9 Der gerätespezifische Datenverkehr von/zu den Peripherie-Einheiten

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1 Peripherie-Einheiten mit geringen Datenraten und gerätespezifischen Schnittstellen 9 Der gerätespezifische Datenverkehr von/zu den Peripherie-Einheiten Jetzt soll genauer untersucht werden, welche Merkmale die Schnittstellen zu den peripheren Einheiten haben. Für PC-Anwender sind diese Schnittstellen an entsprechenden Steckern erkennbar, die sich gemäß den gerätespezifischen Schnittstellen-Standards entwickelt haben. Gemäß den typischen Datenübertragungsgeschwindigkeiten über diese Stecker kann man die Peripheriegeräte in zwei Gruppen einteilen: Die Geräte, bei denen die Übertragungsgeschwindigkeit ein wichtiges Merkmal für die Gesamtleistung des Computersystems ist, z.b. Disks, Graphiksysteme. Die Geräte, deren Übertragungsgeschwindigkeit von mechanischen Vorgängen abhängt, z.b. Drucker, Tastaturen, Mäuse, Scanner. Hier sollen zuerst die ererbten gerätespezifischen Schnittstellen zu Geräten mit geringer Datenrate besprochen werden. Solche Geräte schließt man heute über eine universelle Schnittstelle mit bitserieller Busstruktur an. Die gerätespezifischen Schnittstellen entfallen. Die Ordnung bei der gemeinsamen Nutzung des Bussystems wird durch ein entsprechendes Übertragungsprotokoll hergestellt (universal serial bus = USB). Dieses heute übliche Anschlusskonzept für Peripheriegeräte wird danach erklärt. Dann geht es um Geräte mit großer effektiver Datenrate. Als Beispiel werden die Funktionen von Festplatten-Laufwerken und Controllern erläutert. 9.1 Peripherie-Einheiten mit geringen Datenraten und gerätespezifischen Schnittstellen Oder: Das Erbe der vorausgegangenen PC-Generationen (legacy equipment) Ein- und Ausgaben über die bitparallele Standardschnittstelle (LPT) Ein typisches Gerät, das eine bitparallele Schnittstelle nahe legt, ist der Drucker. Den Standard für die Druckerschnittstelle hat ein Druckerhersteller bestimmt: Centronics. Das Kürzel für die Schnittstelle ist LPT. Das Signalbelegungsschema und das Registerschema der Schnittstelle sind im Bild 9.1 erkennbar. Aus der Sicht der Software stellt sich die Schnittstelle als eine Gruppe von drei 8Bit- Registern dar, die im I/O-Adressraum drei Adressen belegen. Die Funktion der Register und die Bedeutung der einzelnen Signale ergeben sich aus den sinnfälligen Bezeichnungen und dem Signal-Zeit-Diagramm. Man erkennt ein Handshakeverfahren auf der Basis von Pulsen (der Mindestlänge 1 µsec). Die Schaltung zur Realisierung einer LPT-Schnittstelle wird im IO-Hub des Chipsatzes realisiert. 222

2 Peripherie-Einheiten mit geringen Datenraten und gerätespezifischen Schnittstellen I/O-Adressen: Basisadresse Basisadressse Basisadresse D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ACK# BUSY Paper End Interrupt Request Error# STROBE# Automatic Line Feed INIT# Initialization Drucker Select Datenwort STROBE# Bild 9.1: Register- und Signalschema der LPT-Schnittstelle Übernahme-Moment Handshake mit Pulsen BUSY Verzögerung, z.b. wenn die Ausführung eines carriage return abzuwarten ist. ACK# Ein- und Ausgaben über die bitserielle Standardschnittstelle (COM) Die COM-Schnittstelle ist die konventionelle Standardschnittstelle für Geräte, die bitseriell senden und empfangen. Die Schaltungen zur Steuerung des bitseriellen Datenverkehrs werden im I/O-Hub realsiert. Sie entsprechen den sog. USARTs (universal serial asynchronous receiver/transmitter). Die seriell empfangenen Datenwörter in bitparallele und umgekehrt die zu sendenden Datenwörter in serielle umgewandelt. Zusätzlich gibt es eine Schaltung zur Steuerung des Datenverkehrs mit einem Modem. Dabei gilt der Standard RS232 (Bild 9.2). Für den reinen bitseriellen Datenstrom braucht man nur drei Signale. Aus der Sicht der Software stellt sich jede COM-Schnittstelle als eine Gruppe von 9 8Bit-Registern dar, die im I/O-Adressraum 9 Adressen belegen. Als Stecker-Schnittstelle gibt es den ursprünglichen 25poligen Stecker und den vereinfachten 9poligen Stecker, der sich für PCs durchsetzte. 223

