Kurzreferat ● USB von Anfang an ● von Stefan Bob

Agenda ● Was ist USB? ● Geschichte ● Technische Daten ● Kabel ● Stecker ● Geschwindigkeiten ● Datenübertragung ● Interrupt ● Bulk ● Isochron ● Physikalische Topologie ● USB Protokoll

Was ist USB? - USB ist die Abkürzung für den englischen Begriff „Universal Serial Bus“ - Der USB ist eine standardisierte Schnittstelle für alle Peripheriegeräte z.B.-Ausgabegeräte -Eingabegeräte -Externe Speichermedien -Multimedia -Schnittstellen/Adapter

Geschichte haben sich 7 Unternehmer (IBM, Intel, Microsoft, NEC, Com- pag, DEC und Northern Telecom) zusammengefunden um über ein neues Konzept zu beraten, da es keine einheitlichen Schnittstellen gab - Seit damals haben sich viele weitere Unternehmen der Gruppe ange- schlossen und somit das USB-Implementers-Forum (USB-IF) gebildet - Das „USB-IF“ verfolgte dabei folgende Ziele:

Geschichte / Ziele der USB-IF - Benutzer sollen keine Schalter und Brücken auf Paltinen oder Geräte setzen müssen - Benutzer sollen das Gehäuse nicht zur Installation neuer E/A Geräte öffnen müssen - Es soll nur eine Kabelart für den Anschluss aller Geräte verwendet werden - E/A sollen über das Kabel mit Strom versorgt werden - An einem einzigen Computer sollen sich bis zu 127 Geräte an- schließen lassen - Das System soll Echtzeitgeräte (z.B. Sound/Modem) unterstützen - Geräte sollen bei laufenden Computer installiert werden können - Der neue Bus und seine E/A Geräte sollen preisgünstig gefertigt werden können

Geschichte 1996 wurde von Intel USB 1.0 im Markt eingeführt - Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten der 1.0 Version behob, wobei die Geschwindigkeit gleich blieb wurde USB 2.0 eingeführt wodurch auch die Datenrate auf 480 Mbit/s stieg und so den Anschluss von Festplatten oder Video- geräten ermöglichte soll USB 3.0 eingeführt werden wobei die Datenrate um das 10 fache auf 5GBit/s erhöht werden soll

Technische Daten / Kabel - USB Verbindungskabel haben eine Impedanz von 90 Ohm - Sie besitzen 4 Adern - 2 Leitungen für die Spannungsver- sorgung (5 Volt mit bis zu 500mA) - 2 verdrillte Leitungen für die Daten- übertragung (3,3 Volt) - Die Kabellänge ist laut USB-Spezi- fikation auf 3-5m begrenzt

Technische Daten / Stecker - Beim USB unterscheidet man zwischen- zwei Steckerarten: - Typ A ist für den Downstream Port am Host oder Hub - Typ B ist für den Upstream Port am Gerät - Beide Typen sind mechanisch nicht verwechselbar, so wird der Aufbau einer Ringverbindung verhindert

Technische Daten / Geschwindigkeiten - USB Low und High Rate gehören zur 1.1 Version - Wobei Low Rate für Key- board, Maus, Joystick ein- gesetzt wird - High Rate bei Scanner, Drucker, Modem usw. ein- gesetzt wird - Für USB 2.0 benötigt man einen 2.0-Controller um mit 480 Mbps zu kommunizieren

Datenübertragung / Interrupt - Interrupt Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen - Das kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low-Speed 10 ms, bei Full-Speed 1 ms und bei High-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low-Speed können pro Abfrage bis zu 8 Byte, bei Full-Speed bis zu 64 Byte und bei High-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden - Bespiel: Maus, Keyboard oder Joystick

Datenübertragung / Bulk - Bulk Transfers dienen zur Übertragung großer Datenmengen, die aber nicht sofort übertragen werden müssen - Der Transport der Daten wird erst dann garantiert wenn die ent- sprechende Bandbreite vorhanden ist - Diese Transfers sind niedrig priorisiert und werden vom Controller durchgeführt, wenn alle isochronen und Interrupt-Transfers abgeschlos- sen sind - Beispiel: Scanner, Drucker

