USB, Universal Serial Bus

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI USB, Universal Serial Bus Burgdorf, 23. Januar 2006 Autor: Fach: Dozent: Sandro Schnegg Embedded Control Max Felser

2 Zusammenfassung Im Fach Embedded Control hatten wir die Aufgabe, zu einem Industriellen Netzwerk unserer Wahl eine Zusammenfassung zu erstellen.in diesem Bericht gebe ich eine Übersicht über USB. Die Abkürzung USB steht für "Universal Serial Bus" und bezeichnet einen seriellen Bus, welcher momentan vor allem im Bereich PC-Peripherie enorm an Bedeutung gewinnt. Grund hierfür ist unter anderem die Tatsache, dass USB eine ebenso einfache wie universelle Schnittstelle für nahezu alle Arten von Geräten (von Tastatur und Maus, über Scanner, Modem, bis hin zu digitalen Cameras und Telefonen) zur Verfügung stellt. Wahrscheinlich wird der USB in absehbarer Zeit, den Standard-Parallel-Port, sowie die RS232 Schnittstelle, ersetzen.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte USB USB USB USB On-The-Go Wireless USB Markt und Einsatzgebiete Nutzen für den Anwender Leichte Anwendbarkeit Geschwindigkeit Zuverlässigkeit Niedrige Kosten Vorteile für Entwickler Vielseitigkeit Betriebssystemunterstützung USB-Entwicklerforum Beschränkungen der Schnittstelle Geschwindigkeit Entfernung Peer-to-Peer Kommunikation Vergleich verbreiteter Computerschnittstellen Anwendung- und Einsatzmodelle Transfertypen Control-Transfers Bulk-Transfers Interrupt-Transfers Isochrone-Transfers Vergleich der Transfertypen Geräteklassen Klassenübersicht Zugriff auf Klassentreiber Technologie Grundlagen Enumeration Elektrisches Bitcodierung Paketformat SYNC PID Address Endpoint Frame Number Data CRC Installationstechnik Stecker Kabel Geräte-Identifikation Kontrollwerkzeuge... 10

4 1 Geschichte Ursprünglich war USB als Nachfolger für eine ganze Reihe von damals verwendeten PC-Schnittstellen gedacht. USB sollte die alten Ports wie parallel, seriell, PS/2 und die game-ports komplett ersetzen trafen sich zum ersten Mal sieben Firmen, welche sich alle intensiv mit der Entwicklung von PC-Hardware und Software befassten, um dieses Problem zu lösen: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und Northern Telecom 1.1 USB 1.0 Der heute unter dem Name USB 1.0 bekannte universelle serielle Bus wurde von Intel entwickelt. Offiziell wurde er 1995 vom oben genanten Konsortium eingeführt, welche sich dann im selben Jahr zum USB Implementers Forum (USB-IF) zusammenschlossen. Version 1.0 der USB Spezifikation wurde im Januar 1996 veröffentlicht, und sah eine Bitrate von maximal 1,5 MBit/s (Low Speed) vor. Massenspeicher, wie etwa Festplatten, wurden zu Beginn nicht als ein wesentlicher Anwendungsfall von USB gesehen, grundsätzlich aber unterstützt 1.2 USB 1.1 Mit USB 1.1 wurde es möglich, Datenratten von 12 Mbit/s (Full Speed) zu erreichen wurde die Schnittstelle mit der Einführung des imac im Hause Apple eingeführt. Bei diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen Apple Desktop Bus (ADB) durch den USB damit war die systemübergreifende Akzeptanz dieser Schnittstelle etabliert. 1.3 USB 2.0 USB MEILENSTEINE 2005 Wireless USB veröffentlicht 2001 USB OTG Spezifikation veröffentlicht 2000 USB 2.0 Spezifikation veröffentlicht USB beginnt sich zu etablieren Apple stattet den imac nur noch mit USB Ports aus USB 1.1 Spezifikation veröffentlicht USB-IF Mitglieder auf über 400 Firmen angestiegen Über 500 USB Produkte wurden weltweit entwickelt USB 1.0 Spezifikation veröffentlicht Erstes USB Produkt vorgestellt. Erste Abmachungen bezüglich USB werden getroffen Das USB Implementers Forum (USB-IF) bildet sich mit einer Anfangsmitgliederzahl von 340 Firmen Intel führt den ersten USB Chip ein 1994 USB Kern Firmen versammeln sich Tabelle 1.1: USB Meilensteine Als USB 1.X an Beliebtheit gewann, wurde schnell klar, dass eine höhere Bussgeschwindigkeit nützlich wäre. Untersuchungen zeigten, dass eine 40 fach höhere Busgeschwindigkeiten als im Full- Speed-Modus abwärtskompatibel bleiben konnte. Im April 2000 wurde USB 2.0 mit der High-Speed-Option (480 Mbit/s) veröffentlicht, und sorgte dafür, dass USB für Peripheriegeräte wie Drucker, Festplatten etc. wesentlich attraktiver wurde. Das Urheberrecht an der USB-Spezifikation 2.0 lag gemeinsam bei sieben Unternehmen: Agere, HP, Intel, Lucent, Microsoft, NEC und Philips. Dies sind auch die sieben Firmen die heute das USB-IF leiten, und unterscheiden sich leicht von den sieben Gründungsfirmen /10 Sandro Schnegg