3 Peripherie-Einheiten mit geringen Datenraten und gerätespezifischen Schnittstellen I/O-Adressen: Basisadresse +0 Empfänger-Puffer- Register +3 Empfänger-Schieberegister Datenformat- Register Empfänger- Steuerung Received Data DCE > DTE Divisor Latch Access Bit = Teiler-Latch- Register (LSB) Teiler-Latch- Register (MSB) Modem-Steuer- Register Modem-Status- Register Baudraten- Generator Modem- Steuerung Modem- Signale 13 Signal Ground Interrupt-Aktiv- Register Interrupt-ID- Register Scratchpad- Register Interrupt Request Interrupt- Steuerung 1 14 Stifte am PC = DTE Der PC ist üblicherweise das Data Terminal Equipment, das angeschlossene Gerät ist das Data Carrier Equipment. +5 Serialisierungsstatus- Register Sendersteuerung +0 Sender-Puffer- Register Sender-Schieberegister Transmitted Data DTE > DCE Bild 9.2: Register- und Signalschema eines beispielhaften USART Man stellt über Command-Wörter in den Steuerregistern die Betriebsart ein bzw. liest die Statuswörter in den Statusregistern, die Fertig- oder Fehlermeldungen sind. Die Unterscheidung von Data Terminal Equipment (Datenendeinrichtung) und Data Carrier Equipment (Datenübertragungseinrichtung) ist daraus entstanden, dass der Standard ursprünglich den Anschluss von digitalen Geräten an das Telefonnetz festlegte. Das MODEM stellt das front-end des Netzes dar, also der Übertragungseinrichtung. Deshalb behandelt man den Computer als Datenendeinrichtung. Bei der Übertragung werden Pegel zwischen -3V bis -13V für die logische 1 und ein Pegel zwischen +3V und +13V für die logische 0 verwendet. Die Pegelanpassung ist die Aufgabe der Leitungsempfänger bzw. Leitungstreiber (Bild 9.3). Takt startet mit dem ersten minus/plus-übergang nach der Pause. plus minus signal ground Start bit Stop bit beliebig lange Pause bis zum nächsten minus/plus-übergang ASCII Code Parity bit Bild 9.3: Asynchrone serielle Übertragung eines Beispiel-Wortes gemäß RS

4 Das Konzept des Universal Serial Bus Häufig verwendet man die COM-Schnittstelle zur Kopplung von zwei PCs. Dann gelten beide zunächst als Datenendeinrichtungen. Da die Sendedaten des einen PCs als Empfangsdaten am anderen PC ankommen müssen und umgekehrt, muss man die entsprechenden Verbindungen kreuzen. 9.2 Das Konzept des Universal Serial Bus Motivation und Topologie des USB Der Nachteil der gerätespezifischen Schnittstellen ist, dass die entsprechenden Sockel alle an der Zentraleinheit des PC-Systems fertig montiert sein müssen, damit man den Stecker des entsprechenden Peripheriegerätes ohne Montageaufwand sofort stecken kann (Bild 9.4). Bild 9.4: Sockel-Schema für Standard-Ein/Ausgabe-Geräte 23: Mouse (PS/2), 24: RJ-45, 25: LPT, 26: Midi, 27-29: Audio, 30: COM (2mal), 31: USB, 32: Keyboard (PS/2) Wenn man eine einheitliche Schnittstelle für alle Geräte hat, die diese geschickt kaskadierbar macht, kann man die Anzahl der Sockel an der Zentraleinheit im Extremfall auf einen einzigen reduzieren. Der Standard einer solchen Schnittstelle ist seit 1994 unter der Bezeichnung Universal Serial Bus verfügbar. In Bild 9.4 ist der entsprechende Sockel unter 31 erkennbar. Die wichtigen Versionen des Standards sind USB 1.1 (1997, 1.5 MBit/sec = Low Speed oder 12 MBit/sec = Full Speed) und USB 2.0 (2001, 480 MBit/sec= High Speed). Die Verbindungsstruktur der USB-Geräte ist eine Baumstruktur, deren Wurzel (Root) im Host-Computer liegt (Bild 9.5). Host Computer Hu b Ra ng 0 Hu b Modem Hu b Ra ng 1 Hu b Lautsprecher Drucker Ra ng 2 Keyboard Mo use Bild 9.5: Schema einer beispielhaften USB-Verbindungsstruktur 225

5 Das Konzept des Universal Serial Bus Die Verteileinheiten für die Datenströme zwischen dem (Host-) Computer und den peripheren Geräten sind sternförmig mit Geräten oder anderen Verteileinheiten verbunden. Sie werden Hubs genannt wie die entsprechenden Verteileinheiten in Computernetzen mit twisted-pair-verkabelung. Hubs können eigenständige Geräte sein. Sie können aber auch in den (Host-) Computer bzw. in Standard-Peripheriegeräte integriert sein (Bild 9.6). Host Computer Root Hub Internal Hub Mo dem Hu b Internal Hub Mo nitor Lautsprecher Drucke r Keyboard Mo use Bild 9.6: Beispiel einer USB-Konfiguration mit Root- und internen Hubs Da man bei der Belegung der Hub-Anschlüsse frei ist, könnte man - ohne Beeinträchtigung der Gesamtfunktion - auch eine andere Belegung wählen. Im Folgenden werden beispielhaft die Merkmale des USB 1.1 (Full Speed) erklärt Die physikalische Ebene des USB Kabel und Stecker Zunächst sollen die Eigenschaften der elektrischen Leitungen und ihre Stecker erklärt werden. Bild 9.7: Schnitt durch ein USB-Kabel: Datenleitungen: D+, D- ; Stromversorgung: V+ = + 5 Volt, Ground Die beiden Datenleitungen sind verdrillt. Die beiden Stromversorgungsadern nicht. Auf den Datenleitungen wird das nicht-invertierte Signal D+ und das dazu invertierte Signal D- übertragen. Die Kabellänge ist maximal 5 m. Maximal 7 Kabelstrecken können mit Hilfe von Verteilereinheiten (Hubs) hintereinander geschaltet werden. Das ergibt einen Erfassungsbereich von 35 m. 226

