USB (Universal Serial Bus)

Transkript

1 USB hat viele ältere externe PC-Schnittstellen ersetzt USB wurde von einer Gruppe von Computer- und Telekommunikations-Unternehmen entwickelt und 1995 in der Version 1.0 eingeführt. Zu den Unternehmen gehörten Compac, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und NorTel (Northern Telecom)

2 USB hat viele ältere externe PC-Schnittstellen ersetzt: - serielle Schnittstelle RS PS/2-Schnittstelle - parallele (Centronics-Schnittstelle - LPT) - analoger Gameport Einige Geräte, z.b. der USB-Stick, sind überhaupt erst mit USB entstanden USB eignet sich für viele Geräte, z.b. Massenspeicher und E/A Geräte: Festplatte Optische Laufwerke Drucker Scanner Webcams Maus + Tastatur

3 Mittlerweile hat USB auch PCMCIA-Slots (Notebooks) und externe SCSI- Schnittstellen weitgehend verdrängt

4 USB ist ein Industrie-Standard, um periphere Geräte an den Computer anzuschließen. Im industriellen Bereich werden trotzdem noch RS-232 Schnittstellen über ältere PCs oder Adapterkarten eingesetzt. Begründung: USB-Adapter sind nicht echtzeitfähig (Daten werden z.t. gepuffert) Parallele und serielle Schnittstelle lassen sich einfacher programmieren Die serielle Schnittstelle lässt sich einfacher ansteuern. So muss man nur den gewünschten Port öffnen (COM1, COM2,...) und die Daten in den Port schreiben oder daraus lesen Inzwischen gibt es keinen Grund mehr auf die alten Schnittstellen zurückzugreifen. Über programmierbare Schnittstellen (API) lassen sich alle elektronischen Geräte mit einem USB-Port ausstatten.

5 USB-Stecker werden im industriellen Umfeld weniger gern gesehen. Die Standard-USB-Stecker sind für einige Einsatzbereiche nicht industrietauglich

6 USB-Stecker werden im industriellen Umfeld weniger gern gesehen. Die Standard-USB-Stecker sind für einige Einsatzbereiche nicht industrietauglich: - Lassen sich nicht gegen Herausziehen sichern (Stecker der seriellen und parallelen Schnittstelle lassen sich festschrauben) - Nicht vibrationsfest - Zugelassene Länge des Kabels kürzer als bei serieller Schnittstelle Ein weiterer Nachteil des USB ist das fehlende Übertragungsprotokoll auf der Anwendungsebene, dafür sind ggfs. individuelle Anpassungen erforderlich. Der einfache Wechsel von einer alten Schnittstelle zum USB lässt sich technisch adaptieren, garantiert aber nicht die erforderliche Funktion. Für bestimmte USB-Geräte, wie zum Beispiel Maus, Tastatur und Massenspeicher haben sich Standard-Treiber vom Betriebssystem durchgesetzt. Für viele andere Anwendungen, die die serielle Schnittstelle unterstützen, wird ein VCP-Treiber (Virtual COM Port) installiert, der im Betriebssystem eine serielle Schnittstelle emuliert. Der Zugriff auf Anwendungsebene erfolgt dann wie auf eine physikalisch vorhandene serielle Schnittstelle

