USB. Susanne Grein Hochschule RheinMain Fachseminar 2009

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1 USB Susanne Grein Hochschule RheinMain Fachseminar 2009

3 Begriffsklärung Bus? Universal Serial Bus Seriell: Bits nacheinander auf einer Leitung übertragen Verbindung Computer - Peripheriegerät

4 Eigenschaften Vier Geschwindigkeiten Low-Speed 1,5 MBit/s Full-Speed 12 MBit/s High-Speed 480 MBit/s Superspeed 5 GBit/s Leicht anwendbar, einfache Installation Flexibel, viele verschiedene Geräte Zuverlässig, Fehler treten selten auf, Fehlerprüfung

5 Historischer Überblick 1996 Version 1.0 der USB Spezifikation veröffentlicht, Windows 95 OEM Service Release Version 1.1 mit neuem Transfertyp Interrupt OUT Windows 98 SE 2000 USB 2.0 mit High-Speed Option veröffentlicht, neuer Mini-B-Anschluss definiert 2009 USB 3.0 Superspeed Spezifikation veröffentlicht

6 USB Stecker Verpolungs- und vertauschungssicher Verbindung zum Host (Upstream): Stecker Typ A / Mini-A Verbindung zum Endgerät (Downstream): Stecker Typ B / Mini-B / Micro-B /...

7 Anschluss an Host (Computer / Hub) Anschluss für USB On-The-Go Geräte Anschluss an Endgerät (Drucker, Festplatte,...) Anschluss an kleinere Endgeräte (Handy, MP3 Player,...)

8 USB 3.0 Stecker Fünf weitere Kontakte im Stecker In nicht verwendete Bereiche des Steckers eingearbeitet

9 Host, Hub und Endgerät abwärtskompatibel jeweils Alternative für ältere Geräte

10 USB 2.0 Kabel vier Adern: zwei für Daten, je eines für Spannung und Masse Low-Speed Full-Speed High-Speed Befestigung am Gerät fest lösbar lösbar Max. Länge 3 m 5 m 5 m Qualität - abgeschirmt, paarweise verdrillt abgeschirmt, paarweise verdrillt

11 USB 2.0 Kabel Querschnitt Schwarz / Grün: Datenkabel, bei Full- und High- Speed verdrillt und abgeschirmt Schwarz / Rot: Stromversorgung Low-Speed Kabel sind flexibler, keine Steckverbindung zum Endgerät

12 USB 3.0 Kabel 3 Twisted Pair Kabel für Daten 1 Kabel für Spannung 1 Kabel Erdung

13 Geräte im Detail Host Steuert sämtliche Transaktionen, i.d.r. integrierter Root-Hub (stellt mindestens 2 USB Ports zur Verfügung). Verwaltet Bandbreiten und Stromzufuhr für den gesamten Bus. Single Master, d.h. nur Host kann Kommunikation initiieren. Hub Ermöglicht den Anschluss weiterer Geräte an bestehende Ports, übernimmt Power-Management der angeschlossenen Endgeräte. Root-Hub: Hub der unmittelbar an Host angeschlossen ist. Endgeräte / Funktionen Tastatur, Kamera, Drucker,... Kann eigene Stromversorgung haben oder vom Bus gespeist werden (max. 100 ma vor Konfiguration, danach 500 ma). Ein Gerät kann mehrere Funktionen (Interfaces) haben.

14 Topologie Kaskadierende Stern-Topologie aus Endgeräten und Hubs Bis zu 127 Endgeräte Low-, Full- und High-Speed Geräte gemischt

15 Aufgaben des Host (1) Erkennen von Geräten Enumeration: Host teilt angeschlossenen Geräten Adressen zu und fragt deren Fähigkeiten (Deskriptoren / Interfaces) ab. (Root-)Hub hat Interrupt-IN Endpunkt, über den er dem Host Ereignisse meldet. Host fragt den Root-Hub periodisch nach allen angeschlossenen Geräten ab. Bei neuem Gerät: Enumeration.

16 Aufgaben des Host (2) Verwaltung des Datenflusses Host-Controller unterteilt verfügbare Zeit in (Mikro) Frames, jede Übertragung erhält Teile davon. Zeitkritische Übertragungen finden entweder mit garantierter Geschwindigkeit statt oder gar nicht. Host fügt Übertragung Prüfsumme bei, Gerät kontrolliert diese (ACK oder keine Antwort).

17 Aufgaben der Geräte (1) Erkennen von Kommunikation Geräte überwachen die Geräteadresse der Pakete auf dem Bus, erkennen eigene Adresse, speichern die Daten im Empfangspuffer und lösen Interrupt aus. Bei den meisten Geräten in der Hardware implementiert.