6 Das Konzept des Universal Serial Bus Jedes Kabel ist durch ungleiche Endstecker abgeschlossen. Bild 9.8: Endstecker eines USB-Kabels Typ A: Stecker zum Computer hin (upstream end) Typ B: Stecker zu den Geräten hin (downstream end) Die Kaskadierung der eingespeisten Spannungen erfolgt immer nur in einer Richtung: vom Computer hin zu den Geräten (downstream). Von der Wurzel im Computer ausgehend, verzweigen sich die Versorgungspfade bis zu den Geräten. Angenommen, die Stecker an den Enden der Verbindungskabel sind gleich. Dann ist nicht mit Sicherheit auszuschließen, dass man zwei spannung-treibende Anschlüsse bzw. zwei spannung-empfangende Anschlüsse zusammen schaltet (Bild 9.9). Host Computer Root Hub Internal Hub Modem Hu b Internal Hub Mo nitor Lautsprecher Drucke r Keyboard Mo use Bild 9.9: Beispiel für eine fehlerhafte Verschaltung bei gleichen Steckern Pfeile in Richtung der Spannungsversorgung Dadurch, dass die Stecker unterschiedlich sind und eine eindeutige Zuordnung haben, sind Verschaltungsfehler der Spannungsversorgung ausgeschlossen. Autonome Hubs Bild 9.10 zeigt ein Hub-Beispiel. Bild 9.10: Beispiel für einen USB - 4 Port - Hub mit eigener Stromversorgung 4 Sockel für 4 Typ A-Stecker und 1 Sockel für 1 Typ B-Stecker 227

7 Das Konzept des Universal Serial Bus Erkennung von Konfigurationsmerkmalen Um zu erkennen, ob downstream eine Einheit angeschlossen ist, gibt es eine besondere Beschaltung an der upstream- und der downstream-seite (Bild 9.11). +3,3 V 1,5K +/- 5% Host oder Hub D+ D- Typ A Typ B D+ D- Gerät oder Hu b 15K +/- 5% 15K +/- 5% Bild 9.11: Beschaltung der up- und downstream-seite zur Erkennung einer angeschlossenen Einheit Annahme: Ruhezustand, d.h. keine Sendung. Annahme außerdem: die downstream-einheit (rechts) ist nicht vorhanden. Dann liegen an D+ und D- in der upstream-einheit (links) 0 V an. Alternative Annahme außerdem: die downstream-einheit (rechts!) ist angeschlossen. Dann liegt an D+ eine Spannung nahe an 3,3 V und an D- weiterhin 0 V. Die upstream-einheit kann an den eindeutigen Fällen unterscheiden, ob eine Einheit angeschlossen ist oder nicht. Man hat in der downstream-einheit einen weiteren Freiheitsgrad: man könnte den Widerstand alternativ an D- schalten, was die upstream-einheit dadurch bemerkt, dass D+ gleich 0 V und D- etwa gleich 3,3 V ist. Tatsächlich wird diese alternative Schaltungsmöglichkeit auch genutzt: der Widerstand an D+ meldet ein Full-Speed- Gerät, der Widerstand an D- meldet ein Low-Speed-Gerät beim USB 1.1. Dieses Erkennen und das eigentliche Senden und Empfangen der Daten erfolgt in einer Interface-Schaltung, die USB-Tranceiver genannt wird (Bild 9.12). 228

8 Das Konzept des Universal Serial Bus USB-Transceiver Bild 9.12: Transceiver für das serielle Senden und Empfangen von Datenbits des USB 1.1, Full Speed Die unteren beiden Empfänger dienen der Erkennung der Pegel, die Leerlauf- und Belastungsfall unterscheiden. Oben erkennt man den Treiber mit dem nicht invertierten Ausgang D+ und dem invertierten Ausgang D- und den Empfänger. Angegebene Grenzwerte gemäß Unterer Grenzwert für den Sende-High-Pegel VoH: 2,4 Volt Oberer Grenzwert für den Sende-Low-Pegel VoL: 0,4 Volt Man erkennt das sog. Auge im Oszillogramm. Ein Oszilloskop startet regelmäßig den anzeigenden Strahl in Abhängigkeit von sog. Triggerereignissen. Das sind hier die Signalübergänge. Im Moment eines Signalübergangs kann entweder ein Übergang von VoL nach VoH oder ein Übergang von VoH nach VoL ablaufen. Wenn sich die Übergänge schnell wiederholen, wird also schnell nacheinander mal der eine, mal der andere - von Beginn an - auf den Bildschirm gezeichnet. Der Strahl bewegt sich mit einer einstellbaren Zeit vom Startpunkt zum Endpunkt am rechten Rand des Bildes. Er zeichnet vom Startzeitpunkt bis zum Endzeitpunkt den gemessenen Signalverlauf auf den Schirm. Wenn diese Zeit größer ist als die Mindestdauer zwischen zwei Übergängen, sieht man den nächsten Übergang noch im Bild. Die Nachleuchtdauer und der schnell wiederholte Start durch den Trigger erzeugen ein stehendes Bild, in dem das wiederholte Aufzeichnen von beliebigen zwei aufeinander folgenden Übergängen ein Auge bilden. Je weiter dieses Auge geöffnet ist, umso weniger verzerrt ist die Übertragung, d.h. umso weniger Übertragungsfehler treten auf. Die Transceiver sind für die Genauigkeit der gesendeten Signale verantwortlich. Beim Empfang müssen sie sich in gegebenen Toleranz-Grenzen so verhalten, dass sie Pegel-Verzerrungen bei der Übertragung korrekt überwinden können. Dabei hat sich bewährt, die Differenz D+ minus D- als Grundlage der Bewertung der empfangenen Signale zu nehmen. Dabei gilt: D+ minus D- größer 200 mv = differentiell 1, D+ minus D- kleiner 200 mv = differentiell 0. Je größer das Auge der Übertragung ist, umso weiter liegen die tatsächlichen Werte für die differentielle 1 bzw. 0 auseinander, umso sicherer ist ihre Unterscheidbarkeit. Je höher die Taktrate bei der Übertragung ist, mit umso größeren Verzerrungen der übertragenen Signale muss man rechnen. Der USB-Standard legt deshalb - wie 229