Datenübertragung / isochron - Isochrone Transfers dienen zur Übertragung von Daten, die fortlaufend und in Echtzeit übermittelt und empfangen werden - Dabei wird vom Host die benötigte Bandbreite für die Übertragung bereitgestellt und reserviert - Ist das nicht der Fall wird die Anwendung nicht beendet sondern es erfolgt eine erneute Anfrage - Beispiel: Sprache bzw. Telefonkonferenzen

Topologie Die USB-Bus-Topologie entspricht im Wesentlichen einem schichtförmigen Sternsystem. An der Spitze der Hierarchie befindet sich der sogenannte "root hub". Im Zentrum jeder Schicht darunter steht ein weiterer Hub (z.B. Monitor, Keyboard oder standalone-Hub), an welchen die Peripherie-Geräte und eventuell einer oder mehrere Hubs angeschlossen sind, welche alle zusammen die nächste Schicht bilden. Insgesamt sind bis zu 7 Ebenen möglich. Da USB eine 7-Bit-Adressierung verwendet, ist die Anzahl der Geräte pro Host mit 127 begrenzt

USB Protokoll - Die Übertragung innerhalb eines Feldes startet jeweils mit dem Least-Signi- ficant-Bit (LSB), als letztes Bit pro Oktett folgt das Most-Significant-Bit (MSB) - Jedes übertragene Paket beginnt mit einem Synchronisationsfeld (SYNC) - Teil des SYNC-Feldes ist der SOP-Begrenzer (Start Of Packet), der den Anfang des Pakets anzeigt - Das Ende des Pakets wird entsprechend durch den EOP-Begrenzer (End Of Packet) signalisiert. - Dem SYNC-Feld folgt ein PID (Packet Identifier), der aus zwei 4-Bit Fel- dern besteht. - Die ersten 4 Bits enthalten den Pakettyp, die folgenden 4 Bits stellen jeweils das Einerkomplement der ersten 4 Bits dar. Dies ermöglicht die Überprüfung des PID auf Übertragungsfehler.

USB Protokoll - Im Adress-Feld wird entweder die Empfänger-oder die Senderadres- se, abhängig vom Eintrag im Token-Feld, angegeben - Es stehen sieben Bit zur Verfügung, damit können bis zu 128 Einhei- ten adressiert werden - Adresse 0 ist jedoch für normale Operationen verboten, da sie die Standard-Adresse darstellt

USB Protokoll - Im Endpunktfeld können mit 4-Bit Feld bis zu 16 verschiedene USB Geräte adressieren - Alle Einheiten müssen mindestens den Endpunkt 0 unterstützen - Der Endpunkt 0 dient zum Austausch der Daten für die Konfiguration

USB Protokoll - Das Datenfeld kann beim USB von 0 bis 1023 Bytes groß sein - Die Daten werden mit Least Significant Bit (LSB) zuerst übertragen

USB Protokoll - Das Tokenpaket besteht aus dem PID-Feld mit den Pakettypen IN, OUT, SOF oder SETUP - Es folgen die sieben Bit des Adress-Feldes und das Endpoint-Feld (ENDP) - Abgeschlossen wird dieser Rahmen mit dem CRC5-Feld, das nur das Adress-Feld und das Endpoint-Feld schützt

USB Protokoll - Es werden zwei Arten von Datenpaketen abwechselnd verwendet: Date0 und Data1 - Die Angaben für Data0 und Data1 sind im PID-Feld codiert - Diese alternierenden Datenpakete unterstützen die Garantie der Datenreihenfolge.

USB Protokoll - Die Handshake-Pakete bestehen nur aus dem PID und werden zur Meldung des Status (ACK,NACK, STALL ) verwendet. - ACK: Positive Antwort vom Host/Device auf Empfang der Daten - NACK: Device hat keine Daten zu übertragen oder antwortet negativ auf den Empfang - STALL: Device ist nicht in der Lage zu Senden/ Empfangen

Protokoll Übersicht:

Quellenangabe Grafiken / Informationen: