USB: Universal Serial Bus

Präsentation zum Thema: "USB: Universal Serial Bus"—  Präsentation transkript:

1 USB: Universal Serial Bus
Vorlesung: Rechnerstrukturen Dozent: Herr Prof. T. Risse Semester: I7I1, SS 2000 Datum: , HS Bremen Bearbeiter: Ingo Schöning Dieser Vortrag behandelt im Groben den Universal Serial Bus (USB).

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Übersicht Entstehungsgeschichte Motivation Ziele Topologie Spezifikation Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Übersicht (2) Was bietet USB ? Funktionsweise des USB Funktionsweise eines HUB Bewertung Quellen Hochschule Bremen - Ingo Schöning

4 Entstehungsgeschichte
Bildung eines Konsortiums Intel, Microsoft, Compaq, DEC, IBM, NEC und Northern Telecom Erste öffentl. Vorstellung im Frühjahr 1995 wenig später USB 1.1 seit April 2000 USB 2.0 Intel, Microsoft, Compaq, DEC, IBM, NEC und die Northern Telecom haben sich zu einem Konsortium zusammengeschlossen, um ein neues System für den Anschluß von Peripheriegeräten zu entwickeln. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Motivation Fast jede Peripherie verwendet eigenen Anschluss Tastatur, Maus, Drucker, etc. Teilweise fehlt Beschriftung Anschlüsse teilweise verwechselbar Beispiel: Tastatur: DIN-Anschluss Maus: serieller Anschluss 1 (9 Pins) Modem: serieller Anschluss 2 (25 Pins) Drucker: paralleler Anschluss Scanner: paralleler Anschluss oder auch eigene Steckkarte Mikrofon Lautsprecher u.s.w. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Motivation (2) Anfänger haben Probleme Zerstörungsgefahr durch falsches anschliessen Schnittstellen unflexibel Kabelsalat Anfänger sind häufig damit überfordert, welches Gerät an welche Schnittstelle angeschlossen wird. Weiterhin kann falsches Anschliessen von Peripherie-Geräten die Hardware eines Systems zerstören. Ausserdem entsteht ein Kabelsalat, je mehr Geräte man an ein System anschliesst, da man immer wieder an die Rückseite des Systems gehen muss, um das neue Gerät anzuschliessen. Diese Probleme will das USB-Konsortium lösen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Ziele Verbindung von PC und Telefon Benutzerfreundlichkeit erhöhen Schnittstellenerweiterung Die Verbindung von PC und Telefon war das größte und wichtigste Ziel, dass das Konsortium verfolgt hat. Nicht umsonst hat man sich mit der Northern Telecom einen der größten Hersteller von Telefonen und TK-Anlagen Kanadas mit ins Boot geholt. Die Benutzerfreundlichkeit will man dadurch erhöhen, dass man dem Endanwender keine unüberschaubare Anzahl an unterschiedlichen Schnittstellen aufbürdet. Als weiteres Ziel hat man sich gesteckt, die Anzahl der zur Verfügung stehenden Schnittstellen maßgeblich zu erhöhen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Ziele (2) volle Unterstützung für Echtzeit-Daten Audio komprimiertes Video (MPEG-2) Der USB soll weiterhin Unterstützung für isochrone (Audio- und Videoübertragungen) Datenströme bieten. Isochrone Datenströme sind sehr zeitkritisch. Es sind nur geringe Latenzzeiten erlaubt, da ansonsten Pausen im Datenstrom auftreten, die als störend empfunden werden. Aus diesem Grunde finden beim USB bei isochronen Datenübertragungen keine Handshake-Phasen statt. Weiterhin entfällt die Fehlerkorrektur bei dieser Art der Übertragung. Auf die unterschiedlichen Übertragungsmodi wird später näher eingegangen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Topologie Stern- / Strang-Struktur maximal 7 Ebenen Der Host-Controller (an der Spitze der Pyramide) ist der einzige Master im USB-System. Der USB ist also kein Muti-Master-System. Im Normalfall hat der Host-Controller einen sogenannten RootHub, der zwei USB-Anschlüsse bietet. An jeden beliebigen USB-Anschluss kann ein weitere Hub angeschlossen werden. Aus diesem Grund spricht man von einer Stern- / Strang-Struktur. Der USB kann sich maximal über sieben Ebenen ausbreiten. Die Begründung dafür liegt in den Signallaufzeiten. Der USB kann eine maximale Länge von 35 Metern aufweisen, wenn man die maximale Anzahl von 7 Ebenen annimmt.Daraus resultiert eine Kabellänge von maximal 5 Metern, doch dazu später mehr. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Spezifikation einheitliche vierpolige Stecker Datenleitungen Die Kontakte der Versorgungsspannung (5 Volt) sind ein kleines bischen länger als die Kontakte der Datenleitungen. Dadurch wird es möglich, dass ein USB-Gerät einen definierten Zustand einnimmt, bevor die Datenleitungen Kontakt mit dem USB bekommen. Weiterhin sind die Stecker von USB-Geräten einheitlich, um den Endanwender nicht zu verwirren. Ein USB-Gerät nimmt nach dem Einschalten immer die Adresse 0x00 an. Diese Adresse ist also reserviert. Die Bedeutung dieser Adresse wird später verdeutlicht. Versorgungsspannung Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Spezifikation (2) einheitliche Kabel ungeschirmt, unverdrillt bis zu 3m Länge abgeschirmt, verdrillt bis zu 5m Länge differentielle Datenübertragung (D+ u. D-) Das Konsortium hat sich darauf geeinigt, dass einheitliche Kabel verwendet werden. Dies hat eine erhebliche Vereinfachung für den Benutzer zur Folge, da er sich nicht darum kümmern muss, welche Art von Kabel er benötigt (seriell ungekreuzt, seriell gekreuzt, parallel, Anzahl der Adern, etc.). Es wird nur zwischen zwei Kabelarten unterschieden. Diese sind für unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten ausgelegt. Das 3 Meter lange Kabel ermöglicht Übertragungsraten von 1,5 Mbit/s. Das 5 Meter lange Kabel ermöglicht 12 Mbit /s und 480 MBit /s. Die diffentrielle Datenübertragung macht den USB robuster, da sich Störungen auf die Leitungen in gleichem Maße auswirken. Bei der differentiellen Übertragung wird der Spannungswert zuerst durch zwei geteilt. Anschließend wird der errechnete Wert auf der einen Datenleitung mit positivem und auf der anderen Datenleitung mit negativem Vorzeichen übertragen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Spezifikation (3) Unterscheidung in Geräteklassen anhand: Datenrate Low-Speed: 1,5 Mbit/s Full-Speed: 12 Mbit/s High-Speed: 480 Mbit/s* Stromverbrauch self-powered bus-powered low-powered high-powered Die Unterscheidung anhand der Datenrate ist für die Funktionsweise des USB eigentlich unerheblich. Man muss nur darauf achten, dass ein High-Speed-Gerät auch eine High-Speed Anbindung an den Root-Hub des USB hat. Sollte ein Full-Speed Hub dazwischen sein, so ist eine maximale Übertragungsrate von 12 Mbit/s erreichbar. In diesem Falle kann das angeschlossene High-Speed-Device natürlich keinen High-Speed fahren. Der Stromverbrauch ist das grössere Problem. USB-Geräte können sich über die Spannung (5 Volt) des USB versorgen, oder ein externes Netzteil verwenden. Wenn ein Gerät sich über den USB mit Spannung versorgen will, so muss dies am USX-Host-Controller von dem Device angefordert werden. Steht nicht mehr genügend zur Verfügung, so kann das Gerät nicht in Betrieb genommen werden, oder es muss ein externes Netzteil verwenden. Tastaturen oder Mäuse versorgen sich über den USB, während zum Beispiel Drucker oder auch Scanner in der Regel über ein separates Netzteil versorgt werden. * nur USB 2.0 ! Hochschule Bremen - Ingo Schöning