9 Das Konzept des Universal Serial Bus andere Standards für Datenübertragungsprotokolle auch - die Taktrate und die übertragungstechnischen Bedingungen fest, mit denen dabei eine effektive Übertragung möglich ist. Für die Version USB 1.1 gibt es zwei Alternativen für die Taktrate und damit für den Mindestabstand zwischen zwei Pegelübergängen: Low-Speed: 1, 5 Mbit/sec ergibt 666 nsec; Full-Speed: 12 MBit/sec ergibt 83 nsec. Das Auge in Bild 9.12 bildet einen Zeitrahmen von 83 nsec ab. Man erkennt den Anteil der Übergangszeiten. Im Datenblatt werden maximal 20 nsec angegeben, d.h. ¼ von 83 nsec. Man erkennt, dass die gemessene Übergangszeit noch kürzer ist. Elektrische Codierung Die elektrische Codierung erfolgt nach dem NRZI-Konzept (non-return-to-zeroinverted), das mit dem Beispiel in Bild 9.13 verdeutlicht wird. Bitstrom NRZI-Signal Bild 9.13: NRZI-Codierung eines beispielhaften Bitstroms Die NRZI-Codierung ändert beim Senden einer 1 den vom vorhergehenden Bitfenster übernommenen Signalpegel nicht, beim Senden einer 0 wird er geändert. Damit entsteht der kürzeste Abstand zwischen zwei Signalpegel-Wechseln beim Senden einer 0-Folge. Es entsteht aber das Problem, dass es beim Senden längerer 1-Folgen keine Signalwechsel gibt. Deshalb stopft man bei längeren 1-Folgen 0-Bits hinzu (bit stuffing), die einen Pegelwechsel erzwingen. Bitstrom Stuffed 0-Bit NRZI Bild 9.14: Bit-Stuffing Nach jedem 6ten 1-Bit einer 1-Folge wird eine Pseudo-Null eingefügt. Dadurch verzögert sich jedes Mal das Senden der nächsten Bits um einen Takt. Im Empfänger kann man jedes eingeschobene 0-Bit wieder entfernen, weil man durch Mitzählen der 1-Bits den Übergang für die eingeschobene Pseudo-Null erkennt. 230

10 Das Konzept des Universal Serial Bus Die logischen Ebenen des USB Aufteilung der Bandbreite Der USB ist ein getaktetes Übertragungssystem. Wie bei jedem getakteten Übertragungssystem ist die Rate der Bits pro sec ein maßgebliches Leistungsmerkmal. Da Taktzeit und Bitübertragungszeit zusammenfallen, sind Taktrate und Bitrate gleich. Die Bitrate legt für jedes beliebige Zeitintervall fest, wie viele Bits darin maximal übertragen werden können. Die geordnete Übertragung von Daten in einem Übertragungssystem erzwingt, dass man neben den Daten, die man eigentlich übertragen will (Nutzdaten), auch zusätzliche Daten übertragen muss, die der Einhaltung der Ordnung bei der Übertragung dienen (Kontrolldaten). Würden nur Nutzdaten übertragen, hätte man die beste Ausnutzung der vorhandenen Übertragungskapazität, die man auch Bandbreite nennt und die gleich der Bitrate ist. Tatsächlich ist das wegen der Übertragung der Kontrolldaten aber nicht möglich. Man kann die Effektivität der Ordnungsprinzipien (Übertragungsprotokoll) aber daran messen, wie nahe man an die Bandbreite kommt. Einige Peripherie-Geräte übertragen einzelne Datenwörter in einem zur Taktzeit großen zeitlichen Abstand. Diese Geräte erzeugen einen beschränkt zeitkritischen Einzeldatenverkehr. Es gibt aber auch online betriebene Geräte mit Audio- und/und Videodaten, die einen zeitkritischen Blockdatenverkehr erzeugen. Dann gibt es noch Geräte, die Daten in Zwischenspeichern puffern können und solange ihre Aktionen anhalten können, wie keine Übertragung möglich ist. Das sind Geräte mit zeitunkritischem Blockdatenverkehr (Bild 9.15). Bild 9.15: Beispiel für eine USB-Konfiguration: Video und Telefon: zeitkritischer Blockdatenverkehr; Keyboard und Mouse: beschränkt zeitkritischer Einzeldatenverkehr; Printer und Plotter und Scanner: zeitunkritischer Blockdatenverkehr. 231