7 Beispiele für betriebssystemeigene Treiber HID-Treiber Der HID-Treiber (human interface device, hid.dll) gehört zu Windows. Er ist für den Anschluss einfacher Geräte wie Tastatur oder Maus gedacht. Die Bezeichnung HID (human interface device) leitet sich aus der Anwendung für Bediengeräte für Menschen ab. Tastaturen und Mäuse, die sich an den HID-Standard halten, werden von den HID-Treibern von Windows unterstützt, so dass diese Geräte keine eigenen Treiber benötigen. Um den HID-Treiber nutzen zu können, muss sich das USB-Gerät als HID-Gerät in Windows anmelden. CDC-Treiber Der CDC-Treiber (communication device class, usbser.sys, MsPorts.dll) von Windows ermöglicht die RS232-Emulation über den USB. Beim Anschluss eines entsprechenden USB-Geräts wird in Windows ein virtueller COM-Port eingerichtet. Jedes Programm kann darauf zugreifen, wie wenn es eine echte RS232-Schnittstelle wäre. Die erreichbare Transfergeschwindigkeit beträgt bis zu 1 MBit/s (125 kbyte/s) und ist deutlich schneller als bei der echten RS232-Hardware mit nur Bit/s. Storage-Treiber Für USB 2.0 gibt es das USB-Mass-Storage-Protocol, welches bei der Kommunikation mit USB-Massenspeicher, also externe Festplatten und USB-Sticks, zum Einsatz kommt. Die entsprechenden Treiber bringen alle Betriebssysteme mit (bei Windows usbstor.sys). Deshalb werden in der Regel alle USB-Speichersticks und USB-Festplatten ohne Probleme erkannt. USB 3.0 bringt das USB Attached SCSI Protocol (UASP) mit, welches das USB-Mass- Storage-Protocol ablösen soll. Es bringt unter anderem die Unterstützung für NCQ (Native Command Queuing) mit. Das hat auch Vorteile für alte USB-2.0-Massenspeicher. Sie sind an einem USB-3.0-Port um bis zu 15% schneller.

8 Seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich, dadurch ist USB zum Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Foto-Kameras geeignet Bei externen Massenspeicherlösungen steht USB in Konkurrenz zu FireWire und esata die meisten Geräte sind aber auf USB ausgelegt. Zu beachten ist, dass pro Anschluss nur maximal 500 ma (High Power) oder 100 ma (Low Power) als Stromversorgung zugesichert werden müssen Externe 2,5"-Festplatten haben Anlaufströme von 600 ma bis 1100 ma, im Betrieb begnügen sie sich mit 250 ma bis 400 ma. Die kurzzeitige Überlastung des USB-Ports wird von fast allen Geräten geduldet. Mit USB 3.0 wird auch die Stromversorgung auf 900 ma erhöht, was die Versorgung von 2,5-Zoll-Festplatten absichert

9 Entwicklung der USB Standards 1.0 / 1.1 Im Vergleich zu herkömmlichen Schnittstellen hat USB eine gute Performance und bietet zudem den großen Vorteil, dass Peripheriegeräte während des Betriebes des Computers ein- und ausgesteckt werden können. Man spricht hier von "hot-plug" und "hot-unplug". Ein weiterer Vorteil ist, dass 5-Volt Versorgungsspannung auf dem Bus liegen ("bus power"). Viele USB-Geräte kommen daher ohne separate Stromversorgung aus. Man hat nur noch ein Kabel, das USB-Kabel.

10 Entwicklung der USB Standards 2.0 Die wesentlichen Neuerungen von USB vierzigmal schnellere Datenübertragung als bei USB 1.0/1.1 - vollständig abwärtskompatibel - Vorhandene Kabel und Geräte weiterhin nutzbar - zusätzliche Stromspar-Features Beim Einstecken eines USB-Gerätes schaltet der USB-2.0-Controller automatisch auf die jeweils geforderte Übertragungsgeschwindigkeit um. Dank der Abwärtskompatibilität können sämtliche Datenraten ohne Geschwindigkeitsverlust gleichzeitig genutzt werden. Ein USB-2.0-Gerät, angeschlossen an einem USB-1.1-Controller kann allerdings nur die maximale Übertragungsrate von 12 MBit/s nutzen. Woran erkennt man USB-2.0-Anschlüsse

11 Entwicklung der USB Standards 3.0 Die wesentlichen Neuerungen von USB Datenübertragungsraten von bis zu 5 GBit/s - Datenübertragung bidirektional - Erweiterung auf zwei zusätzliche Kabelpaare mit zusätzlicher Abschirmung - vollständig abwärts kompatibel bis USB Änderungen der Bauformen des Steckers Typ B und der Micro- Steckervarianten A und B - Erweitertes Power-Management