18 Aufgaben der Geräte (2) Reaktion auf Standardanforderungen Ein Gerät muss auf Standardanforderungen reagieren, die der Host sendet. Dies passiert u.a. bei der Enumeration. Insgesamt 11 Anforderungen in der USB 2.0 Spezifikation, nicht alle müssen implementiert sein, verständliche Antwort genügt (z.b. Fehlercode).

19 Aufgaben der Geräte (3) Stromverwaltung Um Energie zu sparen wechseln USB Geräte nach 3ms Inaktivität des Busses in Suspend Modus. Dabei weiter Überwachung des Busses und ggf. verlassen des Suspend Modus. Fehlerprüfung Wie der Host überprüfen die Geräte die Prüfsumme empfangener Pakete und senden nur bei Fehlerfreiheit ACK zur Bestätigung.

20 USB On-The-Go 2001 als Ergänzung zur USB 2.0 Spezifikation veröffentlicht Peer - to -Peer Verbindung Beispiel: USB Stick direkt mit Drucker verbinden, USB Tastatur an PDA anschließen Dazu eingeschränkte Host-Fähigkeiten in Endgeräten spezifiziert

21 Wireless USB Mai 2005 veröffentlicht Ermöglicht drahtlose Kommunikation von USB Geräten max. 480 MBit/s meistens zusammengesetzt: Normales USB Gerät an beiden Seiten mit zusätzlichen Wireless Fähigkeiten

22 Pipe- und Endpoint Konzept Physikalische Verbindung über D+ und D- Leitung virtuelle logische Datenkanäle, Pipes Jede Pipe endet in einem Endpoint Jedes USB Gerät hat einen bidirektionalen Endpunkt 0 (Control Endpoint) Jedes USB Gerät kann mehrere Endpoints haben, Richtung entweder IN oder OUT Maximal 15 IN- und 15 OUT Endpoints

23 Transferarten Vier verschiedene Arten zur Übertragung von Daten zwischen Host und Endgerät - Control Transfer (kritische Daten) - Interrupt Transfer (Anmelden, dass Daten anliegen) - Bulk Transfer (Große Mengen schnell senden) - Isochronous Transfer (Zeitkritische Daten) Jedem Endpoint wird eine Transferart und Richtung zugeordnet (Ausnahme 0)

24 USB im Vergleich zu RS232

25 USB vs. RS232 (EIA/TIA-232) USB seriell, asynchron entwickelt 1996 RS232 seriell, asynchron entwickelt ~1960er 1,5-480 MBit/s Bit/s max. Entfernung 5 m (bis 30 m) 2 Datenkabel, bidirektional, Strom +5V bis 500 ma Stecker verpolungs- und vertauschungssicher max. Entfernung m 1 Kabel lesen, 1 Kabel schreiben, 7 Kontrollkabel An beiden Enden gleicher Stecker max. Anzahl Geräte: 127 max. Anzahl Geräte: 2

26 USB im Vergleich zu Ethernet

27 USB vs. Ethernet USB seriell, asynchron entwickelt 1996 Ethernet seriell entwickelt ~1970er 1,5-480 MBit/s 10 MBit/s - 10 GBit/s max. Entfernung 5 m (bis 30 m) 2 Datenkabel, bidirektional, Strom +5V bis 500 ma Stecker verpolungs- und vertauschungssicher max. Entfernung 500 m verschieden An beiden Enden gleicher Stecker max. Anzahl Geräte: 127 max. Anzahl Geräte: 1024

28 USB im Vergleich zu Firewire

29 USB 2.0 vs. Firewire (IEEE-1394b) USB seriell, asynchron Firewire seriell entwickelt 1996 entwickelt ,5-480 MBit/s 3,2 GBit/s max. Entfernung 5 m (bis 30 m) 2 Datenkabel, bidirektional, Strom +5V bis 500 ma Stecker verpolungs- und vertauschungssicher max. Entfernung 90 m 4 Datenkabel, Strom +12V bis 500 ma An beiden Enden gleicher Stecker max. Anzahl Geräte: 127 max. Anzahl Geräte: 64

30 Warum USB?

31 Tausende Einsatzmöglichkeiten durch hohe Kompatibiltät Billig, da einfacher Stecker- und Kabelaufbau Verschiedene Geschwindigkeiten, gleiche Kabel, genug Kabelvariationen

32 Drahtlose Verbindungen möglich (Wireless USB) Direkte Verbindung von Endgeräten möglich (USB On-The-Go) Superspeed USB bis zu 5 Gbit/s

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Quellen: USB 2.0 Handbuch für Entwickler 3. Auflage, Jan Axelson USB 2.0, H.-J. Kelm (Hrsg.)

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