11 Das Konzept des Universal Serial Bus Die Bandbreite des USB-Übertragungssystems wird geeignet auf den zeitkritischen und zeitunkritischen Datenverkehr aufgeteilt. Audio- bzw. Videoübertragung sind deshalb zeitkritisch, weil sie mit der realen Zeit Schritt halten müssen (Merkmal eines online-betriebes). Also muss auch die Übertragung zwischen dem Host-Computer und den Geräten synchron zur realen Zeit ablaufen. Das kann das Übertragungssystem nur dann leisten, wenn es periodische Bedienintervalle gibt. In diesen Bedienperioden muss die Bedienung der zeitkritischen Übertragungen den Vorrang vor den zeitunkritischen Bedienungen haben (Bild 9.16). Bedienperiode i-1 Bedienperiode i Bedienperiode i+1 frame i-1 frame i frame i+1 Zeit Bedienung des zeitkri tischen Bedarfs isochronous transfer Bedienung des zeitunkritisch en Beda rfs ereign isgesteuerter Einze ldatenverkehr interrupt transfer Datenv erkehr z ur Steuerung des USB- Systems contro l transfer zeitunkritischer Blockdatenverkehr bulk transfer Bild 9.16: Aufteilung der Bandbreite durch zyklische Bedienintervalle Die gleich langen Bedienperioden heißen hier Frames. Nach dem Beginn eines Frames werden zuerst die Geräte mit zeitkritischem Bedarf bedient (isochronous transfer). Die Bedienung des zeitunkritischen Bedarfs gliedert sich nach ereignisgesteuertem Einzeldatenverkehr (z.b. Keyboard und Mouse): interrupt transfer; die Bezeichnung greift das Merkmal herkömmlichen Konzeptes auf, das diesen Datenverkehr interrupt-request-getrieben abwickelte; das darf nicht zu der Annahme verleiten, dass dies hier genauso ist; die Geräte melden hier ihren Bedarf nicht mit Interrupts an und werden dann durch Interrupt-Service- Routinen bedient; hier fragt der zentrale Controller des USB die einzelnen Geräte ab (polling), um Ein- bzw. Ausgaben zu regeln; Datenverkehr zur Steuerung des USB-Bussystems: control transfer; zeitunkritischer Blockdatenverkehr für alle Geräte, die ihre Aktionen anhalten können, wenn keine Datenübertragung möglich ist (z.b. Drucker, Plotter, Scanner): bulk transfer. 232

12 Das Konzept des Universal Serial Bus Eine Ergänzung zur Begriffsbildung der Übertragungstechnik Aus einem prinzipielleren Blickwinkel stellt man fest, dass sich mehrere Geräte in die Nutzung des Übertragungssystems teilen. Das erzwingt eine ordentliche Reihenfolge der Nutzung, was sich auf der Zeitachse darin zeigt, dass das Übertragungsmedium einem Sender-Empfänger-Paar mit Übertragungswunsch nur für einen abgegrenzten Zeitrahmen zur Verfügung steht. Man nennt diese Möglichkeit zur Übertragung auch Übertragungskanal (oder einfach Kanal) auf der Basis eines Zeit-Multiplex- Verfahrens. Die Sender-Empfänger-Paare mit Geräten mit zeitkritischem Übertragungsbedarf erhalten einen zeitlich gesicherten Zugriff, d.h. sie können zu genau definierten Zeiten mit Nutzungsintervallen rechnen. Man nennt das auch fest zugeordnete Kanäle. Die Sender-Empfänger-Paare mit Geräten mit zeitunkritischem Übertragungsbedarf werden nicht so komfortabel bedient. Die Kontrollinstanz des Übertragungssystems bewilligt ihre Übertragungswünsche im Rahmen eines geeigneten Bewilligungsverfahrens, das die einzelnen Anfragen nach einer vorgegebenen Reihenfolge bedient und Verzögerungen der Bedienung zeitunkritischer Sender-Empfänger-Paare zulässt. In der Übertragungstechnik spricht man von synchroner Übertragung, wenn über längere Zeit ein taktsynchroner Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger vorliegt. Es ist die technisch schnellste Übertragungsmethode, die immer dann angewendet wird, wenn sehr schnell sehr viele Daten zu übertragen sind. Zu Beginn der Übertragung müssen sich Sender und Empfänger in der Regel synchronisieren. Um diese Verlustzeit gegenüber der eigentlichen Nutzzeit klein zu halten, wechselt man die Sender-Empfänger-Paar möglichst wenig. Man spricht von asynchroner Übertragung, wenn das Sender-Empfänger-Paar schon nach kurzen Übertragungszeiten wechseln kann. Bei einem unveränderlichen Sender- Empfänger-Paar spricht man von asynchroner Übertragung, wenn kurze Übertragungen zu willkürlichen Zeitpunkten entstehen, zwischen denen beliebig lange Pausen liegen können. Der Sender muss dem Empfänger dann zu Beginn ein Startmerkmal senden, damit der Empfänger die logische Synchronisation einstellen kann, und am Ende ein Endemerkmal, damit der Empfänger sich auf die mögliche folgende Pause einstellen kann. Der Teil jedes Frames, der auf die Bedienung der bevorzugten Sender-Empfänger- Paare folgt, wird im Sinne einer asynchronen Übertragung genutzt. Die zyklisch wiederholbare Bedienung im ersten Teil erzeugt keine echte synchrone Übertragung über eine längere Zeit, aber eine in garantierten Zeitschlitzen (time slots). Das wird hier isochrone Übertragung genannt. Pakete als elementare Einheiten der Übertragung Die Einteilung in Frames ist das grundlegendste Merkmal der Übertragung auf dem USB. Man erkennt diese Einteilung, wenn man den Bitstrom im Leerlauf misst, d.h., wenn es keine Sender-Empfänger-Paare gibt, die aktiv Daten übertragen (Bild 9.17). Die elementaren Übertragungseinheiten auf dem Bus haben eine einheitliche Struktur, die man hier Pakete (packets) nennt. 233

