Unerkannt störender Bus:
USB killt audio

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Vorwort

Anfang 2000 verursachte RME einiges Aufsehen, als wir in dieser Tech Info über ein offensichtliches Problem von USB mit Low Latency Audio berichteten.

Nach der ersten Veröffentlichung der Tech Info wurden wir von Feedback überflutet: andere Hersteller, Fachzeitschriften und Anwender berichteten uns von ihren Erfahrungen. In Zeitschriften und Online-Foren hagelte es Berichte über zahlreiche Fehler- und Kompatibilitätsprobleme bei der Verwendung von USB. Der universelle Bus verursachte offensichtlich weit mehr Probleme als man bis dahin zur Kenntnis genommen hatte.

Nun ist USB Bestandteil unserer modernen Computer, und die machen auch ohne USB jeden Tag Probleme. Dies macht es ingesamt schwierig den genauen Grund des jeweiligen Problems zu erkennen. Beispiel: Fehlerhafte USB-Treiber sind natürlich ein Problem des jeweiligen Herstellers, und können nicht USB generell angelastet werden. Eine sehr gute Informationsquelle zu allem rund um USB ist die (englische) Website www.usbman.com. Hier findet man insbesondere auch Tips & Tricks, Kompatibilitätstests, Hintergrundinfos zu Treiber und Chipsatzproblemen, und vieles mehr.

Uns interessiert jedoch nur das Low Latency Problem, da es unsere Produkte direkt betrifft. Die zunächst vagen Zusammenhänge verdichteten sich bald zu ersten konkreten Analysen. Inzwischen sind die Hintergünde so weit klar, dass wir nicht nur eine Problembeschreibung, sondern auch Abhilfen anbieten können.

Einleitung

Nach der Beseitigung aller Kinderkrankheiten wird USB mit Windows 98 SE und Windows 2000 auch im professionellen Audiobereich hoffähig. Immer mehr MIDI-Interfaces besitzen eine solche Schnittstelle, einige Geräte gar nur noch.

Dabei scheinen einige Hersteller ein offensichtliches Problem übersehen zu haben: Nicht nur, dass sich USB nach wie vor in Tests als Performancebremse erweist. USB kann auch zu Störungen führen, wenn gleichzeitig ein weiterer Busmaster Audio bei niedriger Latenz ausführt. Damit wird professionelles Arbeiten mit Low Latency und Audio-/MIDI-Sequenzern unmöglich. Diese Tech Info gibt Hintergrundinformationen zur Entstehung des Effektes und möglichen Abhilfen.

Setup

Die Bedingungen zum Auftreten dieses Effektes sind:

  • Arbeiten bei geringer Latenz mit Audio und ASIO/EASI, typisch unter 23 ms
  • Gleichzeitig eine hohe Anzahl von MIDI-Noten bzw. Events. MTC (MIDI Time Clock) verschlimmert den Effekt
  • USB Controller vom Typ 82371AB, enthalten in Intel BX Chipsätzen, auf Mainboards mit nur zwei USB Ports
  • USB im Bulk-Transfer Modus aktiv

Wie arbeitet USB?

Sobald ein USB-Gerät am USB-Port hängt wird es von Windows erkannt und angemeldet. Fortan findet eine Datenkommunikation im Millisekunden-Takt statt. Das alleine führt noch zu keinen bemerkbaren Störungen, erst ein Datentransfer über USB mit grösseren Datenmengen kann den PCI-Bus oder Threads anderer Tasks blockieren. USB verhält sich dabei trotz vergleichsweise geringer Datentransferrate (12 MBit/s) deutlich weniger performant als beispielsweise eine 100 MBit PCI Netzwerkkarte.

Der Intel BX Chipsatz...

...ist die Referenz für höchste Performance und Kompatibilität. Ausgerechnet bei Mainboards mit diesem Chipsatz traten bei Tests mit unseren Karten im Low Latency Betrieb starke Aussetzer auf, vom gelegentlichen Knistern bis zum prasselnden Lagerfeuer auf allen Kanälen. Aufgrund der weiten Verbreitung damit ausgerüsteter Mainboards, und den zu diesem Zeitpunkt unbrauchbaren VIA-Alternativen, fiel der integrierte USB Controller als Ursache zunächst nicht auf. Es wurde jedoch schnell klar, dass der Controller bei höherem Datenaufkommen den PCI Bus nicht nur ein Mal pro Millisekunde anspricht, sondern auch über zwei Zugriffe hinweg belegen kann, also mehr als 1 Millisekunde lang.

Da die Störungen nur bei hohen Datenraten auftreten scheint die naheliegendste Lösung zu sein selbige zu begrenzen. USB kennt verschiedene Modi. Störungen traten bei Geräten auf, welche im Fullspeed Modus (12 Mb/s) konfiguriert waren und den Bulk-Transfer Modus nutzten. Als Lowspeed-Geräte (1,5 Mb/s) treten fast nur Mäuse und Tastaturen in Erscheinung, alles andere wie Scanner, Webcam, oder eben auch MIDI-Interfaces, kommt als Fullspeed daher. Zudem wird in der USB Device Class Definition for MIDI devices explizit der Bulk-Transfer für MIDI-Interfaces genannt. Noch schlimmer sind nur noch USB-Audio Geräte, welche den Isochronous-Transfer Modus für noch grössere Datenmengen nutzen.

