USB

Gliederung

Allgemeines Univesal Serial Bus Intel Industriestandard Schnittstelle an Geräten für Peripherie-Geräte Vereinheitlichung diverser serieller Anschlüsse Verschiedenste Einsatzgebiete

Mechanischer Aufbau Stecker-Buchse-Prinzip Nur eine Position des Steckers in Buchse möglich Verschiedene Typen je nach Anwendungsgebiet Standard zum Anschluss an PC: Buchse(n) vom Typ A Der USB kennt zwei verschiedene Steckertypen, "Typ A" und "Typ B" genannt. Das System ist so konzipiert, dass man sie auch nicht verkehrt herum einstecken kann. Kabel sind immer 1:1 verbunden, und die Belegung ist immer gleich. An der Rückseite eines PCs findet Buchsen vom Typ A. Kleinere, langsame Geräte wie beispielsweise Mäuse verwenden ein dünnes, fest angebrachtes Kabel mit einem Stecker vom Typ A. In anderen Fällen besitzt das Gerät selbst eine USB-Buchse vom Typ B. Die Verbindung erfolgt dann mit einem Kabel vom Typ A-B.

Der USB kennt zwei verschiedene Steckertypen, "Typ A" und "Typ B" genannt. Das System ist so konzipiert, dass man sie auch nicht verkehrt herum einstecken kann. Kabel sind immer 1:1 verbunden, und die Belegung ist immer gleich. An der Rückseite eines PCs findet Buchsen vom Typ A. Kleinere, langsame Geräte wie beispielsweise Mäuse verwenden ein dünnes, fest angebrachtes Kabel mit einem Stecker vom Typ A. In anderen Fällen besitzt das Gerät selbst eine USB-Buchse vom Typ B. Die Verbindung erfolgt dann mit einem Kabel vom Typ A-B.

Verkabelungsprinzip USB-Host- Controller - USB-Host ist einziger Datenaustauschpunkt der verschiedenen USB-Geräte - kein Datenverkehr untereinander ohne USB-Host-Controller Erweiterbar, bis zu 127 Geräte anschließbar Die USB-Architektur besteht aus einem USB-Host und den daran angeschlossenen Geräten und USB-Hubs. Ein USB-Host besteht aus einem Hostcontroller, einem Root Hub, der Systemsoftware und Gerätetreibern. In einem USB-Baum darf es immer nur einen Hostcontroller geben. Als Root Hub werden die USB-Anschlüsse am PC bezeichnet. Die Kommunikation bei USB wird von einem Host-Controller gesteuert, der heute in der Regel auf dem Motherboard eines Computers verbaut ist. Nur dieser kann Daten von einem Gerät lesen oder zu einem Gerät senden (Ausnahme: siehe USB On-the-Go). Ein Gerät darf nur dann Daten zum Hostcontroller senden, wenn es von diesem abgefragt wird. Bei zeitkritischen Datenströmen, wie etwa bei Mausbewegungen, muss der Hostcontroller von sich aus häufig genug beim Gerät anfragen (Polling), ob es Daten senden will, um ein Ruckeln zu verhindern.

Stromversorgung Standardstecker Pin Name Beschreibung 1 VCC +5 V ±5 % 2 D- Data - 3 D+ Data + 4 GND Masse 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA Wenn mehr benötigt: Externe Stromversorgung, siehe externe 3,5 Zoll Festplatten, Drucker, andere Großgeräte Y-Kabel VCC ist eigentlich die Spannung an den Kollektoren (der Transistoren), gleichzeitig wird die Abkürzung aber für die positive Spannung (bezogen auf GND) verwendet. Die Spannung am Kollektor ist aber je nach Art des Transistors (PNP oder NPN) positiv oder negativ

Stromversorgung Mini-Stecker Pin Name Beschreibung 1 VCC +5 V ±5 % 2 D- Data - 3 D+ Data + 4 ID Typ A: Masse, Typ B: keine Belegung 5 GND Masse 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA Wenn mehr benötigt: Externe Stromversorgung, siehe externe 3,5 Zoll Festplatten, Drucker, andere Großgeräte Y-Kabel VCC ist eigentlich die Spannung an den Kollektoren (der Transistoren), gleichzeitig wird die Abkürzung aber für die positive Spannung (bezogen auf GND) verwendet. Die Spannung am Kollektor ist aber je nach Art des Transistors (PNP oder NPN) positiv oder negativ