12 Geschwindigkeiten

13 Bei nicht ausreichender Anzahl von USB Ports und/oder unzureichender Spannungsversorgung empfiehlt sich ein USB Hub

14 Topologie und Verkabelung Obwohl der USB von der Namensgebung her ein Bus sein müsste, handelt es sich dabei um eine mehrstufige Sterntopologie. Der Mittelpunkt des Sterns wird jeweils von einem Hub gebildet. Der Ausgangspunkt des USB ist der Host- Controller (Root Hub) auf dem Motherboard des Computers. Der Host- Controller steuert den gesamten Datenverkehr des USB. Am Host-Controller können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Das können einzelne Geräte (Node) oder Hubs sein, an denen wiederum Geräte (Node) hängen. Neben der Stromverteilung sorgen die Hubs auch dafür, dass immer nur ein USB-Gerät seine Daten zum Host-Controller schickt. Die Hubs können beliebig kaskadiert werden, wodurch ein pyramidenförmiger Aufbau entsteht, wobei jedes Leitungssegment eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist

15 Innerhalb einer Konfiguration kann das Gerät verschiedene Schnittstellen definieren, die jeweils über einen oder mehrere Endpunkte verfügen

16 Geräteerkennung am Port: Wenn an einem oder mehreren Ports neue Geräte erkannt werden, so schaltet der Host-Controller diesen Port ein, sendet dem dort angeschlossenen Gerät einen Reset und versucht dann, das Gerät zu identifizieren. Danach teilt er ihm eine eindeutige Adresse mit. Der Host-Controller fragt meist zuerst nach einem sogenannten Device- Deskriptor im Gerät, der unter anderem die Hersteller- und Produkt-ID enthält. Mit weiteren Deskriptoren teilt das Gerät mit, welche alternativen Konfigurationen es besitzt, in die es von seinem Gerätetreiber geschaltet werden kann. Bei einer Webcam könnten diese Alternativen etwa darin bestehen, ob die Kamera eingeschaltet ist oder ob nur das Mikrofon läuft. Für den Controller ist dabei relevant, dass die unterschiedlichen Konfigurationen auch einen unterschiedlichen Strombedarf mit sich bringen. Ohne besondere Freigabe durch das Betriebssystem darf ein Gerät nicht mehr als 100 ma Strom benötigen.

17 Stecker / Anschluss Typen: Typ A/B Das meist eingesetzte Standardkabel für Peripheriegeräte Typ A Typ B

18 Stecker / Anschluss Typen: Mini USB - häufig verwendet bei Digitalkameras und Navigationsgeräten läuft über Masse

19 Stecker / Anschluss Typen: Micro USB A/B Der Smartphone Standard

20 Stecker / Anschluss Typen: Typ Mini / Micro USB nochmal im Vergleich Micro USB Mini USB

21 Stecker / Anschluss Typen: USB optisch und 3 technisch neue Stecker

22 USB 3.1 und Typ C Auch Geräte, die nur die seit USB 3.0 übliche SuperSpeed-Geschwindigkeit (5 GBit/s) liefern, dürfen sich USB 3.1 Generation 1 nennen. Erst der Zusatz Generation 2 weist auf Super Speed Plus (10 GBit/s) hin. Kabellänge: In der Praxis sinkt die zulässige Länge aber von etwa 3 Metern bei USB 3.0 alias USB 3.1 Gen 1 alias SuperSpeed auf rund einen Meter bei USB 3.1 Gen 2 alias Super Speed Plus. Das unterstreicht auch die Spezifikation für USB Typ-C. Sie spricht explizit von maximal 1 Meter langen Kabeln für Super Speed Plus Der USB-3.1-Stecker ist jedoch anders als USB 3.0 nicht mehr vollständig abwärtskompatibel. Der Steckertyp C ist nicht abwärtskompatibel. Wenn Ihr USB-Gerät den Steckertyp A oder B besitzt, ist er aber nach wie vor abwärtskompatibel. Der Steckertyp C ist nicht abwärtskompatibel. Dieser ermöglicht aber höhere Ladeströme sowie -spannungen und transportiert außer USB auch Thunderbolt, DisplayPort, PCI Express oder analoge Audiosignale.

23 USB 3.1 und Typ C USB soll künftig bis zu 100 Watt liefern USB Power Delivery Die beteiligten Geräte handeln aus, wer Strom liefert und wer ihn aufnimmt. Konkret sind bis zu 20 Volt und 5 Ampere drin, also 100 Watt. Dazu müssen allerdings einige Voraussetzungen erfüllt sein. Im Falle von USB-C-Verbindern sind sogenannte Fully-Featured-Kabel mit einer elektronischen Markierung Pflicht