USB - Warum ist es besonders gut? Ausarbeitung zum Fachseminar WS 09/10 Hochschule Rhein Main von Miriam Boryczewski

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1 USB - Warum ist es besonders gut? Ausarbeitung zum Fachseminar WS 09/10 Hochschule Rhein Main von Miriam Boryczewski

2 Gliederung 1. Was ist USB eigentlich? 2. USB Überblick 2.1 Problembehebung aus der Sicht des Nutzers 2.2 Problembehebung aus der Sicht der Entwickler 3. Konkurrenz zu USB 4. Eigenschaften des USB 5. Transferarten des USB 5.1 Control Transfer 5.2 Interrupt Transfer 5.3 Bulk Transfer 5.4 Isochonus Transfer 6. USB Architektur 6.1 USB Hardware Architektur Physikalische Struktur Logische Struktur 6.2 Hardware Komponenten USB Host Controller und Root Hub USB Hub USB Endgeräte Kabel 6.3 USB Software Architektur Software Komponenten USB Gerätetreiber USB Bustreiber USB Host Controller Treiber 7. Fazit 8. Quellen

3 1. Was ist USB eigentlich? USB heißt ausgeschrieben Universal Serial Bus. Es ist ein serielles Bussystem zur Verbindung eines Computers mit einem externen Gerät. Geräte oder Speichermedien, die einen USB Anschluss besitzen können ganz einfach im laufenden Betrieb angeschlossen werden und dieses angeschlossene Gerät wird dann direkt erkannt. Das heißt es existiert: - Hot-Plugging: (engl. Heisses Stecken ). Systemkomponenten können während des laufenden Systems gewechselt werden. - Plug-and-Play: Es besteht die Möglichkeit, Geräte an zuschliessen ohne zusätzliche Treiber installieren zu müssen oder Einstellungen vornehmen zu müssen. Zur Definition eines Seriellen Bussystem Seriell bedeutet, dass die einzelnen Bits nacheinander über die Übertragungskanäle übertragen werden. Von Computer zu E/A Geräten wird ein serielles Bussystem auch über größere Entfernungen eingesetzt. 2. USB Überblick Bei dem klassischen Konzept es Anschlusses von Peripheriekomponenten an den PC haben sich immer wieder Probleme ergeben. Und zwar in Verbindung mit: - Kosten - Handling und - Erweiterbarkeit Es gab immer den Bedarf, diese Probleme zu lösen und somit entstand USB. USB ist ein moderner Ansatz, welcher - die Kosten reduziert hat, - das Handeln für den Benutzer vereinfacht, - technische Probleme löst, welche vorher zu genüge da waren. 2.1 Problembehebung aus der Sicht des Nutzers Hier stelle ich einige Probleme von früher da, und wie die heute durch USB gelöst wurden Kabelsalat Jedes Peripheriegerät, z.b. Tastatur, Maus, Drucker, Modem etc. hat ein spezielles Kabel oder einen Stecker. Probleme des Nutzers waren sofort da beim ersten Blick auf den PC und die Frage hat sich gestellt: welches Kabel kommt wo rein? USB räumt den Kabelsalat auf und macht das Anschließen der Geräte und die Nutzung der Geräte einfacher. Jeder Laie kann nun ein Peripheriegerät ohne Probleme anschließen.

