PC-Peripherie USB. Physikalisches Seminar

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1 Institut für Softwaretechnik Fachbereich 4: Informatik PC-Peripherie USB Physikalisches Seminar vorgelegt von Jon Theegarten, Mat.-Nr Martin Witteyer, Mat.-Nr Betreuer: Dr. Merten Joost, Institut für Integrierte Naturwissenschaften Koblenz, 07. Juli 2008

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3 Diese Seminararbeit gibt einen Überblick über Aufbau und Funktionsweise des Universal Serial Bus (USB).

4 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Geschichte USB USB USB Physikalischer Aufbau Anschlüsse Standard-Stecker Mini-Stecker Kabelverbindungen Basic Speed Full/High Speed Elektrische Verbindungen Spannungsversorgung Übertragung Autoerkennung Übertragunsmodi Endpoints Isochroner Transfer Interrupt-Transfer Bulk-Transfer Control-Transfer USB On-the-Go Wireless USB Tatsächliche Datenraten Host Controller 18 4

5 Inhaltsverzeichnis 4.1 Universal Host Controller Interface (HCI) Open Host Controller Interface Enhanced Host Controller Interface Abwärtskompatibilität USB-Topologie Einleitung Physische Topologie Logische Topologie Das Schichtenmodell USB Interface Layer USB Device Layer Function Layer Übertragungsprotokoll Bit-Kodierung (NRZ-S) Paketanfang, Synchronisation Packet Identifier Field Adressfeld Datenfeld Pakete Datenpaket Handshake-Pakete Framing Geräte und Geräteverwaltung Geräteklassen Zustände Literatur 36 5

6 1 Grundlagen 1.1 Geschichte Im Laufe der Zeit wurde der Computer wie wir ihn heute kennen, immer mehr zu einem Universalgerät weiterentwickelt, das nicht nur mit einigen wenigen Anschlussgeräten, wie z.b. Laufwerke und Drucker kompatibel sein musste. Maus, Tastatur, Webcam, etc. erforderten immer wieder neue Anschlussmöglichkeiten, um sie mit dem Rechner verbinden zu können. Die Entwickler solcher Geräte hatten allerdings das grundlegende Problem, dass die meisten bereits bestehenden Schnittstellen der Computer nicht ausreichend waren, um die Geräte problemlos darüber verwalten zu können. Man begnügte sich zunächst damit, für jedes neue Gerät eine neue Schnittstelle zu entwerfen, was allerdings drei entscheidene Probleme mit sich brachte. Zum einen konnte man an einem Rechner nur begrenzt viele Anschlüsse anbringen. Wollte man z. B. zwei verschiedene Drucker an einem Computer benutzen, mussten entweder die Anschlüsse durch Adapter erweitert werden, oder der Drucker musste vor jedem Gebrauch gewechselt werden. Zudem kam es, das manche Geraäte aufgrund ihrer Anschlüsse nicht Plug&Play fähig waren und nach jedem Umstecken ein Neustart von Nöten war. Das zweite Problem bestand in den unzähligen Kabeln, da jedes Peripheriegerät eine eigene Leitung zum PC haben musste. Hatte man erst einmal einige Geräte angeschlossen, versuchte man zu Teilen vergeblich einen neuen Stecker anzubringen, ohne die alten erst einmal entfernen zu müssen. Zudem konnte es vorkommen, dass die Schnittstellen verschiedener Gräte mechanisch kompatibel, elektrisch aber völlig inkompatibel waren. Wurde z. B. eine Webcam mit einem PS2-Anschluss an die Schnittstelle der Tastatur 1