13 Das Konzept des Universal Serial Bus Man erkennt folgende grundsätzlichen Elemente eines Paketes: Synchronisierbits vorneweg: hier erzeugen die sieben 0-Bits sieben zyklische Flankenwechsel, mit denen sich der Empfänger auf den Sendetakt des Senders einstellen kann. ein Feld zur Kennzeichnung der Funktion des Pakets (packet identifier): das Start-Paket eines Frames hat das angegebene Bitmuster; andere Pakettypen haben ein anderes Muster; ein Feld zur Ergänzung der Paketfunktion; hier sind es 11 Bit zur Angabe der Frame-Nummer, die nur das Start-Paket eines Frames enthält; Bits zur Sicherung der Übertragung der Paket-Bits (ohne die Synch-Bits) gemäß einer vorgegebenen zyklischen Codierung; 3 Bit zur Kennzeichnung des Paket-Endes: dieses Ende wird mit Hilfe einer Ausnahme von der normalen elektrischen Codierung angegeben; zuerst sendet der Sender für zwei Takte auf D+ und D- einen Low-Zustand; danach wird der Sender an D+/D- hochohmig, d.h. die Signalpegel an D+ und D- stellen sich so ein, wie die Beschaltung an der upstream- und der downstream-seite der Kabel erzwingt; das ist der Idle-Zustand, der für mindestens eine Taktzeit gilt. Zeit frame i-1 frame i frame i A 5 Hexa i 1 D dual Hexa = Idle-Takte 8 Bit Preamble Synchronisation 8 Bit Start of Frame-Bits Pa ket - Identifizierung Paket 11 Bit Frame-Number Zeitstempel 5 Bit Cyclic Redundancy Sicherung 3 Bit End of Packet Ende des Übertragungsmodus = Beginn des Idle-Modus Bild 9.17: Format des Start-Pakets eines Frames Solange kein Datenverkehr auf dem Bus stattfindet, werden nur die Start-Pakete der Frames übertragen, gefolgt von Idle-Takten. Frames haben eine Länge von 1 msec ( = Bittakte = default ) nach Betriebsbeginn eines USB 1.1-Full-Speed-Bus. Im normalen Betriebsfall werden nach dem Start-of-Frame-Paket die Pakete für die Übertragung der Sender-Empfänger-Paare mit aktuellem Übertragungsbedarf hinzukommen. Da dabei die oben erklärte Reihenfolge der Bedienungen gilt, kann man auch eine entsprechende Reihenfolge der Pakete feststellen. 234

14 Das Konzept des Universal Serial Bus Ein beispielhaftes Szenario Host SOF Iso-OUT-transaction Iso-IN-transaction Interrupt OUT-transaction Interrupt IN-transaction Start Iso of OUT frame Iso DATA out Iso IN Interruprupt Inter- OUT DATA out Interrupt IN Interrupt ACK in Host- Pakete Zeit Iso DATA in Device Interrupt DATA in Bild 9.18: Beispielhafter Ablauf von Transaktionen Der USB-Controller im Host-Computer ist die Steuerzentrale des USB- Systems. Alle Aktivitäten auf dem Bus gehen von ihm aus. Die Einteilung in Frames ist die elementare Einteilung der Bus-Aktivitäten. Innerhalb der Frames werden die Übertragungen nach Aufträgen gegliedert, deren Abwicklung als Transaktionen bezeichnet wird. Die Abwicklung einer Transaktion bedeutet auf dem Bus eine - gemäß Auftragstyp - genau festgelegte Reihenfolge von Paketen. In Bild 9.18 werden Beispiele für den isochronen und den Interrupt -Datenverkehr angegeben. Die anderen Übertragungsarten erfolgen sinngemäß. Ein wichtiger Unterschied zwischen isochronem und Bulk- Datenverkehr: der isochrone Verkehr wird nicht so gesichert, dass man eine Wiederholung ausführen könnte. Das wäre wegen des online-charakters der Daten sehr aufwendig. Aber die Bulk-Datenübertragung wird wie üblich gesichert, so dass man eine Wiederholung anfordern kann. Bezogen auf den Interrupt -Datenverkehr erkennt man, dass Daten nur dann fließen, wenn der Host-Controller eine Aufforderung gibt, d.h. wenn er entsprechende IN- bzw. Out-Pakete sendet. Für das gesamte Frame gilt: wenn mehr Transaktionen in einem Frame ablaufen, als innerhalb eines Frames möglich sind, dann wird nach dem Ende des betroffenen Frames eine Überlagerung von Sendungen eintreten: die des Start of Frame des nächsten Frame und die nicht fertig gewordener Transaktionen. Diese Unordnung wird hier babble -Zustand genannt und führt zum Abbruch des USB-Betriebes. Für jedes Frame ist die Reihenfolge der Transaktionen gemäß Übertragungsbedarf genau fest gelegt. Jede Transaktion wird durch einen genau festgelegten Satz von Auftragsdaten beschrieben (descriptor). Der Reihenfolge der Transaktionen auf dem Bus entspricht eine Kettung von (in Listen gespeicherten) Auftragsbeschreibungen (Deskriptoren). Interrupt ACK out Device- Pakete 235

15 Das Konzept des Universal Serial Bus Die Auftragslisten für das USB-System Liste der Zeiger zu den Auftragsketten der Frames 11 2 Zeiger Kettung der Iso-Deskriptoren und der Header der Interrupt-, Control- und Bulk-Queues Kettung der Interrup t - Deskriptoren Kettung der Contr ol- Deskriptoren Kettung der Bulk- Deskriptoren Zeiger zur Auftragskette des Frame i-1 Iso-Auftragsbeschreibung Iso-Auftragsbeschreibung Zeiger zur Auftragskette des Frame i i.0 Iso-Auftragsbeschreibung i.1 Iso-Auftragsbeschreibung Interrupt - Warteschlangenbeschreibung Con trol- Warteschlange n- beschreibung Bulk - Warteschlangenbeschreibung Zeiger zur Auftragskette des Frame i+1 Iso-Auftragsbeschreibung Iso-Auftragsbeschreibung i.2 i.x+1 Interrupt -Auftragsbeschreibung Control Auftragsbeschreibung Bulk Auftragsbeschreibung i.y+1 Bulk Auftragsbeschreibung Inte rrupt Auftragsbeschreibung i.3 i.y Control Auftragsbeschreibung i.end Inte rrupt Auftragsbeschreibung i.x i.0 i.1 i.2 i.3 usw. Zeit Bild 9.19: Kettungsstruktur der Übertragungsaufträge der Frames Beispielhafter Pfadabschnitt durch die Auftragskette von i.0 bis i.3 und die entsprechenden Transaktionen auf dem Bus Eine Frame-Liste enthält 2 11 Einträge, von denen jeder zum Anfang der Auftragskette zeigt, die mit dem entsprechenden Frame verbunden ist. Jeder Auftrag wird durch einen Deskriptor beschrieben. Er enthält die Parameter der Transaktion, die auszuführen ist, und einen Zeiger auf den in der Kette folgenden Deskriptor. Die Kette der Frame-Aufträge beginnt mit einer Folge von isochronen Aufträgen, gefolgt von je einer Folge von Interrupt -, Control- und Bulk- Aufträgen. Man kann die Kettung vom ersten Eintrag in der Frame-Liste durch dessen Auftragskette zum nächsten Eintrag in der Frame-Liste und dessen Auftragskette usw. bis zum letzten Auftrag in der Auftragskette des letzten Eintrags in der Frame-Liste verfolgen und sie dann zyklisch fortsetzen. Das ist der Leitfaden, mit dem der USB-Controller die Aktionen auf dem USB-Bus bestimmt. 236

16 Das Konzept des Universal Serial Bus Die Kettungsstruktur (und damit der Leitfaden) wird beim Hochfahren des Systems zum ersten Mal bestimmt. Wenn dann im Betrieb neue Betriebsbedingungen entstehen, müssen die Kettungen entsprechend angepasst werden. Man erkennt, dass eine isochrone Auftragsfolge, die neu angelegt wurde, einfach dadurch aktiviert werden kann, dass die Zeiger in der Frame-Liste entsprechend eingestellt werden. Die Kettung der Auftragsfolgen für die nachfolgenden nicht-isochronen Aufträge beginnt für alle isochronen Auftragsfolgen beim gleichen Element. Der Zeiger im letzten isochronen Auftrag ist also nicht von irgendwelchen Kettungsänderungen abhängig. Die Änderungen in den Auftragsketten der nicht-isochronen Aufträge betreffen nur die jeweilige Kette. Wenn sie einmal erfolgt sind, gelten sie für alle Frames, bis sie widerrufen werden. Diese Kettungsstruktur ist die logische Schnittstelle zwischen der Hardware und der Treiber-Software. Die Aufteilung der Aufgaben zwischen der Aufrufebene im Anwender-Computer und der Hardware des USB-Bus zeigt Bild Die Kettungsstruktur der Auftrags-Deskriptoren ist die maßgebliche Komponente dieser Schnittstelle. Für den Programmierer des BIOS des DOS-Betriebssystems waren die Register im IO-Speicherbereich die maßgebliche Schnittstelle zur Hardware. Für den USB- Treiber-Programmierer moderner Betriebssysteme ist es das UHCI (universal host controller interface). Bild 9.20: Hierarchische Aufgabenteilung zwischen der Anwender-Software und der Hardware des USB ftp://download.intel.com/technology/usb/uhci11d.pdf Die Treiber-Software sorgt für die Initialisierung, das Management und die Abwicklung der Schreib- und Leseanweisungen der Anwenderprogramme. 237

17 Das Konzept des Universal Serial Bus Als Beispiel einer Auftragskettung dient hier das Verfahren des USB 1.1. Für den Nachfolger USB 2.0 gilt eine wesentlich komplexere Schnittstelle, die mit EHCI (enhanced host controller interface) bezeichnet wird. Sie wird hier nicht diskutiert: Hier einige pauschale Merkmale: Die Taktrate des USB 2.0 ist 40mal größer als die 12 MBit/sec bei Full Speed des USB 1.1, also 480 MBit/sec. Man unterteilt die 1msec-Frames in 8 Micro-Frames von 125 microsec. Der USB 2.0 ist abwärts kompatibel zum USB 1.1. Das bedeutet u.a., dass der USB-Controller 2.0 die Übertragungs-Geschwindigkeit jeweils automatisch an die Geschwindigkeit des aktiven Gerätes anpasst. Bild 9.21: Vergleich zwischen Frames (USB 1.1) und Micro-Frames (USB 2.0) Angenommen, der isochrone Datenbedarf (data payload) belegt ein Frame 500 microsec. Das entspricht 6000 Bits. Diese 6000 Bits werden innerhalb eines Micro-Frames in 12,5 microsec übertragen. 238

18 9.3 Festplatten und Festplatten-Controller Motherboards haben fest eingelötete Stecker zum Anschluss von Festplatten. Dabei ist wahlweise der Anschluss von IDE-Disks (intelligent drive electronics) und/oder SCSI-Disks (small computer system interface) möglich. Man unterscheidet das eigentliche Laufwerk mit dem Speichermedium von dem Laufwerkscontroller. Heute ist es üblich, beide in einer einzigen Baueinheit zusammen zu montieren, so dass das dumme Laufwerk durch die Intelligenz des Controllers aufgewertet wird. Die Schnittstelle der Gesamt-Einheit ist als Bussystem-Anschluss konzipiert, der entweder vom PC-Systembus abgeleitet ist (IDE-Schnittstelle) oder ein speziell konzipierter Peripherie-Bus ist (SCSI-Schnittstelle) Aufbau von Festplattenlaufwerken Das Laufwerk Bild 9.22: Aufbau eines Festplattenlaufwerks Man erkennt im Bild 9.22 den Plattenstapel und seine Antriebsspindel mit dem darin integrierten Antriebsmotor, den Kamm mit den Schreib/Leseköpfen und dem oberen Lagerzapfen für die Drehachse, den Aktuator für die Positionierung des Kammes durch Drehung, die Filtersperre für die Filterung mechanischer Feinstteilchen aus dem Luftstrom, das verkapselnde Gehäuse. Bild 9.23 veranschaulicht ein beispielhaftes Ensemble von Aktuator, Kamm und Schreib/Lese-Köpfen. 239

19 Bild 9.23: Aktuator mit Kamm Im erkennt man zwei Köpfe für die Ober- und Unterseite einer Platte. Aus der Berührung der Köpfe kann man schließen, dass die Köpfe von den Armen mit einer zulässigen Spannung auf die Platte gedrückt werden. Das gilt nur im Stillstand. Sobald die Platte rotiert, entsteht durch den Luftstrom ein Gegendruck, der die Köpfe über die Plattenoberflächen hebt, so dass sie berührungslos darüber schweben. Die Köpfe sind auf Schlitten-Elementen montiert. Die Arme sind mit den Schlitten in tangentialer Richtung orientiert. In den Schlittenflächen, die der Disk zugewandt sind, gibt es am rechten und linken Rand je eine Kufe, die innen einen Rille erzeugen. Durch diese kann der tangentiale Luftstrom durchziehen und das Abheben erzeugen. Der dadurch erzeugte Abstand ist winzig (Bild 9.23). Bild 9.24: Größenverhältnisse bezogen auf die Flughöhe (flying height) von Köpfen Das Aufsetzen eines Kopfes (head crash) bedeutet in der Regel die Zerstörung der Spur bzw. des Kopfes. Der Hersteller sorgt für die notwendige Ebenheit der Platten, die notwendige Laufruhe bei der Rotation, die hermetische Verkapselung und das Filtern des Luftstromes, damit es keine Feinstpartikel im Luftstrom gibt. Der Anwender des Laufwerks sorgt dafür, dass es während des Betriebs keine mechanischen Stoßbelastungen gibt. 240

20 Das Prinzip der durch eine Spule bestimmten Kopf-Struktur kann man im Bild 9.25 erkennen. Bild 9.25: Schreib/Lese-Kopf in Thin-Film-Technologie Man erkennt am Schlitten die beiden äußeren Kufen und die dadurch innen erzeugte Rille ; außerdem erkennt man die Wicklung der Spule sowie die Zuleitungen. In aktuellen Systemen wird die Spule nicht mehr durch eine echte Wicklung erzeugt, sondern durch planare Dünnfilm-Windungsstrukturen, die weniger Raumbedarf haben: Das Speichermedium Das Speichermedium ist eine kreisförmige Platte, die beidseitig mit magnetisierbarem Material beschichtet ist. Das herkömmliche Konzept zur Speicherung von Daten geht von einer gleichmäßigen Einteilung in Spuren und Sektoren aus (Bild 9.26). Bild 9.26: Gleichmäßig sektorisierte Platte Die Plattenfläche wird in gleich breite, konzentrische Ringe (Spur, track) eingeteilt. Man nummeriert die Spuren von außen nach innen (Spurnummer, track number)). Eine bestimmte radiale Linie markiert den Anfang jeder Spur. Von dort ausgehend wird die Plattenfläche in gleich große radiale Segmente eingeteilt. Die dadurch entstehenden Spurabschnitte heißen Sektoren. 241

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