4 Erweiterbarkeit Durch den USB Anschluss werden dem Nutzer viel mehr Möglichkeiten geboten. In der Büroumgebung kommen neben der Tastatur, Maus, Drucker und lokalem Netzwerk noch mehrere Geräte hin zu, wie zum Beispiel Scanner, Kopierer und Fax. Diese Dinge sollten für alle zentral verfügbar sein und durch USB, welches für viele Anwendungsfälle eine nahezu unbeschränkte Anzahl anschließbarer Geräte bietet stellt eine super und kostengünstige Alternative da. Anschluss im Laufenden Betrieb Das Problem irgendwelche SCSI-Karten für den Scanner ein zu bauen oder für die Geräteerkennung auf einer mitgelieferten CD das setup.exe zu suchen wird durch den USB-Anschluss gelöst. Ohne einen Eingriff in das Gerät durch den Nutzer können viele Periepheriegeräte problemlos angeschlossen werden. Zu verdanken ist es den Eigenschaften des USBs wie z.b. die Übertragungsgeschwindigkeit, Hot-Plugand-Play und so weiter. Zu den Eigenschaften des USB finden sie später noch mehr. Früher gab es das Problem ohne USB, dass wenn man zum Beispiel vergessen hat Maus oder Tastatur an zu schließen, so ist es schon wieder Zeit für einen Neustart, da die angeschlossenen Komponenten in der Regel vom Betriebssystem überprüft werden. Vorteil hier beim USB ist das Hot-Plug-and-Play Problembehebung aus der Sicht des Entwicklers Der Hardware-, Firmware- und Software-Entwickler haben natürlich auch einige Vorteile durch den USB. (Firmware ist die Software, die in elektronische Geräte eingebettet ist.)

5 Die konfliktfreie Konfiguration der Peripheriekomponenten wurde immer komplizierter, da es ein immer größeres Spektrum an Peripheriekomponenten gab und dadurch auch ein immer höherer Ressourcenbedarf. Die Periepheriegeräte wurden im klassischen Ein-/Ausgabe-Konzept in den I/O- Adressraum nämlich in der CPU eingeblendet und besonderen Interrupt- Leitungen (IRQ) zugeordnet. Es wurden auch DMA-Kanäle verwendet. Das wurde dann durch den Ressourcenbedarf und der Erweiterung der Peripheriekomponenten einfach zu viel. (DMA-Kanal ist der Direct Memory Access Kanal. DMA ist der direkte Zugriff auf den Speicher ohne eine Beteiligung der CPU.) I/O-Adressen I/O-Adresskonflikte treten oft auf. Obwohl der Adressraum der x86-architekturen genug Platz hätte, wird der I/O-Adressraum von den ISA-Karten nicht voll ausgenutzt, da nur ein Teil der Adressleitungen auscodiert wird. Auch das wurde durch USB besser. Gemeinsame Schnittstellen Die Flexibilität eines Systems ist sehr gering, weil parallele und serielle Schnittstellen einen Anschluss eines einzigen Geräts erlauben. Sobald man mehr Geräte anschließen möchte, so brauch man oft auch teure Erweiterungskarten. Dadurch sieht man auch dass die Handhabung mit USB viel einfacher ist. 3. Konkurrenz zu USB Es gibt 2 dominierende Peripheriebusse. Es war vorgesehen, dass USB für kleine bis mittlere Geschwindigkeiten mit geringen Kosten verwendet wird und der IEEE 1394 sollte zur Realisierung von Applikationen mit hohen Geschwindigkeiten dienen. Dazu allerdings höhere Kosten. Im Jahre 1999 gab es durch Apple Probleme zu den Lizensgebühren, so entstand durch Intel USB 2.0, das ist eine High-Speed Variante des USB. Und die Geschwindigkeitsaufteilung war somit aufgehoben. Also hatte IEEE 1394 auch keine Vorteile mehr gegenüber dem USB. Mit dem IEEE 1394 wird ein Durchsatz von 400 MBit/s. Der USB 1.1 hat einen Durchsatz von 12 Mbit/s und der USB Mbit/s. USB 3.0 soll sogar einen Durchsatz von 5 Gigabit/s schaffen! 4. Eigenschaften des USB Preisgünstige Realisierungsmöglichkeit USB liefert einen Low-Cost-Ansatz für den Anschluss der Peripherie im PC- Umfeld. Bei Steckern und Kabeln sehen wir zum Beispiel, dass das Design kostenoptimiert ist.

6 Einheitliche Steckverbinder Bei USB wird ein einheitlicher Steckverbinder von 4 Pins definiert. 2 Pins davon werden für die serielle Datenübertragung und 2 Pins für die Bereitstellung der Betriebsspannung ( 5V) und für die Masse am USB_Gerät benutzt. Hier kann man am unteren Stick die 4 Pins erkennen. Die 2 äußeren Pins regeln die Betriebsspannung und die 2 inneren Pins sind für die Datenübertragung verantwortlich. Maximal 127 Geräte anschließbar Es besteht die Möglichkeit eine sehr große Anzahl von den physischen USB- Geräten, welche an einen USB-Host anschließbar sind. Außerdem kann ein einzelnes physisches USB-Gerät aus mehreren logischen USB-Geräten bestehen. So wird es wohl kaum knapp an anschließbaren Geräten und alles, was benötigt wird, kann angeschlossen werden! Definierte Kabel Beim USB gibt es definierte Kabel. Die maximale Kabellänge beträgt 5 Meter. Die maximale Anzahl der Kabelsegmente, welche über den Hubs sind, ist auch bestimmt. Geschwindigkeitsklassen Es gibt 3 unterschiedliche Geschwindigkeitsklassen a) Low-Speed 1,5 Mbit/s b) Full-Speed 12 Mbit/s c) High-Speed: 480 Mbit/s Den High-Speed gibt es seit USB 2.0 Die Geschwindigkeitsklasse Low-Speed wird heute für zum Beispiel Maus und Tastatur genutzt, weil bei den Geräten geringe Anforderungen an die Kabel gestellt werden.

7 5. Transferarten des USB Es gibt 4 unterschiedliche Transferarten, da es ja auch unterschiedliche Geräte beziehungsweise Applikationscharakteristiken gibt. Diese müssen alle unterstützt werden. 5.1 Control Transfer Der Control Transfer wird für die Übermittlung von Kommandos vom Host and das USB Gerät benutzt. Hier werden spezielle Anfragen (Requests) an ein USB-Gerät gesendet. Typischerweise folgt hiernach ein weiterer Datentransfer. Control Transfers werden in beide Richtungen bestätigt, somit sind Sender und Empfänger in permanenten Kontakt, sodass auch alle Sendungen überprüft werden können. 5.2 Interrupt Transfer Die Geräte, die in einer klassischen PC-Umgebung Interrupts auslösen würden, benutzen diese Transferart. Diese Geräte müssen per Polling abgefragt werden, da der USB keine Hardware- Interrupts unterstützt. Polling ist die Methoden, die den Status eines Geräts aus Hard- oder Software mittels zyklischem Abfragen ermittelt. Außerdem wird der Interrupt Transfer bei der Übertragung von kleinen Datenmengen benutzt. Zum Beispiel Tastaturen, Mäuse und Joysticks. 5.3 Bulk Transfer Der Bulk Transfer wird bei der Übertragung von großen Datenmengen verwendet. Bei großen Datenmengen, die nicht periodisch sind und keine Echtzeitanforderungen stellen. Zum Beispiel Druckerdaten. Der exakte Zeitpunkt der Datenübetragung spielt keine Rolle, obwohl die Übetragungsgeschwindigkeit wichtig ist. 5.4 Isochronus Transfer (Isochroner Transfer) Diese Transferart ist für Daten, welche Anforderungen an die Latenzzeit stellen gedacht. Typisch hierfür sind zum Beispiel Audiodaten, wie sie vom Mikrofon kommen oder an einen Lautsprecher übertragen werden. Eine hohe Kontinuität des Datenstroms ist hier gefragt und außerdem muss eine zeitliche Synchronität herrschen. Diese Eigenschaften sind sogar wichtiger als der Fakt, dass mal ein Übertragungsfehler vorkommt. Es kommt nämlich öfters zu kleinen Aussetzern bei der Audioübertragung welche von einzelnen Bitfehlern kommen. Davon wird die Qualität der Übertragung aber kaum beeinträchtigt, ist also nicht so tragisch.

8 6. USB Arichtektur Hier stelle ich dir USB-Hardware und die USB-Software-Architektur vor. Außerdem werde ich auf die einzelnen Komponenten in Kurzform eingehen. 6.1 USB Hardware Architektur Von der USB Hardware Architektur stelle ich erstmal die Physikalische Struktur und dann die Logische Struktur vor Physikalische Struktur Wie Sie auf dem Bild unten erkennen können, handelt es sich hier um eine Baumstruktur. Oft wird diese Struktur auch als Schichtenmodell dargestellt. Die Endgeräte sind in dieser Darstellung die Blattknoten und die Verzweigungsknoten stellen die sogenannten Hubs dar. Hubs sind die Mehrfachverteiler, welche den Anschluss mehrerer Geräte an einem Strang ermöglichen. Physikalische Topologie :

9 Hier auf dem Bild von der Physikalischen Topologie werden die wesentlichen Hardware Komponenten des USB dargestellt. Diese werden gleich bei den Hardware Komponenten beschrieben Logische Struktur Die Logische Struktur des USB bildet eine Stern Architektur. Die Endgeräte sind in dieser Topologie also sternförmig an den Host angeschlossen. Der gesamte Bus-Verkehr wird vom USB-Host-Controller gesteuert und jedes Endgerät erhält eine eigene USB-Adresse. Der Host-Controller kann diese dann direkt ansprechen. Zwischen allen Endgeräten und dem Host besteht eine logische Punkt-zu-Punkt- Verbindung. Der Host ist sozusagen der Busmaster, er initiiert jeden einzelnen Verkehr, der stattfindet. Bild der logischen Topologie:

10 6.2 Hardware-Komponenten USB Host Controller und Root Hub Der Host kontrolliert jede einzelne Übertragung von Daten über den USB. Genau genommen wird das alles von der Host-Software kontrolliert. Alle Transaktionen über den Bus werden von dem USB Host Controller initiiert. Dieser gehört zu der Host-Hardware. Außerdem besteht die Host-Hardware auch aus dem Root Hub. Dieser stellt die Anschlussports für die USB Geräte bereit. Controller Designs Bei der USB 1.1-Spezifikation gibt es 2 Controller-Designs. 1.Open-Host-Controller (OHC) und 2. Universal-Host-Controller (UHC). Die gleichen Grundfunktionen werden mit diesen 2 Designs verfolgt. Bei USB 2.0 wird die Host-Architektur erweitert mit einem weiteren Design: Enhanced Host Controller (EHC). Dieser Controller ist für den High Speed Datentransfer zuständig. Der USB Host Controller ist verantwortlich für die Erzeugung der Transaktionen, welche von der Host-Software initiiert wurden. Die Transaktionen werden von einer verketteten Liste von Datenstrukturen dargestellt, welche vom Host-Controller-Treiber aufgebaut wurde. Die zeitliche Abfolge (Schedule) innerhalb eines Zeitrahmens welche auf dem Bus ausgeführt werden soll wird dann vom Treiber festgelegt. Die Daten welche an ein USB Gerät gesendet werden sollen werden in einem Puffer im Hauptspeicher gelesen. So werden vom Host Controller Schreibzugriffe auf einem USB Gerät ausgeführt. Die Daten werden daraufhin serialisiert und die USB Transaktion wird vom Host Controller erzeugt. Außerdem werden die zusammengestellten Datenpakete zum Root Hub weitergeleitet. Von dort aus werden sie dann über den Bus gesendet. Bei einem Lesezugriff wird die vom Host Controller erzeugte Transaktion an den Root Hub weitergeleitet. Von hier aus wird sie wieder an den Bus gesendet. Das USB Gerät erkennt in dem Fall die Anforderung der Daten und sendet diese an den Root Hub. Die Daten werden dann vom Root Hub weiter an den Host Controller geleitet. Dieser wandelt den seriellen Datenstrom dann in einen parallelen Datenstrom um. Die Daten werden dann in den Puffer des Gerätetreibers geschrieben. Fehler werden wie im Root Hub als auch im Endgerät erkannt. Kommen wir kurz zu den Aufgaben des Root Hubs: Der Root Hub ist für die Steuerung und die Stromzufuhr für die USB Ports verantwortlich. Außerdem werden hier die Ports freigeschaltet und gesperrt. Der Root Hub erkennt es, wenn ein USB Gerät an einen er Ports angeschlossen wird. Der Status für jeden einzelnen Port wird hier ebenfalls verwaltet. Root Hub besteht aus Hub-Controller und Repeater. Der Hub Controller ist zuständig für alle Anfragen (Requests) an den Hub. Der Repeater leitet alle Transaktionen zwischen Bus und Host-Controller weiter.

11 2.2 USB-Hub Um das System zu erweitern werden weitere Hubs neben dem Root-Hub unterstützt. Weitere USB Geräte können durch einen Hub angeschlossen werden, da zusätzliche Ports geboten werden. Da werden Compund Devices sehr gerne gesehen. Compound Device ist ein USB Gerät, welche Hub- und Peripherie Funktion in sich vereint. Diese Mehrfachverteiler können nämlich auch als eigenständiges Gerät realisiert oder als Bestandteil in andere USB-Geräte integriert werden. Stromversorgung eines Hubs läuft entweder über eine eigene Stromversorgung (Self-Powered) oder über das USB-Kabel (Bus-Powered). Hubs sind dafür zuständig die Vorgänge des Anschließens und des Entfernens von Geräten währen des laufenden Betriebs zu erkennen. ( Hot-Atachment und Detachment). Beim nächsten Abfragen an die Host-Software wird dann der Vorgang erkannt und wird als Report übermittelt. Genau wie der Root-Hub bestehen auch all die anderen Hubs aus Hub-Controller und Repeater wie vorhin erklärt. Hub-Controller verwarltet die Statusinformationen über den Hub und seine Ports. Der gesamte ankommende Datenverkehr auf dem Bus wird durch den Hub- Repeater weitergeleitet. So könnte ein Hub aussehen: USB-Endgeräte Die Eigenschaften und Attribute des USB-Gerätes werden durch ihre Deskriptoren an die Host-Software weitergegeben sodass sie auch wissen wie diese konfiguriert werden müssen. Diese Deskriptoren der Host-Software dienen außerdem zur Erkennung der passenden gerätespezifischen Software-Treiber. Der Treiber benutzt die Geräte- Deskriptoren auch selber. Um weitere Informationen zu einem Gerät zu erhalten, damit er korrekt bedient werden kann.

12 Dieser Mechanismus heißt Device Framework. Hier einige Beispiel Endgeräte. An den Bildern können Sie erkennen, dass viele der heutigen USB Endgeräte nicht dringend notwendig sind. Hamster im Laufrad Eine Pflanze wächst durch die Energiezufuhr des USB USB-Kabel Bei der USB-Spezifikation gibt es ein eiheitliches Steckverbindersystem zum Anschluss aller Peripheriegeräte an den Computer. Der USB-Stecker ist da, um ein USB-Gerät an den Port eines Hubs anzuschließen. Der Port kann sich entweder am PC oder an einem Hub befinden. Bei Low-Speed Geräten ist das Gerät fest mit dem Kabel verbunden, zum Beispiel die Maus. Full-Speed-Geräte werden über steckbare Kabel mit dem Bus verbunden. Um die beiden Richtungen gut zu unterscheiden, sodass es zum Beispiel nicht zum Kurzschluss kommt, wurden zwei Steckertypen festgelegt.

13 -Serie A Stecker: Hier wird die Verbindung des USB-Geräts mit dem Port eines Hubs realisiert, wobei der Stecker am Kabel und die Buchse am Hub angeordnet sind (Upstream-Richtung). -Serie B Stecker: Wenn es sich um eine trennbare Verbindung des USB-Kabels am Gerät selbst handelt, so ist dieser Typ erforderlich. Auch hier ist der Stecker am Kabel und die Buchse am Gerät angeordnet ( Downstream-Richtung). Natürlich gibt es bei den Kabeln auch noch Unterschiede bezüglich der unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten. Ein Low-Speed-Kabel zum Beispiel ist sehr einfach gebaut im Gegensatz zu einem Full-Speed-Kabel, wo spezielle Maßnahmen zur Sicherung getätigt werden müssen. 6.3 USB-Software-Architektur Der USB muss von dem jeweiligen Betriebssystemen unterstützt werden. Wie bei den Windows-Betriebssysteme so auch bei den anderen, wie zum Beispiel Apple oder UNIX-BS ist eine USB-Unterstützung verfügbar. Alle USB-Transaktionen, die stattfinden werden auf dem Host-Computer durch die USB-Software initiiert. Der USB-Gerätetreiber macht das üblicherweise, der will ja mit seinem Gerät kommunizieren. Die Schnittstelle zwischen dem USB- Gerätetreiber und dem USB-Host-Controller ist der USB-Bustreiber Software Kompomonenten Hier führe ich nur kurz die Software-Elemente auf: USB-Gerätetreiber USB-Gerätetreiber wird auf Englisch bezeichnet als USB-Device-Driver. Die Aufgabe von USB Gerätetreiber ist die Erzeugung von Anfragen (Requests) an den USB-Bustreiber. Als Anfragen werden I/O-Request-Packets verwendet (IRP). Der Transfer von und zu USB-Endgeräten wird von diesen initiiert. Zum Beispiel muss der Tastatur-Treiber einen Interrupt-Transfer durch Erzeugung eines entsprechenden IRP auslösen. Außerdem muss in dem Fall der Tastatur- Treiber einen Memory-Puffer bereitstellen. In diesem Puffer werden dann die Daten welche von der USB-Tastatur kommen eingetragen USB-Bustreiber USB-Bustreiber wird auf Englisch bezeichnet als USB-Driver. Ihm sind die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen USB- Geräte bekannt. In der Konfigurationsphase werden vom Bustreiber die Geräte-Deskriptoren analysiert und die Eigenschaften werden erkannt. Zum Beispiel die Datenmengen pro Frame oder die Abstände zwischen den periodischen Zugriffen. Der USB-Bustreiber erzeugt einzelne Transaktionen, entsprechend, wenn er ein IRP von einem USB-Gerätetreiber erhält. Für den Aufbau der einzelnen Transaktionen werden die Informationen über die gerätespezifischen Kommunikationseigenschaften verwendet.

14 USB-Host-Controller-Treiber USB-Host-Controller-Treiber wird auf Englisch bezeichnet als Host-Controller- Driver. Hier wird die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen organisiert. Also das Scheduling findet hier statt. Dazu wird eine Folge von Transaktionslisten aufgebaut. Alle nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung eines Geräts, welchen an einen Bus angeschlossen ist, stehen in der Liste. Eine einzelne Anfrage für einen Datentransfer kann vom USB-Bustreiber in mehrere Transaktionen zerlegen. Also sind diese auch auf mehrere aufeinander folgende Zeitfenster verteilt. Das Scheduling hängt ab von unterschiedlichen Einflussfaktoren. Zum einen spielt die Transferart eine Rolle, aber auch die Geräteeigenschaften und die Busbelastung. Über den Root-Hub werden die Transaktionen dann vom USB-Host-Controller- Treiber ausgelöst. Alle Transaktionen, die in der aktuellen Liste stehen werden dann vom Root Hub in die niedrigeren Protokollebenen umgesetzt. 7. Fazit USB ist wirklich ein großer Erfolg. USB 3.0 hat sogar einen Durchsatz von 5 Gigabit/s. USB ist unfassbar günstig und für jeden Laien leicht zu handeln. Trotzdem sollte man bei USB auch sehr gut auf die Sicherheit aufpassen, da sich mit einem USB Stick zum Beispiel sehr leicht Viren vermehren oder transportieren lassen. 8. Quellen Internet Literatur 1. USB von H.J.Kelm 2. USB in der Elektronik - von Jürgen Hulzebosch