Statt des Bulk-Transfer Modus bietet sich für MIDI-Interfaces eigentlich der Interrupt-Transfer Modus an. Dieser unterstützt zwar nur kleinere Datenmengen (für MIDI vollkommen ausreichend), bietet aber eine bessere zeitliche Kontrolle des Datentransfers (der Bulk-Transfer Modus empfiehlt sich laut Spezifikation für Daten die 'nicht zeitkritisch sind'...). Damit treten oben genannte Störungen nicht mehr auf.

BX = Ok!

Ein weiterer Grund, warum es so lange dauerte die Störungen dem 82371AB zuzuordnen: es gibt (inzwischen) jede Menge Mainboards mit BX-Chipsatz, welche trotz 82371AB keine Störungen verursachen! In der letzten Zeit konnten wir durch zahlreiche Vergleichstests nachweisen, dass Low Latency Audio nur bei älteren Generationen von Motherboards mit BX-Chipsatz, wie der Asus P2B Serie oder dem beliebten P3B-F, gestört wird. Genauer gesagt bei allen BX-Boards mit nur 2 USB-Anschlüssen. Auf allen neueren Boards befindet sich dagegen ein zusätzlicher Hub für mindestens 4 USB-Anschlüsse (wie z.B. Asus CU-BX), und bei diesen Boards ist der Effekt nicht mehr nachweisbar.

Abhilfe

Damit zeigt sich auch eine einfache Lösung, wie Besitzer betroffenener Boards in den Genuss von stress-freierem USB kommen: durch den Kauf einer vergleichsweise günstigen USB PCI Karte, deren USB-Ports statt denen auf dem Board verwendet werden. Im Bild sehen Sie ein Standard Modell mit Lucent Chip, circa 70 DM im Fachhandel. Eine Liste empfehlenswerter Upgradekarten gibt es auch bei Usbman.com.

Da der Effekt nur auftritt wenn alle vier beschriebenen Bedingungen zusammenkommen, kann er alternativ durch Erhöhung der Latenz oder durch Verwendung unkritischer USB-Geräte beseitigt werden. Beispielsweise verursachen das Midex-8 von Steinberg und das emagic MT4 keine Störungen. Steinberg hat den Treiber des Midex-8 unter Beachtung der Low Latency Störungen soweit optimiert, dass er selbst bei der Verwendung von vier Midex-8 gleichzeitig (32 MIDI Ports I/O) keine Probleme verursacht. Das Midiman USB Midisport 2x2 dagegen stört trotz seiner nur 2 Ports, was sicher auch Rückschlüsse auf die Effizienz der Bus-Nutzung zulässt. Leider ist dieser Performanceunterschied im Normalfall nicht offensichtlich, da die in Windows enthaltenen Bordmittel keine aussagekräftige Performanceanalyse von USB ermöglichen.

MIDI-Interfaces ohne USB, also mit serieller oder paralleler Schnittstelle, sowie interne (PCI/ISA) verursachen nach unseren Tests ebenfalls keine Störungen. Und wer ein Interface mit USB und serieller Schnittstelle besitzt (Unitor 8 etc.), sollte dem bewährten COM-Port den Vorzug geben.

Entwarnung

Nach unseren Tests arbeiten Boards mit Intels i815, VIAs KT133 und 694 ebenfalls stressfrei im kritischen USB-Betrieb. Damit kann in Sachen USB von unserer Seite Entwarnung gegeben werden, denn alle neueren Rechner haben kein Problem, und ältere lassen sich entweder einfach und preisgünstig updaten, oder durch Kauf der richtigen USB-Hardware störfrei in Betrieb nehmen. Bitte beachten Sie aber, dass diese Aussage nur für die Kombination RME Produkte, Low Latency Audio und USB MIDI Interfaces gilt!

Im Netz kursieren weiterhin viele negative Berichte zu USB. Beispielsweise können Sie hier nachlesen, dass USB schon aus Prinzip ein deutlich schlechteres MIDI-Timing liefert als andere Lösungen. Was aber nicht gilt wenn Timestamps verwendet werden (AMT emagic oder LTB Steinberg). Und wenn USB von einigen zur Glaubensfrage erklärt wird (Niemals!), so holt einen spätestens beim Gerätekauf die Realität wieder ein: günstige MIDI Interfaces ohne USB sind praktisch nicht mehr erhältlich.

Copyright © Matthias Carstens, 2000/2001.
Alle Angaben in diesem Tech Info sind sorgfältig geprüft, dennoch kann eine Garantie auf Korrektheit nicht übernommen werden. Eine Haftung von RME für unvollständige oder unkorrekte Angaben kann nicht erfolgen. Weitergabe und Vervielfältigung dieses Dokumentes und die Verwertung seines Inhalts sind nur mit schriftlicher Erlaubnis von RME gestattet.
 

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