7 Kapitel 1. Grundlagen oder Maus angeschlossen, konnte es mitunter vorkommen, dass das Gerät beschädigt oder sogar zerstört wurde. Es lag also im allgemeinen Interesse ein einziges und erweiterbares System zu entwickeln, an dem mehrere Peripheriegeräte gleichzeitig angeschlossen werden konnten. Das Ziel war es, alle Direktverbingungen an den PC durch ein Bussystem zu ersetzen, an das alle Geräte angeschlossen werden können und welches wiederum mit nur einem Kabel am Computer angeschlossen werden muss. Apple hatte bereits 1986 mit dem Apple Desktop Bus (ADB) einen dem USB sehr ähnlichen Ansatz. Mit ihm war es möglich bis zu 15 verschiedene Geräte über einen einzigen Anschluss gleichzeitig zu verwalten. Abbildung 1.1: Apple Desktop Bus [WADB] Der Triumphzug des ADB endete allerdings mit dem Erscheinen des Universal Serial Bus (USB), da die Schnittstelle zum einen kein Plug&Play unterstütze und zum anderen einige Probleme hatte, die Stromversorgung mehrerer Geräte zu koordinieren. 1.2 USB 1 Das Ziel war es eine allgemeine Schnittstelle zu entwickeln, an der gleichzeitig beliebig viele und verschiedene Peripheriegeräte zur Laufzeit angeschlossen werden können, ohne dass jedes Gerät eine eigene Verbindung zum PC besitzen muss und gleichzeitig keine Performanceeinbußen eintreten wür- 2

8 1.2. USB 1 den. Entwickelt von einer Gruppe von Computer- und Telekommunikations- Unternehmen, darunter Compac, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und NorTel (Northern Telecom), wurde erstmals 1995 USB in der Version 1.0 veröffentlicht. Die Geschwindigkeit der Schnittstelle belief sich zu diesem Zeitpunkt auf gerade einmal 1,5 MBit/s im LowsSpeed Modus und 12 MBit/s im Full- Speed Modus. Zwar war die Geschwindigkeit um ein vielfaches schneller als die des von Apple entwickelten ADB mit 10 kbit/s und konnte auch mit bis zu 127 gleichzeitig anschließbaren Geräten an einem Anschluss seinen Vorgänger übertrumpfen, konnte sich aber in dieser Version nicht am Markt behaupten. Abbildung 1.2: USB-Symbol [WUSB] Der Grund hierfür waren nicht nur die anfänglichen Kompatibilitätsprobleme, da erst 1997 von Intel die ersten das USB-Protokoll unterstützenden Chipsätze herausgebracht wurden, sondern auch ein um ein Vielfaches schnellerer 3

9 Kapitel 1. Grundlagen Rivale, ebenfalls von Apple entwickelt. Im Jahr der Veröffentlichung von USB 1.0 (1995) konnte der Fire-Wire-Standard (IEEE 1394) schon eine Übertragungsrate von bis zu 400 MBit/s vorweisen wurde USB auf die Verion 1.1 erweitert, in dessen Spezifikation in erster Linie Fehler und Unklarheiten der USB 1.0 Spezifikation behoben wurden und der Interrupt Out Transfer hinzugefügt wurde. Eine vermeindliche Erh"öhung der Übertragungsgeschwindigkeit suchte man derzeit allerdings vergeblich. Auch wenn die Anfänge des USB eher schwierig waren, hatte man in dieser Zeit erstmals eine Schnittstelle entwickelt, die es erlaubte mehrere Peripheriegeräte gleichzeitig und an eine allgemeine Schnittstelle anzuschließen. Es war erstmals möglich Geräte während des laufenden Betriebs ein-( hot-plug ) und aus-( hot-unplug )zustecken, während sie vom Rechner automatisch erkannt werden. Zudem hatte jeder USB-Port eine integrierte Stromverbindung, die in zwei verschiedenen Ausführungen vorlag. Bei einer Stromstärke von 100 ma (Low Power) oder 500 ma (High Power) und einer Spannung von 5 Volt war es möglich Geräte mit einer Gesamtleistung von 2,5 W über den USB-Port mitzuversorgen. Die Möglichkeit externe Festplatten anzuschliessen war zwar vorhanden, fand allerdings auf Grund der zu geringen Übertragungsrate keine nennenswerte Verwendung. Die Schnittstelle bot nicht nur Möglichkeiten zur Betreibung von Geräten wie z.b. Drucker, Tastaturen, Mäusen, Laufwerken, etc., sondern konnte zudem zwei Computer mit einem USB-Link-Kabel auf bis zu 5 Metern entfernung miteinander verbinden. 1.3 USB 2 Die USB-Schnittstellen, die in heutigen Rechnern verbaut werden, besitzen alle den USB 2.0 Standard. Im Jahre 2000 spezifiziert besitzt der Port eine Übertragungsgeschwindigkeit von 480 MBit/s. Im Vergleich zu seinem Vorgänger hat sich bis auf die Geschwindigkeit nichts Nennenswertes verändert, da in der Version 2.0 die Spezifikation von 1.1 übernommen wurde. Das erklärt auch, warum in heutigen Rechnern nur noch Ports der Verion 2.0 zu 4

10 1.4. USB 3 finden sind und auf die alten 1.1-Ports komplett verzichtet wird, da die Architektur und das Programmiermodell im Vergleich unverändert geblieben und somit auf die Vorgänger abwärts kompatibel sind. Auch wenn es sonst keine großen Veränderungen gab, bringt USB 2.0 auf Grund seiner drastisch erhöhten Geschwindigkeit einige Vorteile mit, auf die in den älteren Versionen verzichtet werden musste. So ist es zum Beispiel möglich, externe Festplatten, Videogeräte und sogar Brenner anzuschliessen, ohne dabei auf die erwartete Performance zu verzichten, die man aus fest eingebauten Komponenten gewohnt ist. Auch wenn die ersten USB 2.0-Geräte erst im Verlauf des Jahres 2002 heraus gekommen sind, ist mittlerweile eine riesige Bandbreite an Gimmicks auf den Markt gekommen. Angefangen von eher nützlichen Dingen wie USB-Lampen oder kleinen Staubsaugern für die schnelle Reinigung der Tastatur bis hin zu Sachen, die wahrscheinlich nicht einmal die Entwickler selbst in ihrem Sinn bestätigen können, wie z.b. der (harmlose) USB-Raketenwerfer. An ein Problem wurde bei der Entwicklung der Version 2.0 allerdings nicht gedacht. Zwar ist es z.b. möglich externe Festplatten an einen USB-Port anzuschließen, allerdings ist die Stromversorgung von immer noch nur 500 ma für die meisten Festplatten nicht hinreichend, so dass sie immer noch auf einen externen Stromanschluss angewiesen sind. 1.4 USB 3 Zu USB 3.0 ist bis jetzt noch nichts konkretes bekannt gegeben geworden. Fest steht, dass durch den Einsatz von Lichtwellenleitern Übertragungsraten von bis zu 5 GBit/s möglich sein sollen. Die Spezifikation soll im Laufe des Jahres 2008 veröffentlicht werden. Die ersten USB 3.0 Geräte sollen voraussichtlich 2009/2010 auf den Markt kommen und wie der Vorgänger auf ältere Versionen abwärtskompatibel sein. 5

11 2 Physikalischer Aufbau 2.1 Anschlüsse Um fehlerhafte Verbindungen oder Schleifen zu verhindern, wurden bei USB zwei verschiedene Anschlüsse in der Spezifikation definiert, die im folgenden Bereich erläutert werden. zusätzlich zu den Standard-Steckern wurden im Laufe der Zeit kleinere Anschlüsse, sowie ein extra Anschluss für Handys entwickelt. Die folgende Grafik gibt einen kleinen Überblick auf die gängigen Steckverbindungen (von links: Standard A, Standard B, Mini-A, Mini-B (Mitsumi), Mini-B (Aiptek)): Abbildung 2.1: kleiner Überblick über die USB-Stecker [WUSB] Wegen ihrer kompakten Form und hohen Belastbarkeit werden von anderen Herstellern auch Geräte angeboten, die zwar einen mechanisch zu USB kompatiblen Anschluss besitzen, allerdings nicht mit der Spezifikation von gängigen USB-Buchsen übereinstimmen. Neben fehlerhaftem Verhalten kann es im extremen Fall zur kompletten Zerstörung der USB-Komponente kommen. Deswegen ist darauf hin zu weisen nur Steckverbindungen mit dem offiziellen USB-Logo anzuschließen. 6

12 2.1. Anschlüsse Standard-Stecker Abbildung 2.2: Standard A, Standard B [SPEC] Wie auf der vorhergehenden Grafik zu erkennen ist, gibt es in der USB-Spezifikation zwei verschiedene Steckverbindungen. In Richtung des Hostcontroller, zum so genannten Downstreamport, befindet sich immer eine Buchse des Standard A -Typ, wobei auf der Seite zum Gerät hin, dem Upstreamport, immer Stecker mit dem Standard B vorliegen. Laut Spezifikation müssen die Geräte immer mit diesen Anschlüssen bestückt sein, um fehlerhafte Verbindungen oder Schleifen zu verhindern. Bei Low Speed Geräten wie z.b. bei Mäusen und Tastaturen entfallen die Steckverbindungen auf Seite der Geräte und sind fest in ihnen eingebaut. Um das hot-plug, also das Anschließen des Peripheriegerätes bei laufendem Betrieb, realisieren zu können muss dem Gerät vor der Datenübertragung eine Spannungsversorgung zur Verfügung gestellt werden, damit die Signalleitungen von Anfang an definierte Pegel besitzen und um die Störsicherheit zu erhöhen. Hierzu wurden die Verbindungskontake mit V+ (im Bild +) und GND (im Bild -) um 1mm verlängert ausgeführt, damit sie den Anschluss an den Host vor den datenübertragenden Kontakten erhalten. 7

13 Kapitel 2. Physikalischer Aufbau Abbildung 2.3: Übersicht Anschlusspins [WUBS] Mini-Stecker Aus Platzgründen musste für Digitalkameras und andere kleine Geräte ein kleinerer Stecker eingeführt werden. Das Ergebnis sind die heute auch in Handys eingesetzten Mini-Stecker. Die Bauform und die Anzahl der Anschlusspins wird anders als beim Standard vom Hersteller selbst bestimmt. So gibt es beispielsweise Digitalkameraanschlüsse mit sechs bis hin zu acht Pins. In der USB-Spezifikation sind allerdings nur die fünfpoligen Mini-Stecker angeführt. 2.2 Kabelverbindungen Bei der USB-Spezifikation werden die Geschwindigkeiten in zwei Kategorien unterteilt. Zum einen gibt es den in der USB 2.0-Spezifikation definierten Modus Basic Speed, der Low Speed und Medium Speed mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von kbit/s beinhaltet. Zum anderen gibt es den Full Speed - bzw. High Speed -Modus mit einer Übertragung von MBit/s. Wegen der zum Teil extremen Geschwindigkeitsunterschiede war es nötig auch die Verbindungen mit unterschiedlichen Kabeln zu versehen, auf die in den folgenden Abschnitten eingegangen wird. Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung 2.4 einige Varianten von USB-Kabeln. USB-Kabel haben laut Spezifikation eine maximale Länge von 5 Metern vom Host zum Gerät. Zwar werden von verschiedenen Herstellern auch längere Kabel und Verlängerungen angeboten, von denen allerdings abzuraten ist. Der Grund hierfür liegt in der zu großen Warhscheinlichkeit des Verlustes oder der Verfälschung der übertragenen Daten. Ist es dennoch notwendig die Ka- 8

14 2.2. Kabelverbindungen Abbildung 2.4: USB-Kabel [DACO] bellänge zu erhöhen, empfielt sich die Zwischenschaltung eines oder mehrerer USB-Hubs. Dabei sollte die magische Grenze von 30 Metern allerdings nicht überschritten werden. Will man dennoch eine Distanz von 30 Metern oder mehr erreichen, bietet sich die Unterstützung eines USB-Line-Extenders nur bedingt an. Durch die relativ lange Signallaufzeit kann es zu Verletzungen des USB-Protokolls kommen, was bei manchen Geräten zu Problemen führen kann. Zur Vollständigkeit soll die Funktionsweise eines USB-Line-Extenders kurz angeschnitten werden. Die Verbindung wird hierbei über ein Ethernetkabel, oder einen Lichtleiter, gelöst, der zwischen einem Base-Module, welches an den Computer angeschlossen wird, und einem an das USB-Gerät angeschlossenen Remote-Module verläuft. Durch die erhöhte Übertragungs- und Geschwindigkeitsleistung sollen diese Distanzen überwunden werden können. 9

15 Kapitel 2. Physikalischer Aufbau Abbildung 2.5: USB-Kabelverlängerung [WUSB] Basic Speed Kabel für den Basic Speed -Modus haben eine Übertragungsgeschwindigkeit von kbit/s und sind somit die kleinere Ausführung der USB-Kabel. Sie werden außer für die Verbingung von Mäusen und Tastaturen kaum bis gar nicht mehr verwendet. Es gibt dennoch Hersteller, die auch heute noch für normale Peripheriegeräte Low Speed -Kabel vertreiben. Von ihnen wird aber in jedem Fall abgeraten, da meistens die stromleitenden Adern zu dünn sind, was zu Fehlern bis hin zur Beschädigung der Geräte führen kann. Laut Spezifikation darf die Länge eines Low Speed -Kabels nicht mehr als 3 Meter betragen, was technisch allerdings unbegründet ist. Zum Aufbau der Kabel, siehe Abbildung 2.6. Der grundlegende Aufbau ist bis auf einen kleinen Unterschied bei Low Speed - und High Speed -Kabeln gleich. Das Kabel besteht aus vier Adern, wobei zwei für die Datenübertragung und zwei für die Stromversorgung zuständig sind. 10

16 2.2. Kabelverbindungen Abbildung 2.6: USB-Kabel im Querschnitt [GRSB] Die Stromversorgung besteht aus der Busspannung und der Erdung, über die Geräte bis zu 2,5 W betrieben werden können. Die beiden Adern, die für die Datenübertragung zuständig sind, werden bei USB mit Daten (+) und Daten (-) bezeichnet. Hierbei wird jeweils eine komplette Ader für das Empfangen und Senden von Daten verwendet. 11

17 Kapitel 2. Physikalischer Aufbau Kabel, die der Spezifikation Low Speed entsprechen dürfen zusätzlich keinen Standard B Stecker besitzen und müssen fest am Peripheriegerät angebracht sein, so wie es bei Mäusen und Tastaturen der Fall ist Full/High Speed Im Grunde genommen unterscheidet sich der Aufbau eines High Speed - Kabel nicht sonderlich von dem des Low Speed -Kabel. Wegen der drastisch erhöhten Übertragungsrate ist es allerdings notwendig und von der Spezifikation vorgeschrieben, dass das Kabel zusätzlich abgeschirmt ist und die beiden datenübertragenden Adern verdrillt vorliegen. Die Schirmung sollte in diesem Fall Massepotenzial führen. Gerechtfertigt werden diese Maßnahmen durch die erhöhten Anforderungen an die Qualität der Datenübertragung, da es bei manchen Geräten wie z.b. externer Festplatten und Brenner zu massiven Datenverlusten kommen kann. 12

18 3 Elektrische Verbindungen 3.1 Spannungsversorgung Um ein Peripheriegerät benutzen zu können, muss es mit einer Versorgungsspannung verbunden sein. Dafür bietet der USB-Port über seine V+ und GND- Adern eine Spannung von 5 V an. Zusätlich muss jeder an ein Stromnetz angeschlossener Port in der Lage sein eine Stromstärke von 500 ma bereit zu stellen. Somit lassen sich Peripheriegeräte mit einer maximalen Leistung von 2,5 Watt problemlos betreiben. USB-Hubs mit einer eingebauten Batterie bzw. einem Akku müssen nur eine Stromstärke von 100 ma zur Verfügung stellen. Laut Spezifikation darf ein gerade verbundenes Gerät nicht mehr als 100 ma erhalten. Wird mehr Strom benötigt kann die USB-Systemsoftware während des Konfigurationsvorganges die Stromstärke auf 500 ma erhöhen. Nicht mit der Spezifikation vereinbar ist das Bereitstellen der Stromanbindung eines Peripheriegeräts für ein anderes. Ebenso darf auf Grund der Kabel die maximale Stromstärke von 500 ma nicht überschritten werden. Sollte ein Gerät aus unbestimmten Gründen mehr verlangen, so hat die USB-Systemsoftware den Betrieb des Gerätes zu unterbinden. 3.2 Übertragung Die Übertragung von Daten erfolgt bei USB über das Anlegen definierter Pegel an die beiden Datenleitungen D+ und D- und gehört somit zu den bitseriellen Spannungsschnittstellen. Die beiden Datenleitungen werden hierbei an eine Sendeeinheit angeschlossen, die über zwei verschiedene Treiber verfügt. Sie muss in der Lage sein auf die jeweilige Signalleitung zum einen mit einem 13

19 Kapitel 3. Elektrische Verbindungen von der Spezifikation definierten Highpegel V OH und zum anderen mit einem definierten Lowpegel V OL beschalten zu können. Die Spezifikation definiert diese beiden Pegel sehr genau. So hat der Treiber eine Spannung zwischen 0 und 0,3 V bei einem Lowpegel auch dann zu gewährleisten, wenn die Signalleitung über einen Widerstand von 1,5 kohm gegen ein Potential von 3,6 V verbunden ist. Die Spannung von 2,8 bis 3,6 V bei einem Highpegel muss auch dann gewährleistet sein, wenn die Signalleitung über einen Widerstand von 15 kohm verfügt und gegen das Massepotential geschaltet ist. Die beiden Geräte haben hierbei ein gemeinsames Masspotential, welches auch in der GND-Leitung vorliegt. Die Treiber arbeiten hierbei also als Single-Ended-Transmitter. Neben den Transmittern besitzt jedes USB-Gerät zudem zwei Single-Ended- Receiver, welche die beiden Datenleitungen auf Signale überwachen und das gegenüber GND herrschende Massepotential feststellen. Dabei wird jedes eingehende Signal unter einer Spannung von 0,8 V als Lowpegel V IL und jede Spannung über 2,0 V als Highpegel V IH festgestellt. Zusätzlich zu den Single-Ended-Komponenten besitzt jeder USB-Port zusätlich einen differenziellen Empfängerbaustein. Er wertet die Differenzstrom zwischen D+ und D- mit der Formel D+ - D- aus, wobei ein Wert von über 200 ma als eine differenzielle 1 und ein Wert von unter -200 ma als eine differenzielle 0 gilt. Geht man davon aus, dass sich externe, den Datenstrom störende Quellen, auf beide zur Differenzbildung genutzten Adern auswirken, bleibt das Ergebnis in den meisten Fällen das Gleiche. Somit ist sie im Vergleich zu Single-Ended-Komponenten auch die Störungsfreiere Variante. 3.3 Autoerkennung Um ein funktionstüchtiges hot-plug realisieren zu können, muss der USB- Port sowohl das Einstecken eines Gerätes zur Laufzeit erkennen und um welchen Geschindigkeitstyp es sich handelt (Low oder Full Speed). Am Port auf Seiten des Host werden die beiden Datenleitungen mit einem Pull-Down- Widerstand zwischen 14,25 und 24,8 kohm gegen Masse verbunden, was bei 14

20 3.4. Übertragunsmodi Abwesenheit des Peripheriegerätes zu einem definierten Lowpegel auf beiden Datenleitungen führt. Zur Bestimmung der Übertragungsgeschwindigkeit wurde auf Seiten der Geräteports bei Full Speed-Geräten die Datenleitung D+ und bei Low Speed- Geräten die Leitung D- mit einer Pull-Up-Beschaltung versehen. Dabei wird jeweils eine Leitung auf einen definierten Highpegel gebracht, wodurch der Host zweifelsfrei erkennen kann, um welchen Geschwindigkeitstyp es sich handelt. 3.4 Übertragunsmodi Endpoints Jedes USB-Gerät verfügt über hardwareseitige, durchnummerierte Unteradressen, den so gennanten Endpoints. Ein Peripheriegerät kann maximal 31 dieser Endpoints besitzen. Um eine optimale Datenrate zu erreichen können über sie mehrere voneinander unabhängige Datenströme laufen. Die Kommunikation verläuft hierbei unidirektional. Um eine bidirektionale Übertragung zu erreichen, gibt es für jeden einzelnen Datenstrom einen getrennten IN- und OUT-Endpoint (15 IN + 15 OUT + Control Transfer Mode). Der Control Transfer Mode hat bei allen Geräten standardmäßig den Endpunkt mit der Nummer 0. Von ihm aus werden alle Geräte konfiguriert, bevor sie endgültig in Betrieb genommen werden. Über die Endpunkte können verschiedene Transfermodi laufen, von denen hier einige vorgestellt werden: Isochroner Transfer Der isochrone Transfer wird dann eingesetzt, wenn die Übertragung eine bestimmte Datenrate erfordert und ist nur für Full- bzw. High Speed-Geräte verfügbar. Wird auf einem Endpunkt ein isochroner Transfer gestartet, so reserviert der Host-Controller die benötigte Datenrate. Kann diese nicht bereitgestellt werden kann der Transfer nicht stattfinden. 15