5 1.4 USB On-The-Go Als USB für alle Arten von Peripheriegeräten zur Schnittstelle der Wahl geworden war, fragten Entwickler nach Möglichkeiten zur direkten Verbindung ihrer Peripheriegeräte miteinander und mit anderen USB-Pheripheriegeräten. Ein Anwender möchte z.b. einen Drucker direkt an eine Kamera anschliessen oder zwei Festplatten für den Austausch von Daten miteinander verbinden. Die 2001 veröffentlichte OTG-Ergänzung (On-The-Go) zur USB 2.0-Spezifikation definierte eine Host-Funktion mit eingeschränkten Fähigkeiten, die in Geräten implementiert werden kann, um die Kommunikation mit Peripheriegeräten zu ermöglichen. 1.5 Wireless USB Bei dieser USB-Erweiterung handelt es sich um Wireless USB. Diese Spezifikation wurde im Mai 2005 veröffentlicht, und ermöglicht die Drahtlose Kommunikation der Geräte bei einer Bruttotransferrate von maximal 480MBit/s. 2 Markt und Einsatzgebiete Der USB kommt am besten überall dort zum Einsatz, wo Computer mit externen Geräten kommunizieren sollen. Denn jeder aktuelle PC und Macintosh-Rechner verfügt über USB-Ports, an die neben Standard-Peripheriegeräte wie z.b. Tastatur, Maus, Scanner, Kamera, Drucker und Laufwerke auch spezielle Hardware für nahezu jeden Einsatzzweck angeschlossen werden kann. Die Schnittstelle eignet sich gleichermassen für Entwicklungen grosser und kleiner Stückzahlen oder auch Prototypen. Damit eine Schnittstelle erfolgreich ist, muss sie den Anforderungen der Anwender und der Entwickler entsprechen. 2.1 Nutzen für den Anwender Aus der Sicht des Anwenders sind die Vorteile des USB in der leichten Anwendbarkeit, in schnellen und zuverlässigen Datenübertragungen, in der Flexibilität, in den geringen Kosten und im niedrigen Stromverbrauch Leichte Anwendbarkeit Automatische Konfiguration. Ein USB-Peripheriegerät wird beim anschliessen vom Betriebssystem automatisch erkannt, und die passenden Gerätetreiber werden automatisch geladen. Keine Anwendereinstellungen. USB-Peripheriegeräte haben keine durch den Anwender wählbare Einstellungen wie etwa Portadresse, so dass keine Jumper oder Konfigurationsprogramme benützt werden müssen. Keine eigene Stromversorgung erforderlich (teilweise). Die USB-Schnittstelle enthält Stromversorgung und Masseleitung, die +5V über das Netzteil des Rechners oder Hubs zur Verfügung stellt. Peripheriegeräte mit einem Stromverbrauch von weniger als 500mA können den gesamten Strom über den Bus beziehen Geschwindigkeit USB unterstützt drei Bussgeschwindigkeiten. High-Speed mit 480MBit/s, Full-Speed mit 12MBit/s und Low-Speed mit 1.5MBit/s. Wegen den Status-, Steuer- und Fehlerprüffdaten liegt die theoretische maximale Datenübertragungsrate jedoch deutlich unterhalb der Busgeschwindigkeit: 53MByte/s (High- Speed), 1.2MByte/s (Full-Speed) bzw. 800Byte/s (Low-Speed) /10 Sandro Schnegg