Signalübertragung L1 GES L2 Pakete, zeitkritisch Invertiertes Signal in 2. Leitung sorgt für doppelte Signalstärke, also Störungen werden weitgehend eliminiert  Die Datenübertragung erfolgt symmetrisch über zwei verdrillte Leitungen, wobei durch die eine Leitung das Datensignal und durch die andere das dazu jeweils invertierte Signal übertragen wird. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungsunterschied zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß, eingestrahlte Störungen werden weitgehend eliminiert. Das erhöht die Übertragungssicherheit und unterdrückt Gleichtaktstörungen. L2

Der USB-Host-Controller Steuert Kommunikation zwischen Geräten Kommunikation durch Polling Anfrage vom Controller Senden der Daten vom Gerät Besteht im Normalfall aus mehreren Controllern Auch nur Host-Controller genannt Auf dem Mainboard verbaut Nur dieser kann Daten von einem Gerät lesen oder zu einem Gerät senden Polling Besteht im Normalfall aus mehreren Controllern (http://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Host-Controller), jeder für unterschiedliche Arten von USB-Geräteklassen verantwortlich (Ausnahme: siehe USB On-the-Go). Ein Gerät darf nur dann Daten zum Hostcontroller senden, wenn es von diesem abgefragt wird. Bei zeitkritischen Datenströmen, wie etwa bei Mausbewegungen, muss der Hostcontroller von sich aus häufig genug beim Gerät anfragen (Polling), ob es Daten senden will, um ein Ruckeln zu verhindern. Die USB-Controller-Chips in den PCs halten sich an einen von vier etablierten Standards. Diese unterscheiden sich in ihrer Leistungsfähigkeit und der Implementierung von bestimmten Funktionen. Für ein USB-Gerät sind die verwendeten Controller (fast) vollständigtransparent, allerdings ist es für den Benutzer des PC mitunter wichtig, feststellen zu können, welche Art Chip der Rechner verwendet, um den korrekten Treiber auswählen zu können.

Der USB-Host-Controller Anmeldevorgang Reset, beide Datenleitungen auf Massepotential Gerät bekommt Adresse 0 Zuweisung einer eindeutigen Adresse durch Host- Controller Initial-Poll Hersteller- und Produkt-ID Alternative Konfigurationen + Geräteklasse Control-Transfer-Modus, beidseitige Kontrolle der Daten Intern adressiert der USB-Controller die angeschlossenen Geräte mit einer sieben Bit langen Kennung, wodurch sich die 127 maximal anschließbaren Geräte ergeben. Wenn an einem Port neue Geräte detektiert werden, schaltet der Host-Controller diesen ein und sendet dem angeschlossenen Gerät einen Reset, indem er beide Datenleitungen für mindestens 10 ms auf Massepotential legt.[9] Dadurch belegt das Gerät zunächst die Adresse 0 und bekommt dann vom Host eine eindeutige Adresse zugeteilt. Da immer nur ein Port mit noch nicht konfiguriertem Gerät aktiviert wird, kommt es zu keinen Adresskollisionen. Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Einstellungen_und_Schnittstellen http://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Ger.C3.A4teklassen

Der USB-Host-Controller Anmeldevorgang Konfiguration kann mehrere Schnittstellen besitzen Schnittstelle kann mehrere Endpunkte besitzen Unterschiedlicher Strombedarf Unterschiedliche Datenraten über “Alternate Settings“ Innerhalb einer Konfiguration kann das Gerät verschiedene Schnittstellen definieren, die jeweils über einen oder mehrere Endpunkte verfügen. Unterschiedlicher Bedarf an reservierter Datenrate wird über sogenannte Alternate Settings signalisiert. Ein Beispiel dafür ist eine Kamera (etwa eine Webcam), die Bilder in zwei verschiedenen Auflösungen senden kann. Das Alternate Setting 0 wird aktiviert, wenn ein Gerät keine Daten übertragen möchte und somit pausiert.

Endpunkt-Betriebsmodi Endpunkte == Unteradressen USB SIE (Serial Interface Engine) Unabhängige Datenströme 1 Endpunkt (Adresse 0) für Erkennung Maximal 31 Endpunkte pro Gerät 15 In- und Out 1 für Erkennung Bei Low-Speed Geräten: Max 3 Endpunkte Endpunkte / Endpoint[Bearbeiten] USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten „Endpunkten“, gewissermaßen Unteradressen des Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit mehreren getrennten Funktionen (Webcams, die Video und Audio übertragen) haben mehrere Endpunkte. Die Übertragungen von und zu den Endpunkten erfolgen meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist deshalb ein IN- und ein OUT-Endpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des Hostcontrollers). Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Mode verwenden. In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch weitere Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer den Control Transfer Mode. Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: Den Control-Endpunkt (der eigentlich zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low Speed-Geräte sind auf Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Mode mit maximal 8 Bytes pro Transfer beschränkt.

Endpunkt-Betriebsmodi Bei Low-Speed Geräten: Max 3 Endpunkte Endpunkte / Endpoint[Bearbeiten] USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten „Endpunkten“, gewissermaßen Unteradressen des Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit mehreren getrennten Funktionen (Webcams, die Video und Audio übertragen) haben mehrere Endpunkte. Die Übertragungen von und zu den Endpunkten erfolgen meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist deshalb ein IN- und ein OUT-Endpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des Hostcontrollers). Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Mode verwenden. In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch weitere Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer den Control Transfer Mode. Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: Den Control-Endpunkt (der eigentlich zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low Speed-Geräte sind auf Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Mode mit maximal 8 Bytes pro Transfer beschränkt.

Standards USB 1.0 USB 1.1 Full-Speed ( 12 Mbit/s = 1,5 MByte/s ) nur auf dem Papier, nie im Handel USB 1.1 Low-Speed ( 1,5 Mbit/s = 187,5 kByte/s ) Full-Speed ( 12 Mbit/s = 1,5 MByte/s ) USB 2.0 Hi-Speed ( 480 Mbit/s = 60 MByte/s) USB 3.0 SuperSpeed ( 5 Gbit/s = 625 MByte/s ) Eventuell Aufteilung in mehrere Folien, pro Standard eine (+ Jahreszahlen, Fortschritte, usw.)

Überblick USB 1.1 Low Speed USB 1.1 Full Speed USB 2.0 Full Speed   USB 1.1 Low Speed USB 1.1 Full Speed USB 2.0 Full Speed FireWire Übertragungsrate 1,5 MBit/sec 12 MBit/sec 480 MBit/sec 400 MBit/sec Endgeräte 2 31 127 63 Kabelläng zwischen Geräten 1 m 5 m 4,50 m Maximale Kabellänge 30 m 72 m PC notwendig Ja Nein Plug & Play bedingt Überblick

Diagrammumbau, Zahlenwerte mit rein nehmen

Perspektiven USB 3.1 Developers Days, Singapore 10 Gbit/s 19-20 November 2014 10 Gbit/s USB Verbindungstyp C - Doppelte Übertragungsgeschwindigkeit als USB 3.0 - USB Verbindungstyp C wie Lightning-Anschluss bei neuen iPhones (beidseitig einsteckbar, nicht wie bei USB Stecker Typ A)

Perspektiven WUSB (Wireless Universel Serial Bus Angepeilt Drahtlose Übertragung von Daten Angepeilt 480Mb/s auf 3 Meter 110Mb/s auf10 Meter Eventuell native Implementation, nicht über Transmitter/Empfänger Alternativen NAS Jede andere Art von Speicher im Netzwerk/auf Servern - Doppelte Übertragungsgeschwindigkeit als USB 3.0 - USB Verbindungstyp C wie Lightning-Anschluss bei neuen iPhones (beidseitig einsteckbar, nicht wie bei USB Stecker Typ A)

Allgemeines Industriestandard 1990, Bluetooth Special Interest Group (SIG) Datenübertragung durch Funktechnik Ersetzen von Kabelverbindungen Name: Dänischer König Harald Blauzahn Vereinte verfeindete Teile Dänemarks Firmenkonsortium Der Name „Bluetooth“ leitet sich vom dänischen König Harald Blatand (Harald Blauzahn, englisch Harald Bluetooth) ab, der verfeindete Teile von Norwegen und Dänemark vereinte.[1] Das Logo zeigt die zusammengerückten altnordischen Runen für H und B. (10. Jahrhundert, nach seinem Vorbild soll auch dieser Standard die Kommunikationslandschaft einheitlich gestalten helfen) Entwickelt vor allem durch Ericsson, aber auch Nokia und Intel wirkten maßgeblich an der Entwicklung mit

Allgemeines Frequence Hopping / Spread Spectrum (Freuquenzsprungverfahren) Verringert Störungen 79 Stufen, je 1 MHz Abstand Bis zu 1600 Mal / Sekunde Um Robustheit gegenüber Störungen zu erreichen, wird ein Frequenzsprungverfahren (frequency hopping) eingesetzt, bei dem das Frequenzband in 79 Frequenzstufen im 1-MHz-Abstand eingeteilt wird, die bis zu 1600-mal in der Sekunde gewechselt werden. Es gibt jedoch auch Pakettypen, bei denen die Frequenz nicht so oft gewechselt wird (Multislot-Pakete). Am unteren und oberen Ende gibt es jeweils ein Frequenzband als Sicherheitsband (engl.: "guard band") zu benachbarten Frequenzbereichen. Theoretisch kann eine Datenübertragungsrate von 706,25 kbit/s beim Empfang bei gleichzeitigen 57,6 kbit/s beim Senden erreicht werden (asymmetrische Datenübertragung).

Verkabelungsprinzip

Verbindungsaufbau Passiver Modus Inquisitionsphase : Entdecken von Zugangsknoten Synchronisierung mit dem Zugangsknoten (paging) Entdeckung der Dienste des Zugangsknotens Aufbau eines Kanals mit dem Zugangspunkt Paarung mittels PIN-Code (Sicherheitscode) Benützung des Netzwerks Der Aufbau einer Verbindung erfolgt immer unter der Protokollarchitektur nach Bluetooth V2.1 usw.[8] (Neu ist ab Standard Bluetooth V3.0 und mit dem Protokoll Bluetooth V4.0 Low Energy ein verbindungsloser Betrieb in Sende- und Empfangsrichtung möglich).[9]Eine Verbindung kann von einem beliebigen Gerät ausgehen, das sich dadurch zum "Master" über die antwortenden "Slaves" erhebt. Sobald Bluetooth-Geräte in Betrieb gesetzt werden, identifizieren sich die einzelnen Bluetooth-Controller innerhalb von zwei Sekunden über eine individuelle und unverwechselbare 48 bit lange MAC-Adresse. Im Bereitschafts-Modus lauschen unverbundene Geräte in Abständen von bis zu 2,56 Sekunden nach Nachrichten (Scan Modus) und kontrollieren dabei 32 Hop-Frequenzen. Der Kontakt zu den Slaves wird durch eine Inquiry-Nachricht (von inquiry (engl.) = Erkundigung) und danach durch eine Page-Message (von to page (engl.) = (per Lautsprecher) ausrufen, message (engl.) = Nachricht) hergestellt, falls die Hardware-Adresse der Geräte unbekannt ist. Bei bekannter Adresse fällt der erste Schritt weg. Im Page-Zustand sendet der Master 16 identische Page-Telegramme auf 16 unterschiedlichen Hopping-Frequenzen, die für die Slaves bestimmt sind. Danach befinden sich die Stationen im Status verbunden. Durchschnittlich wird eine Verbindungsaufnahme innerhalb des halben Scanintervalls, z. B. 2,56/2 Sekunden (1,28 Sekunden), erreicht. Findet der Master keinen Slave innerhalb einer eingestellten Zeit, so werden auf weiteren 16 Hopping-Frequenzen Page-Telegramme gesendet. Diese Gruppierung soll bei bekannter "Slave Clock" einen zügigen Verbindungsaufbau gewährleisten. Beim adaptiven Hopping werden die Frequenzen ausgelassen, die bereits durch andere Master belegt sind. Seit 2005 kann zum Verbindungsaufbau zweier Bluetooth-Geräte optional NFC genutzt werden. Dieses zusätzliche RF-Protokoll unterstützt Bluetooth insbesondere beim erstmaligen Pairing von Bluetooth-OBEX.