21 Kapitel 3. Elektrische Verbindungen Die maximale Datenübertragung liegt hier bei 24 MByte/s und kann über mehrere nebeneinander geschaltete Endpunkte dementsprechend vergrößert werden Interrupt-Transfer Der Interrupt-Transfer ist für kleine Datenmengen gedacht, in denen der Hostcontroller in bestimmten Abständen nach Daten fragt. Bei Inbetriebnahme eines Geräts teilt es dem Host-Controller mit, in welchen Intervallen es abgefragt werden möchte. Die kleinstmöglichen Intervalle sind in diesem Fall bei Low Speed 10 ms, bei Full speed 1 ms und bei Highspeed 3 pro 125 Mikrosekunden. Die maximale Datenraten ergibt sich dann folgendermaßen. Bei Low Speed 8 Byte pro Abfrage (800 Byte/s), bei Full speed 64 Byte pro Abfrage (64 KByte/s) und bei Highspeed 1024 pro Abfrage (24 MByte/s). Dieser Transfer wird im Allgemeinen von Geräten der Human Interface Device Klasse verwendet, unter die z. B. Maus, Tastatur Joysticks fallen Bulk-Transfer Der Bulk-Transfer ist für große Datenmengen gedacht, die jedoch nicht zeitkritisch sind. Dieser Transfer wird nur dann ausgeführt, wenn alle isochronenund alle Interrupt-Transfers abgeschlossen wurden und immer noch genügend Datenrate übrig ist. Wie schon der isochrone Transfer ist dieser nur für High Speed-Geräte nutzbar Control-Transfer Der Control-Transfer ist für die Konfiguration von Peripheriegeräten gedacht. Er ist der einzige Endpunkt auf dem Datenströme in beide Richtungen laufen 16

22 3.4. Übertragunsmodi können. Nach den Einstellungen des Geräts muss der Datenstrom in beide Richtungen bestätigt werden USB On-the-Go USB On-the-Go wurde im Jahre 2001 entwickelt und dient der Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Peripheriegeräten. Dabei wird auf die Unterstüzung eines externen Host-Controllers völlig verzichtet. Stattdessen übernimmt eines der beiden Geräte die Funktionen eines Host-Controller in abgestufter und eingeschränkter Form. Zu finden ist diese Technik z. B. bei modernen Nokia Handys Wireless USB Initiiert von der Firma Cypress wurde es erstmal möglich, mit einem am USB- Port angeschlossenen Transciever (Empfänger und Sender in einem) ein Gerät vom Computer aus zu steuern. Die Datenrate beträgt in der finalen Version 1 MBit/s. Intel entwickelt derzeit eine Möglichkeit diese Technik zu erweitern um die maximale Datenrate eines USB-Ports auszunutzen. Das Ziel ist es die kompletten 480 MBit/s auszuschöpfen. Die maximale Entfernung zu einem Gerät beträgt hierbei laut Spezifikation 10 Meter Tatsächliche Datenraten Die tatsächlichen Datenraten unterscheiden sich in der Realität allerdings stark von den angegebenen. So werden bei einem Transfer in der Regel nie die vollen 1,5, 12 oder 480 MBit/s ausgenutzt. Durch den Protokoll Overhead und eventuelle Berechnungen der zu verschickenden Daten durch Programme liegt der Datentransfer meist deutlich unter dem zu erwartenden. So werden im isochronen Transfer maximal 49 und beim Bulk-Transfer maximal 53 MByte/s verschickt. Die durchschnittliche Übertragungsrate liegt allerdings bei 330 MBit/s (40 MByte/s). 17

23 4 Host Controller Teil eines jeden USB-Hosts ist der sogenannte Host Controller. Dies ist ein in jedem USB-Port verbauter Chip, der über ein oder verschiedene Host Controller Interfaces (HCI) die Kommunikation mit den Endgeräten abwickelt. Dabei bleiben die Interfaces für das Gerät transparent. Im Grunde können Teile des HCI auch über den Gerätetreiber simuliert werden, bringen aber immer jegliche benötigte Funktionalität mit. Zur Zeit sind drei verschiedene HCI am Markt etabliert. 4.1 Universal Host Controller Interface (HCI) Das Universal Host Controller Interface war das erste, von Intel im November 1995, spezifizierte HCI zu USB. Es unterstützt USB 1.0 und 1.1 Geräte und damit Datenraten von 1,5 MBit/s und 12 MBit/s. In der Praxis ist das UHCI fast ausschließlich auf Mainboards mit Intel- oder VIA-Chipsatz zu finden. 4.2 Open Host Controller Interface Bei allen anderen Herstellern kommt üblicherweise das Open Host Controller Interface (OHCI) zum Einsatz. Dieses wurde im Dezember 1995 von Compaq, Microsoft und National Semiconductor gemeinsam entwickelt. Zwar unterstützt es ebenfalls nur USB 1.0 und 1.1 Geräte, ist aber aufgrund seiner größeren Hardwarelastigkeit minimal schneller als das UHCI. 18

