USB-väylä on universaali tekniikka, joka löytyy lähes kaikista laitteista. Väylä ei kuitenkaan enää riitä esimerkiksi videon siirtoon turvakameroissa. HD- ja UHD- eli ultrateräväpiirtovideo tuottavat niin massiivisen datavirran, ettei vanha USB 2.0 siihen taivu. Onneksi USB 3.0 on tulossa.

Artikkelin kirjoittaja Abhishek Gupta toimii Cypress Semiconductorilla bisnesanalyytikkona. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Maharishi Dayanand -yliopistosta Intian Haryanasta. Aiemmin Abhishek työskenteli Agilent Technologiesilla logistiikkakoordinaattorina.

USB 3.0 eli Superspeed-USB on saavuttanut paljon suosiota PC-koneiden ja monien oheislaitteiden kuten videomonitorien ja tallennusvälineiden suurinopeuksisena sarjaliitäntänä. Myös sulautettujen järjestelmien suunnittelijat ovat huomanneet, että USB 3.0 -laitteet voivat vastata heidän nopean sisäisen datansiirron vaatimuksiin. USB 3.0 tarjoaa myös edullisen tavan liittymä muihin laitteisiin, alentaa materiaalikustannuksia ja lyhentää kehitykseen kuluvaa aikaa.

Teräväpiirto- ja ultrateräväpiirto- eli UHD-videokameroiden suunnittelu osoittaa, miten erilaisia hyötyjä saa käyttämällä standardia sarjaväylää kuten USB 3.0. Tämän päivän HD- ja UHD-kamerat generoivat reaaliaikadataa, joka pitää siepata, prosessoida paikallisesti ja sen jälkeen siirtää salamannopeasti ulkoisiin laitteisiin kuten turvakameramonitoreihin tai tallennuspalveluihin.

Viiden megapikselin kamerakin tuottaa 24 ruudun sekuntinopeudella 2,4 gigabitin datavirran. Vanhempiin sarjamuotoisiin väyliin kuten USB 2.0 tai WiFi 802.11n eivät yksinkertaisesti pysy kameradatan kyydissä. Puhumattakaan siitä, että ne pystyisivät siirtämänä datan reaaliajassa käyttäjän oman verkon sisällä.

Nopeiden dataväylien puute voi johtaa sulautetun laitteen suunnittelun monimutkaistumiseen tai kustannusten kasvuun, kun järjestelmään pitää lisätä puskureita tai suurempia paikallisia tallennuselementtejä. Tämä suunnittelun osa-alueet sekä lisäävät kuluja että pidentävät kehitysaikaa.

USB 3.0 on erittäin tehokas valinta tämän päivän sulautettujen järjestelmien kehittäjille. Sen kaksiväyläarkkitehtuuri mahdollistaa tietoliikenteen vanhempien laitteiden kanssa samalla, kun Superspeed-USB-väylässä saavutetaan jopa viiden gigabitin datansiirtonopeus sekunnissa. Lisäksi USB 3.0 on kolme kertaa toisen polven USB-väylää energiatehokkaampi. Laajan suosionsa ansiosta SuperSpeed USB on luonnollinen valinta sekä sisäisten että ulkoisten datapolkujen hallintaan. Se tarjoaa parhaan suorituskyvyn, pienemmän tehonkulutuksen ja alhaisempien kustannusten yhdistelmän.

Kameroiden järjestelmäpiirien arkkitehtuurit on suunniteltu keräämään ja prosessoimaan dataa suuriresoluutioisista kuva-antureista videon ja kuvan käsittelyyn erikoistuneilla DSP-piireillä. Kuvan 1 esimerkiksi kaltaiset toteutukset hyödyntävät SDXC-liitäntää videon/kuvan paikalliseen tallentamiseen tyypillisesti mini- tai mikro-SD-kortin muodossa. HDMI-väylät siirtävät videon ulkoisille näytöille. Järjestelmäpiirin pitää myös hallita integroitua LCD-näyttöä. USB 2.0- ja WiFi-liitäntöjä voidaan hyödyntää ulkoiseen datan jakamiseen.