Übertragungsgeschwindigkeiten 1.0, 1.0B, 1.1 (Juli 1999, Februar 2001)  732,2 kbit/s, vergleichbar mit DSL-Anschluss (1st Gen.) 1.2 (November 2003) 1 Mbit/s 2.0 + EDR und 2.1 + EDR (November 2004) EDR == Enhanced Data Rate 3.0 + HS HS == High Speed (24 Mbit/s) UWB und WiMedia MAC: 480 Mbit/s, jedoch aufgegeben Bei UWB (Ultrabreitband) als physikalische Übertragungsart (basierend auf der Spezifikation ECMA-368) und WiMedia MAC als Protokollschicht waren bis zu 480 Mbit/s geplant. Auf dieser Spezifikation hätten auch andere Protokolle wie WUSB und IP aufgesetzt werden sollen.Die Spezifikation wurde im Oktober 2009 aufgegeben.[15]

Energiesparmodi HOLD-Modus SNIFF-Modus PARK-Modus Protokollerweiterungen Bluetooth low energy (ab Version 4.0) Smart (Ready) Energiesparmodi[Bearbeiten] Wenn keine Daten zu übertragen sind, kann eine Verbindung zwischen einem Master und einem Slave in einen Energiesparmodus versetzt werden. Es gibt drei Energiesparmodi: Der HOLD-Modus wird zur asynchronen Abwesenheit eingesetzt. Zum Beispiel kann ein Slave mitteilen, dass er ab einem gewissen Zeitpunkt für 200 ms nicht zuhört. Der Master adressiert dann den Slave für die angegebene Zeit nicht, und der Slave hört dann auch nicht auf Master-Pakete. Beide Geräte können dann die Zeit für andere Aktivitäten nutzen (scanning, scatternet etc.). Der SNIFF-Modus (von to sniff (engl.) = schnüffeln) wird zur reduzierten periodischen Aktivität eingesetzt. Es kann z. B. ein Slave oder Master mitteilen, dass er nur noch alle 500 ms für einige Zeitfenster ("slots") zuhört. Der SNIFF-Modus wird bei fast allen Geräten, die Energieverbrauch senken sollen, eingesetzt. Der PARK-Modus wird eingesetzt, um ein Gerät synchronisiert zu halten. Das Gerät kann aber nicht aktiv am Datenverkehr teilnehmen. Der Park-Modus wird zwar von fast allen Chipsätzen unterstützt, aber trotzdem kaum angewendet. Details zur Reduzierung des Energieverbrauchs zwecks geringerer Belastung kleiner Batterien sind bei allen bisherigen und neuen Modi von der jeweiligen Abstimmung von Master und Slave abhängig. Mit der Protokollerweiterung Bluetooth low energy kann der Energieverbrauch weiter gesenkt werden.

Sicherheit Freuquenzsprungverfahren Non-Secure Mode keine Sicherheitsmechanismen, nur Frequence Hopping Service-Level Enforced Security dienstspezifisch Link-Level Enforced Security beim Verbindungsaufbau auf  Link Layer  Verschlüsselung optional http://www.secorvo.de/publikationen/white-paper.php/secorvo-wp05.pdf (NOCH NICHT IN QUELLEN)

Geräteklassen Klassen Max. Leistung Max. Leistung Reichweite allgemein Reichweite im Freien Klasse 1 100 mW 20 dBm ca. 100 m Klasse 2 2,5 mW 4 dBm ca. 10 m ca. 50 m Klasse 3 1 mW 0 dBm ca. 1 m Geräteklassen Die tatsächlich erzielbare Reichweite hängt neben der Sendeleistung von einer Vielzahl Parameter ab. Hierzu zählen beispielsweise die Empfindlichkeit eines Empfängers und die Bauformen der auf Funkkommunikationsstrecken eingesetzten Sende- und Empfangsantennen. Auch die Eigenschaften der Umgebung können die Reichweite beeinflussen, beispielsweise Mauern als Hindernisse innerhalb der Funkkommunikationsstrecken. Auch die Typen der Datenpakete können wegen Unterschieden in Länge und Sicherungsmechanismen Einfluss auf die erzielbare Reichweite haben. Um höhere Übertragungsraten über das weltweit verfügbare 2,45-GHz-ISM-Frequenzband zu ermöglichen, plant die Bluetooth SIG die Alternate MAC/PHY-Bluetooth-Erweiterung; hierbei wird Bluetooth um die PHY- und MAC-Schicht der IEEE-802.11-Spezifikationen (WLAN-Standards) erweitert.