6 2.1.3 Zuverlässigkeit Die Zuverlässigkeit des USB beruht auf der Hardware als auch auf den für den Datentransver verwendeten Protokollen. Die Hardwarespezifikation eliminiert das meiste Rauschen, und das Protokoll ermöglicht die Erkennung von Fehlern in den empfangenen Daten und kann den Sender benachrichtigen, so dass die Daten erneut übertragen werden können. Das Erkennen, Benachrichtigen und erneut Übertragen erfolgt hardwaregestützt und erfordert keine Programmierung oder Anwendereingriffe Niedrige Kosten Auch wenn der USB komplizierter als frühere Schnittstellen ist, sind die Komponenten und Kabel preiswert. 2.2 Vorteile für Entwickler Viele der oben beschriebenen Vorteile für den Anwender erleichtern auch die Arbeit des Entwicklers. Zum Beispiel bedeuten die für den USB definierten Kabelstandards und die automatische Fehlerprüfung, dass sich die Entwickler keine Gedanken über das spezifizieren der Kabeleigenschaften oder über die Bereitstellung einer softwaremässigen Fehlerprüfung zu machen brauchen Vielseitigkeit Durch die vier Transfertypen und drei Geschwindigkeiten eignet sich der USB als Schnittstelle für viele Peripheriegerätetypen. Es gibt Transfertypen, die sich für den Austausch grosser und kleiner Datenblöcke mit und ohne Zeitbeschränkungen eignen. Für Daten, die keine Verzögerung dulden, kann der USB Bandbreiten oder Obergrenzen für Zeitspannen zwischen Übertragungen garantieren Betriebssystemunterstützung Windows 98 war das erste Windows-Betriebssystem mit zuverlässiger USB-Unterstützung. Auch andere Computer und Betriebssysteme verfügen über USB-Unterstützung, wie z.b. Apple Macintosh- Rechner und das Betriebssystem Linux. Auf unterster Ebene muss ein Betriebssystem drei Aufgaben bewältigen: Erkennen, wenn ein Gerät an das System angeschlossen bzw. entfernt wird. Mit neu angeschlossenen Geräten kommunizieren, um zu ermitteln, wie die Daten ausgetauscht werden können. Einen Mechanismus bereitstellen, über den die Softwaretreiber mit der USB-Hardware des Rechners und mit den Anwendungen, die auf die USB-Peripheriegeräte zugreifen, kommmunizieren können. Auf einer höheren Ebene kann Unterstützung durch ein Betriebssystem auch bedeuten, dass Klassentreiber integriert wurden, über die Anwendungsprogramme auf Geräte zugreifen können USB-Entwicklerforum Bei USB werden eine Menge zusätzlicher Hilfestellungen im USB Implementers Forum (USB-IF) bzw. dessen Website (www.usb.org) angeboten. 2.3 Beschränkungen der Schnittstelle Geschwindigkeit Der High-Speed Modus kann zwar mit der IEEE-1394 Schnittstelle (Firewire; 400 MBit/s) konkurieren, ist IEEE-1394b mit seinen noch höheren Übertragungsraten von 3.2 GBit/s aber unterlegen Entfernung Der USB wurde als Desktop-Bus entwickelt, wobei davon ausgegangen wurde, dass die Peripheriegeräte nicht weit entfernt sind. Ein Kabelstück kann maximal etwa fünf Meter lang sein /10 Sandro Schnegg

7 Immerhin kann mit fünf Hubs und entsprechenden Kabel die Entfernung auf 30 Meter vergrössert werden Peer-to-Peer Kommunikation Jede USB-Kommunikation findet zwischen einem Host-Computer und einem Peripheriegerät statt. Weder Host noch Peripheriegeräte könne direkt miteinander Kommunizieren. Eine Teillösung dieses Problems bietet USB On-The-Go welches einem Peripheriegerät verringerte Fähigkeiten eines Host- Computers verleiht. 2.4 Vergleich verbreiteter Computerschnittstellen Schnittstelle Max. Anzahl Max. Entfernung Max. Geschwind. Typische Verwendung Geräte [Bit/s] USB 127 5m (bis 30m mit 5 Hubs) 1.5M, 12M, 480M Maus, Tastatur, Festplatte Ethernet m 10M/100M/1G/10G Netzwerk Komm. Firewire, 1394b 64 90m 3.2G Video, Massenspeicher RS m bis 30m 20k (115k mit einigen Treibern) Modem, Maus, Messgeräte Tabelle 2.1: Vergleich verbreiteter Computerschnittstellen 3 Anwendung- und Einsatzmodelle 3.1 Transfertypen Um diesen unterschiedlichen Anforderungen in Bezug auf die Übertragungsrate, die Reaktionszeit und die Fehlerkorrektur zu genügen, werden vier verschiedene Transfertypen unterstützt Control-Transfers Control Transfers haben zwei Aufgaben. Sie befördern die von der USB-Spezifikation definierten Anforderungen und werden vom Host verwendet, um sich über die Fähigkeiten von Geräten zu informieren und diese zu konfigurieren. Ausserdem können Control-Transfers auch die einem Hersteller für beliebige andere Zwecke definierten Anforderungen übertragen Bulk-Transfers Bulk-Transfers sind sinnvoll für den Transfer von Daten, bei denen die Übertragungungszeit nicht kritisch ist. In einem Bulk-Transfer können grosse Datenmengen übertragen werden, ohne dass dabei der Bus verstopft wird. Dies ist bedingt durch die Tatsache, dass Bulk-Transfers erst nach allen anderen Transfertypen gestartet werden und warten, bis Zeit zur Verfügung steht. Die Anwendungen für Bulk-Transfers umfassen das Senden von Daten vom Host zu einem Drucker, die Übertragung von Daten von einem Scanner zum Host und das Lesen und Schreiben auf Festplatte. Auf einem ansonsten freien Bus stellen Bulk-Transfers den schnellsten Transfertyp dar Interrupt-Transfers Interrupt Transfers sind nützlich, wenn Daten innerhalb eines bestimmten Zeitraums übertragen werden müssen. Typische Anwendungen sind Tastatur, Maus, Spielsteuerungen und Hub- Statusberichte. Anwender wollen keine merkliche Verzögerung zwischen der Betätigung einer Taste oder der Bewegung der Maus und dem Ergebnis auf dem Bildschirm merken Isochrone-Transfers Isochrone Transfers übertragen Datenströme in Echtzeit, was dann nützlich ist, wenn Daten mit einer konstanten Rate oder zu einem bestimmten Zeitpunkt eintreffen müssen und gelegentlich Fehler toleriert werden können. Es gibt keine Vorkehrungen, die für eine erneute Übertragung fehlerhaft empfangener Daten sorgen. Isochrone Transfers werden beispielsweise bei der Echtzeitübertragung von Sprache oder Musik verwendet /10 Sandro Schnegg

8 3.1.5 Vergleich der Transfertypen Transfertyp Control Bulk Interrupt Isochron typische Anwendung Identifikation und Konfiguration Drucker,Scaner, Laufwerke Maus, Tastatur Streaming Audio, Video erforderlich? ja nein nein nein Low-speed 24 unzulässig 0.8 unzulässig Transferrate [KByte/s] Full-speed High-speed Fehlerkorrektur ja ja ja nein garantierte nein nein nein ja Übertragungsrate? Garantierte Latenzzeit nein nein ja ja 3.2 Geräteklassen Tabelle 3.1: Vergleich der Transfertypen Die meisten USB-Geräte haben mit anderen Geräten, die ähnliche Aufgaben erfüllen, viel gemeinsam. Alle Mäuse senden Daten über Mausbewegungen und Tastenklicks. Alle Festplatten übertragen Daten. Alle Drucker empfangen zu druckende Daten und senden Statusinformationen zurück zum Host. Es ist sinnvoll diese gemeinsamen Merkmale in einer Klassenspezifikation zu definieren. Die definierten Klassen müssen die wichtigsten gemeinsamen Gerätefunktionen abdecken. Betriebssysteme können Treiber für verbreitete Klassen zur Verfügung stellen, so dass Anbieter für Geräte dieser Klassen keinen Treiber liefern müssen. 3.3 Klassenübersicht Klasse Einsatzgebiet Windows Unterstützung Audio Audiodaten senden oder empfangen Treiber (usbaudio.sys) Communication (CDC) Telefone und Netzwerkgeräte Treiber (usbser.sys) Human Interface (HID) Tastaturen, Maus, Spielsteuerungen API-Funktionen Mass Storage Festplatten, CD/DVD Laufwerke, USB- Treiber (usbstor.sys) Stick Printer Drucker Treiber (usbprint.sys) Tabelle 3.2: Klassenübersicht 3.4 Zugriff auf Klassentreiber Um nun von einer Programmiersprache wie C++ auf den Klassentreiber zuzugreifen müssen die Windows API-Funktionen (Application Programming Interface) verwendet werden. 4 Technologie 4.1 Grundlagen USB ist ein sternförmiges Netz von Geräten (Device), die alle von einem Controller (im PC) verwaltet werden. Der Controller hat allein das Recht, die Kommunikation zwischen ihm und dem Device zu steuern. Er kann Daten in einen Pufferspeicher (Endpunkt) des Device schreiben, und er kann Daten aus einem Endpunkt im Device auslesen. Der Device kann dagegen nicht selbständig dem Controller /10 Sandro Schnegg