Valitettavasti nämä SoC-liitännät eivät pysty käsittelemään nopeuden kuva-anturien tuottamia datanopeuksia. Asiakaskohtaiset SoC-ratkaisut voivat puolestaan johtaa hyvin pitkiin suunnitteluaikoihin järjestelmien monimutkaisuuden takia.

Kuva 1. Videokameran arkkitehtuurin lohkokaavio.

Tämä kamera-arkkitehtuuri voidaan pitkälle virittää kirjoittamaan prosessoitu kuva tai video paikalliseen flash-muistiin. Suorituskyky ja käytettävyys riippuu käytössä olevasta SD-tallennustilasta sekä liitännän nopeudesta, jolla sisältö voidaan siirtää pysyvämpään tallennukseen kuten PC:lle tai ulkoiselle kiintolevylle.

Joissakin tuoteryhmissä kuten kaupallisissa turvakameroissa on hyvin rajallinen integroitu tallennuskapasiteetti. Ne nojaavat sen sijaan nopeisiin ulkoisiin liitäntöihin kuten ethernetiin tai WiFiin siirtäessään videostriimiä paikalliselle palvelimelle. Joissakin kuluttajakameroissa on irroitettava muistikortti (mini/mikro-SD). Niitä ei kuitenkaan ole yleensä varustettu paikallisella LCD-näytöllä, jolta sisältöä voisi katsella. Siksi katselu edellyttää tallennetun sisällön siirtämistä toiselle laitteelle. Nämä laitteet käyttävät usein jotakin suosittua liitäntää kuten WiFIä, USB 2.0:aa tai bluetoothia datan siirtämiseen.

WiFin käyttökelpoisuus riippuu suuresti nopean ja luotettavan yhteyden saatavuudesta. Jopa optimoitu 802.11n-verkko saattaa kyetä vain 300 megabitin datansiirtoon. Useimpien 802.11n-verkkojen todellinen kaistanleveys jää selvästi tämän nopeuden alle johtuen konfiguraatiosta, langattomasta tietoturvasta, liitettyjen kanavien määrästä ja muista syistä. Keskimääräinen datanopeus jää siksi noin 50-80 megabittiin sekunnissa, ja sataan megabittiin päästään vain kalliimmilla laitteilla.

USB 2.0:n todellinen kaistanleveys on vain 280-320 megabittiä sekunnissa (35-40 megatavua sekunnissa). Useimmat laitteet yltävät vain 200-240 megabittiin sekunnissa. Jatkuva USB 2.0 -siirtonopeus riippuu suuresti ohjelmistoajureista ja alustan optimoinnista.

Taulukko 1 kuvaa, kuinka kauan 30-minuuttisen 1080p-tasoisen H.264-koodatun videon (tiedostokoko noin 18 gigatavua) siirto kestää USB 2.0- ja eri WiFi-yhteyksillä. Huomaa, että joissakin tapauksessa siirtäminen vie kauemmin aikaa kuin videon katselu!

Taulukko 1. 30-minuuttisen 1080p-teräväpiirtovideon siirtämiseen kuluva aika eri siirtotekniikoilla.

Kameravalmistajat, jotka haluavat tämän pullonkaulan ohittaa, voivat valita kahdesta vaihtoehdosta. He voivat joko kehittää oman ASIC-piirin liitännälle tai odottaa seuraavan sukupolven järjestelmäpiirejä. Molemmat vaihtoehdot tietävät 18-24 kuukauden viivästystä tuotteen lanseeraukseen. Yksi vaihtoehto on päivittää nykyinen suunnittelu käyttämällä valmista USB SuperSpeed -komponenttia.

SuperSpeed USB on 10 kertaa nopeampi kuin USB 2.0. Näin se on ihanteellinen sarjaliitäntä videonsiirtoon. Kaupan hyllyltä löytyvät ohjain kuten Cypressin EZ-USB FX3S -ohjain sisältää ARM9-ytimen, USB 3.0 -toiminnallisuuden sekä kaksi tallennusväylää, jotka voi konfiguroida joko SDIO 3.0- tai eMMC 4.41. -liitännäksi. Alla oleva lohkokaavio selventää tätä.

Kuva 2. Cypressin FX3S-ohjaimen lohkokaavio.