24 4.3. Enhanced Host Controller Interface 4.3 Enhanced Host Controller Interface Zur Unterstützung von USB 2.0 Geräten ist ein weiteres Interface notwendig, das Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Dieses ursprünglich Anfang 2001 von Intel spezifizierte Interface unterstützt nur USB 2.0 Geräte, also Datenraten bis 480 MBit/s. 4.4 Abwärtskompatibilität Da jedes HCI nur entweder 1.0/1.1 Geräte oder 2.0 Geräte unterstützt muss die von USB 2.0 geforderte Abwärtskompatibilität dadurch erreicht werden, dass 2.0 USB-Ports zwei Interfaces besitzen. Dabei wird ein Gerät jeweils zuerst am EHCI versucht, und wenn es keine 2.0-Funktionalität besitzt an ein dahinter liegendes UHCI oder OHCI weiter gereicht. 19

25 5 USB-Topologie 5.1 Einleitung Für gewöhnlich bedeutet eine Busstruktur, dass mehrere Geräte über eine gemeinsame Verbindung mit einem Host-System verbunden sind. Alle verwenden die selbe Datenleitung, was zu einem sehr einfachen physikalischen Aufbau führt. Dieser hat jedoch den Nachteil, dass Fehlfunktionen einzelner Geräte sich leicht auf den gesamten Bus auswirken können. Im schlimmsten Fall blockiert ein fehlerhafte Daten auf den Bus bringendes Gerät die gesamte Datenübertragung. 5.2 Physische Topologie Um dieser Problematik entgegen zu wirken wurde USB mit einer Topologie entworfen, die es ermöglicht alle Verbindungen auf elektrischer Ebene als Punktzu-Punkt-Verbindungen zu behandeln. Nur logisch bleibt USB ein Bussystem. Der Bus erhält somit eine Baumstruktur, dessen Wurzel der Host selbst bildet. Die Kindknoten werden dabei jeweils entweder von Endgeräten oder von Hubs belegt, an die wiederum weitere Endgeräte angeschlossen werden können. Hubs dienen dabei zusätzlich als Kontrollinstanz, da sie nur korrekte Signale aus ihren Kindknoten zur Wurzel weiterleiten. Maximal können auf diese Weise an einen USB-Host 127 Hubs und Endgeräte angeschlossen werden, bei denen die Tiefe des Baums höchstens Sieben betragen darf, während der Host die erste Stufe darstellt. Das Signal eines Endgerätes darf also über maximal fünf Hubs an den Host weitergeleitet werden. Die Topologie von USB wird daher zumeist als stufige Stern-Topologie bezeichnet. 20

26 5.3. Logische Topologie Abbildung 5.1: Die physische USB-Topologie [SPEC] Durch die kostengünstige Integration von USB-Hubs in über USB angeschlossenen Geräten, wie z. B. einer Tastatur, gibt es daher heutzutage vielfältige Möglichkeiten weitere Geräte mit dem PC zu verbinden ohne dabei auf die - schlechter erreichbaren - direkten Anschlüsse zurückgreifen zu müssen. 5.3 Logische Topologie Ganz anders als der physische Aufbau von USB-Verbindungen verhält sich die logische Topologie. Hier erscheinen alle Geräte als über direkte Punktzu-Punkt-Verbindungen (sogenannte Pipes) an einen gemeinsamen Bus angeschlossen, wobei der Host diese verwendet als wären sie direkt mit ihm verbunden. Bis auf die Zusatzfunktion weiterer Anschlüsse für Geräte bereit zu stellen verhalten sich Hubs dabei wie Endgeräte. Diese logische Sicht auf die Verbindungen macht es für den Host zwingend erforderlich ebenfalls den physischen Aufbau des Bus zu kennen, damit Geräte, die durch das Entfernen eines Hubs nicht mehr angeschlossen sind, auch aus der logischen Struktur entfernt werden. Zur logischen Adressierung der Geräte steht bei USB ein Pool von 128 Adressen zur Verfügung, die dynamisch zugeordnet werden. Neu angeschlossene Geräte erhalten zu Beginn die spezielle Adresse 0, bis ihnen eine dauerhafte 21

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