9 melden, dass er Daten haben will oder dass er Daten für den Controller hat. Es gibt auch keine Interupts, die der Device auslösen könnte. Low speed Geräte dürfen maximal zwei Endpunkte besitzen, full- oder high-speed Geräte dagegen dürfen bis zu 16 Endpunkte besitzen. Beim Reset des USB-Buses (oder beim Anstecken an den Bus), meldet sich jeder Device beim Controller mit der fiktiven Adresse 0 an. Der Controller teilt dem Device eine richtige Adresse zu (1..127) und liest die Konfiguration aus dem Endpunkt 0 aus Dieser Vorgang wird Enumeration genannt. Abbildung 4.1: USB Bussystem 4.2 Enumeration Während der Enumeration beantwortet die Firmware des Geräts eine Reihe von Standardfragen des Hosts. Zum Beispiel, wie viele Pufferspeicher (genannt Endpunkte) es besitzt, wie gross diese Puffer sind (max. 64 Byte) und ob es für den Controller Lesepuffer (In) oder Schreibpuffer (Out) sind. Außerdem wird dem Controller gesagt, wie häufig er prüfen soll, ob im Lesepuffer Daten für ihn bereitliegen. Der Controller muss also alle Lesepuffer pollen! Geräte, die vom PC eine schnelle Reaktion erfordern (z.b. die Maus), müssen diese Abfragen mehrere 100 Mal pro Sekunde erfolgen. Beim PC übernimmt das Betriebssystem die Enumeration, so dass dazu keine Programmierung erforderlich ist. Ist die Enumeration erfolgreich, wird ein Kommunikationskanal zwischen dem Endpunkt und der Hostcontrollersoftware eingerichtet, eine so genannte Pipe. Abbildung 4.1: USB Kommunikationsfluss /10 Sandro Schnegg

10 4.3 Elektrisches Daten werden in binärer Form übertragen. Die zwei definierten logischen Zustände werden als J und K bezeichnet. Die logischen Zustände setzen sich aus den Zuständen der zwei Signalleitungen D+ und D- zusammen Lowspeed Fullspeed Signal Pegel D- D+ Bemerkung Signal Pegel D- D+ Bemerkung J K Differentiell 0 H L Differentiell 1 L H (D-) - (D+) > 200mV (D+) - (D-) > 200mV Tabelle 4.1: Signalpegel J K Differentiell 1 L H Differentiell 0 H L (D+) - (D-) > 200mV (D-) - (D+) > 200mV 4.4 Bitcodierung Bei der Übertragung wird die NRZI Kodierung verwendet. Um eine gute Synchronisation am Empfänger zu gewährleisten, kommt ein Bitstuffing zum Einsatz: Treten 6 oder mehr aufeinanderfolgende 1 Bits auf, wird zwangsweise ein 0 Bit eingefügt. Dieses Bit muß auch eingefügt werden, wenn an dieser Stelle im Datenstrom ein 0 Bit erscheinen würde. Dies ist notwendig, damit beim Empfänger dieses Zusatzbit erkannt und wieder entfernt werden kann. Abbildung 4.2: NRZI Code 4.5 Paketformat Die Datenübertragung beim USB erfolgt blockweise bitseriell. Dabei wird das niederwertigste Bit zuerst übertragen. Bei Daten mit einer Breite von mehr als einem Byte wird das niederwertigste Byte zuerst übertragen eine Ausnahme bildet dabei das CRC-Feld, hier wird das höchstwertigste Bit zuerst übertragen. Name Grösse [Bit] Pakettypen Zweck SYNC 8 oder 32 Alle Start-of-Packet und Synchronisation PID 8 Alle Kennung des Packettyps Address 7 IN, OUT, Setup Identifikation der Funktionsadresse Endpoint 4 IN, OUT, Setup Identifikation des Endpunkts Frame Number 11 SOF Identifikation des Rahmens Data 0 bis 8192 (1024 Byte) für Data0, Data1 Daten 2.0 Hardware, 0 bis 8184 (1023 Byte) bei 1.x Hardware CRC 5 oder 16 IN, OUT, Setup, Data0, Data1 Fehlererkennung Tabelle 4.2: Paketformat /10 Sandro Schnegg

