USB chuẩn B lớn hơn so với USB 2.0 chuẩn B, nên không thể kết nối USB 3.0 chuẩn B vào cổng USB 2.0 chuẩn B.

Cổng eSATAp kết hợp eSATA và USB, cho phép cắm các thiết bị USB chuẩn A, bao gồm cả USB 3.0 chuẩn A.

USB 3.1

Vào tháng 1 năm 2013, nhóm USB thông báo kế hoạch nâng cấp USB 3.0 nhằm đạt tốc độ 10 Gbit/s (1250 MB/s). Đặc tả mới đã hoàn tất và USB 3.1 ra mắt vào ngày 31 tháng 7 năm 2013, thay thế USB 3.0. USB 3.1 cải thiện tốc độ truyền so với USB 3.0, với phiên bản USB 3.1 Gen 2 đạt 10 Gbit/s (1250 MB/s), gấp đôi tốc độ của SuperSpeed, và giảm mã hóa xuống 3% nhờ thay đổi lược đồ mã hóa thành 128b/132b. USB 3.1 Gen 2 có tốc độ thực tế khoảng 7,2 Gbit/s.

USB 3.1 hoàn toàn tương thích với USB 3.0 và USB 2.0, đồng thời định nghĩa các chế độ truyền tải mới.

• USB 3.1 Gen 1 - SuperSpeed, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 5 Gbit/s (625 MB/s) trên một làn, sử dụng mã hóa 8b/10b tương tự như USB 3.0.
• USB 3.1 Gen 2 - SuperSpeed+, đạt tốc độ truyền dữ liệu 10 Gbit/s (1250 MB/s) trên một làn, với mã hóa 128b/132b.

USB 3.2

Vào ngày 25 tháng 7 năm 2017, Tổ chức Promoter USB 3.0 công bố nâng cấp lên USB Type-C, tăng gấp đôi băng thông cho cáp USB-C hiện có. Theo tiêu chuẩn USB 3.2, các cáp USB-C 3.1 Gen 1 hiện có thể đạt tốc độ 10 Gbit/s và cáp USB-C 3.1 Gen 2 sẽ đạt tốc độ 20 Gbit/s.

Chuẩn USB 3.2 hoàn toàn tương thích với USB 3.1/3.0 và USB 2.0, đồng thời định nghĩa các chế độ truyền tải sau đây:

• USB 3.2 Gen 1x1 - SuperSpeed, tốc độ truyền dữ liệu 5 Gbit/s (625 MB/s) trên một làn, mã hóa 8b/10b, giống USB 3.1 Gen 1 và USB 3.0.
• USB 3.2 Gen 1x2 - SuperSpeed, tốc độ truyền dữ liệu 10 Gbit/s (1250 MB/s) trên hai làn, mã hóa 8b/10b.
• USB 3.2 Gen 2x1 - SuperSpeed+, tốc độ truyền dữ liệu 10 Gbit/s (1250 MB/s) trên một làn, mã hóa 128b/132b, giống USB 3.1 Gen 2.
• USB 3.2 Gen 2x2 - SuperSpeed+, tốc độ truyền dữ liệu 20 Gbit/s (2500 MB/s) trên hai làn, mã hóa 128b/132b.

Liên kết bên ngoài

• Pinout của các kết nối USB 3.0 Standard-A, Standard-B, Powered-B
• Cổng Supreme: 4 Thay đổi lớn sắp tới với USB –