FX3S-ohjain voidaan helposti integroida videokamera-alustaan liittämällä ohjain kameran järjestelmäpiiriin ohjelmoitavan GPIF-liitännän kautta (kuva 3). Cypressin FX3S:n GPIF II -liitäntä on täysin konfiguroitava rinnakkaisliitäntä, joka liittyy ulkoiseen ASIC- tai SoC-piiriin tai FPGA-piiriin. Tässä konfiguraatiossa FX3S-ohjain ja sen SD-muistikortit näkyvät kameran järjestelmäpiirille pelkkänä USB-tallennuslaitteena. Pakattu videodata voidaan tallentaa samalla tapaa kuin aiemmin ilman, että ohjelmistopinoo tarvitsee puuttua.

Kuva 3. Paranneltu videokamera-arkkitehtuuri Cypressin FX3S-ohjainta käyttämällä.

Tällä toteutuksella on useita arkkitehtuurietuja. Ensinnäkin se antaa edullisen, riskittömän mahdollisuuden lisätä laitteeseen SuperSpeed USB -yhteys. Toiseksi se poistaa järjestelmäpiiriltä SD-kortin hallinnan, joten CPU-kaistanleveys jää kriittisempien tehtävien hoitoon.

FX3S-ohjaimen GPIF II -liitäntä voidaan konfiguroida 16-bittseksi osoite/dataväyläksi, joka operoi 100 megahertsin kellotaajuudella. Tällöin suorituskyky kasvaa dataa kirjoitettaessa noin 1,8-kertaiseksi nykyisiin toteutuksiin verrattuna.

Kaksitoiminen SD-liitäntä voidaan konfiguroida RAID 0 -kokoonpanossa käyttämällä toista mini- tai mikro-SD-korttia, mikä parantaa suorituskykyä ja tuo käyttäjäle lisää tallennustilaa. FX3S-ohjaimen kautta videota voidaan lukea (kuva 3, 2-nuoli) noin 720 megabitin sekuntinopeudella kahden SD-kortin konfiguraatiossa. Tämä lähentää yllä mainitun 18 gigatavun videon siirtoajan alle neljään minuuttiin, mikä on merkittävästi nykyisiä arkkitehtuureja nopeammin. Kun tallennustila kameroissa kasvaa, tallennusaika pitenee ja siirrettäväksi tulee yhä suurempiresoluutioisia virtoja kuten 4K-videota, tämä suorituskykykuilu tulee kasvamaan merkittävästi.

Tämän ohjaimen lisääminen kameraan ei juuri vaikuta toiminta-aikaan akulla. FX3S-ohjain lisää koko kamerajärjestelmän aktiivista tehonkulutusta noin 97 milliwattia. Mikäli kamerassa on 1160 milliampeeritunnin 3,8-volttinen akku, yllämainitun 30-minuuttisen videon siirto kuluttaisi akkua 13,43 milliampeerituntia eli vaikutus akun kulumiseen olisi noin 1,2 prosenttia. Toisen SD-kortin lisääminen kasvattaisin akun kulumista 4,3 prosenttia.

Kuten olemme osoittaneet, tämän päivän tehokkaat sulautetut järjestelmät kuten videokamerat ovat lähestymässä ahdasta pullonkaulaa siirtäessään sisältöjä nykyisten liitäntöjen kuten USB 2.0:n ja WiFin läpi. Tämä kuilu vain kasvaa tulevaisuudessa, kun siirrettävien videotiedostojen koko kasvaa ja kuvan resoluutio paranee esimerkiksi UHD-videon muodossa.

SuperSpeed USB on luonteva valinta sellaisille sulautetuille sovelluksille, joissa tarvitaan nopeita datayhteyksiä. Kehittäjät voivat odottaa seuraavan polven järjestelmäpiirejä, mikä aiheuttaa aikataulu- ja kustannusriskejä, tai he voivat kehittää laitteensa kaupallisesti tarjolla olevien uusien ratkaisujen ympärille.

Cypressin FX3S-ohjaimen kaltaiset tehokkaat ratkaisut voivat lyhentää videon siirtämiseen kuluvaa aikaa 4-10-kertaisesti, eikä ratkaisu juuri vaikuta kameran toiminta-aikaan akkuteholla.