11 4.5.1 SYNC Alle Pakete müssen mit einem SYNC Feld starten, und werden zum Synchronisieren vom Empfänger bzw. Sender gebraucht. Die letzten beiden Bits zeigen an, wann das PID Feld beginnt PID PID bedeuted Packet ID. Dieses Feld zeigt an, welcher Packettyp gesendet wird. Die Nachfolgende Tabelle zeigt die möglichen Werte: Group PID Value Packet Identifier Token 1 OUT Token Handshake 10 ACK Handshake 1001 IN Token 1010 NAK Handshake Data 101 SOF Token 1110 STALL Handshake 1101 SETUP Token 110 NYET (No Response Yet) 11 DATA0 Special 1100 PREamble 1011 DATA ERR 111 DATA Split 1111 MDATA 100 Tabelle 4.3: Packet ID's Um sicher zu stellen, dass das PID Feld richtig empfangen wurde, wird es invertiert und hinten angehängt. Dies ergibt schlussendlich 8 Bit. PID 0 PID 1 PID 2 PID 3 /PID 0 /PID 1 /PID 2 /PID Address Das Address-Feld besteht aus sieben Bits, die das Gerät angeben, mit dem der Host kommuniziert Endpoint Das Endpoint-Feld besteht aus vier Bits und gibt eine Endpunktnummer innerhalb eines Geräts an Frame Number Das Feld umfasst 11 Bits, die den Rahmen kennzeichnen Data Das Daten Feld kann, je nach Transfertyp, Busgeschwindigkeit und der zu übertragenden Daten, aus 0 bis 1024 Bits bestehen CRC Das CRC-Feld (Cyclic Redundancy Check) besteht bei Adress- und Endpunktfeldern aus fünf und bei Datenfeldern aus 16 Bits. Die Bits werden zur Fehlerprüfung verwendet. Die sende Hardware fügt die CRC-Bits normalerweise ein, während die empfangende Hardware die erforderlichen Berechnungen durchführt, so dass der Programmcode diese Aufgabe nicht übernehmen muss. 5 Installationstechnik Der USB ist ein bitserieller Bus mit einem hierarchischen Verbidungsschema. Es sind insgesamt 127 Geräte möglich, die in insgesamt 7 Schichten angeordnet sein können /10 Sandro Schnegg

12 Abbildung 5.1: Bustopologie Dabei ist durch die Punkt-zu-Punkt-Verbindung stets ein Busabschluß gewährleistet. Die Hubs wirken zusätzlich als Verstärker. Hubs müssen dabei sowohl 12 MBit, als auch den 1,5 MBit Datenstrom weiterleiten. Datenpakete mit 12 MBit werden nicht an Geräte mit 1,5 MBit weitergeleitet, um Fehlfunktionen und eine Störabstrahlung über das ungeschirmte Kabel zu vermeiden. 5.1 Stecker Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs- und vertauschungssicher gestaltet. In Richtung des Hostcontrollers (Upstream) werden flache Stecker (Typ A DIN IEC ) verwendet. Zum angeschlossenen Gerät hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische Stecker (Typ B DIN IEC ) angeschlossen, vereinzelt auch mit Typ A-Steckern. Für Geräte mit geringerem Platzangebot (z. B. digitale Kameras) existieren auch kompaktere Steckervarianten, die Mini-USB-Stecker. Speziell für Handy und andere mobile Geräte wurde mit Micro-USB im Januar 2007 ein noch kleinerer Stecker vorgestellt. Dieser ermöglicht so eine besonders kompakte Bauform. Die Micro-USB-Spezifikation kann USB On-The- Go (OTG) unterstützen, was Verkabelung und Kommunikation auch ohne PC als Host ermöglicht. Standardstecker Pin Name Farbe 1 VCC Rot +5 V 2 D- Weiß Data - 3 D+ Grün Data + 4 GND Schwarz Masse Beschreibung Tabelle 5.1: Standard Pinbelegung Ministecker Pin Name Farbe Beschreibung 1 VCC Rot +5 V 2 D- Weiß Data - 3 D+ Grün Data + 4 ID keine 5 GND Schwarz Masse erlaubt Unterscheidung Von Mini-A und Mini-B-Stecker Tabelle 5.2: Ministecker Pinbelegung 5.2 Kabel In einem USB-Kabel werden vier Adern benötigt. Zwei Adern übertragen dabei die Daten, die anderen beiden Adern versorgen das angeschlossene Gerät mit einer Spannung von 5 V. Der USB- Spezifikation entsprechende Geräte dürfen bis zu 100 ma oder 500 ma aus dem USB beziehen, /10 Sandro Schnegg

13 abhängig davon wie viel der Port liefern kann an den sie angeschlossen werden. Geräte mit einer Leistung von bis zu 2,5 W können also über den Bus mitversorgt werden. Die Kabel müssen je nach Geschwindigkeit unterschiedlich abgeschirmt werden. Kabel, die lediglich der Spezifikation low speed entsprechen, dürfen über keinen B-Stecker verfügen, sondern müssen fix am Gerät montiert sein oder einen herstellerspezifischen Stecker verwenden. Der Grund dafür ist, dass die geringe Abschirmung des Kabels zu Problemen bei Geräten mit höheren Geschwindigkeiten Führen kann. USB arbeitet mit einem differentiellen Widerstand von 90 Ω, direkte Verbindungskabel sollten daher auch in diesem Wellenwiderstandswert ausgeführt sein. Die Länge eines Kabels vom Hub zum Gerät ist auf fünf Meter begrenzt. Low-Speed-Kabel werden von der Spezifikation auf drei Meter beschränkt. Kabel für Highspeed-Geräte können deshalb länger sein, da sie eine Schirmung besitzen. Längere Strecken kann man überwinden, indem USB-Hubs dazwischengeschaltet werden. Abbildung 5.2: USB Kabel Konstruktion 5.3 Geräte-Identifikation Damit der Host erkennen kann, ob ein Gerät angeschlossen ist, und ob es sich um ein High- oder Low-Speed Gerät handelt, muss die D+ bzw. die D- Leitung mit einem 1.5k Widerstand auf +3.3V gezogen werden. Abbildung 5.3: Full-Speed Identifikation Abbildung 5.4: Low-Speed Identifikation 5.4 Kontrollwerkzeuge Das USB-IF (http://www.usb.org) stellt auf ihrer Homepage verschiedene Software Produkte zur verfügung die einem bei der Entwicklung hilfreich sein können. Es sind auch USB Protokollanalysatoren auf dem Markt erhältlich. Zum Beispiel der USB Explorer der Firma Ellisys (http://www.ellisys.com). Die Firma Thesycon (http://www.thesycon.com) entwickelt USB-Gerätetreiber für Windows zur direkten Ansteuerung von USB-Geräten. Sie stellen eine Demoversion ihres Treibers mit dazugehöriger Benutzeroberfläche zur Verfügung, um die Kommunikation zwischen dem Client und Windows zu testen /10 Sandro Schnegg

14 Anhang A Quellen [1] USB 2.0 Handbuch für Entwickler von Jan Axelson (ISBN ) [2] Offizielle Website des USB-IF [3] Website von Jan Axelson [4] USB in a NutShell [5] Fachhochschule für Technik Berlin Anhang B Tabellenverzeichnis Tabelle 1.1: USB Meilensteine... 1 Tabelle 2.1: Vergleich verbreiteter Computerschnittstellen... 4 Tabelle 3.1: Vergleich der Transfertypen... 5 Tabelle 3.2: Klassenübersicht... 5 Tabelle 4.1: Signalpegel... 7 Tabelle 4.3: Paketformat... 7 Tabelle 4.4: Packet ID's... 8 Tabelle 5.1: Standard Pinbelegung... 9 Tabelle 5.2: Ministecker Pinbelegung... 9 Anhang C Abbildungsverzeichnis Abbildung 4.1: USB Bussystem...6 Abbildung 5.5: USB Kommunikationsfluss.6 Abbildung 5.6: NRZI Code 7 Abbildung 5.1: Bustopologie... 9 Abbildung 5.2: USB Kabel Konstruktion A Sandro Schnegg

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