13 USB 1.1/2.0 Interoperatibilitäts-Matrix
12 Mb/s 1.5 Mb/s USB 2.0 Hub USB 1.1 Hub 480 Mb/s No Hub USB 2.0 Host Controller USB 1.1 Host Controller High-Speed Capable Device Full-Speed Device Low-Speed Device Aus dieser Matrix ist zu erkennen, dass der USB %ig abwärtskompatibel zu seinem Vorgänger, dem USB 1.1, ist. Aus dieser Matrix ist zu entnehmen, dass High-Speed-Devices nur dann im High-Speed-Modus arbeiten können, wenn ein USB 2.0 Host-Controller vorhanden ist. Weiterhin darf auf der Strecke vom Device zum Host-Controller entweder kein Hub oder nur Hubs der Spezifikation 2.0 vorhanden sein. In sämtlichen anderen Fällen kann das Device mit einer maximalen Rate von 12 Mbit/s arbeiten. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Was bietet USB ? robust hot-plug fähig einfache Anwendbarkeit plug and play automatische Konfiguration bis zu 127 Geräte ansprechbar Die automatische Konfiguration der Devices ist einer der großen Vorteile des USB. Die Geräte durchlaufen unterschiedliche interne Zustände, bis sie endlich vom Benutzer verwendet werden können. Der Durchlauf der einzelnen Zustände ist der USB-Spezifikation zu entnehmen. Es sind beim USB bis zu 127 Gerät ansprechbar, weil das Adressfeld eine Breite von 7 Bit hat. Dies entspricht natürlich 128 Adressen, jedoch ist die Adresse 0 reserviert. Adresse 0 ist für die Geräte reserviert, die zwar an den USB angeschlossen jedoch noch nicht konfiguriert worden sind. Dies hat zur Folge, dass der Host-Controller bei jedem Auslesezyklus überprüfen muss, ob ein Gerät die reservierte Adresse 0 hat. Ist dies der Fall, läuft die Konfiguration ab, die der USB-Spezifikation zu enthnehmen ist. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

15 Funktionsweise des USB
Polling-Bus Host initialisiert alle Datentransfers Unterbrechung ist nicht vorgesehen keine separate Taktleitung Kommunikation findet über ‘pipes‘ statt Der USB ist ein Polling-Bus. Dies bedeutet, dass der Host-Controller in bestimmten Zeitabständen jedes Gerät fragen muss, ob es Daten übertragen will. Genau aus diesem Grund kann nur der Host Datentransfers initialisieren. Eine Unterbrechung von Datentransfers ist beim USB nicht vorgesehen. Das Taktsignal wird in die zu übertragenden Daten mit hineinkodiert. Wie dies funktioniert, wird auf den nächsten Folien erläutert. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

16 Kodierung/Dekodierung
NRZI (Non Return to Zero Invert) 0 => Pegelwechsel 1 => kein Pegelwechsel Beim USB wird die NRZI-Kodierung verwendet. Der Sender wendet auf die zu übertragenden Daten diese Kodierung an. Es ist nach der Übertragung Aufgabe des Empfängers, aus dem Datenstrom das Taktsignal herauszufiltern, um so die eigentlichen Daten zu erhalten. Die Funktionsweise der NRZI-Kodierung ist aus dem Diagramm zu entnehmen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Bit-Stuffing IDLE-Zustand = EINS-Zustand Nach sechs aufeinanderfolgenden Einsen wird eine Null eingefügt Wenn keine Übertragungen auf dem USB stattfinden, hat der USB den Pegel einer logischen Eins. Damit nun ein Empfänger aus einem Datenstrom das Taktsignal wieder herausfiltern kann, beginnt jedes Paket mit einem SYNC-Feld. Dieses Feld ist 8 Bit lang und besteht aus sieben Nullen und einer Eins. Daraus resultiert ein ständiger Pegelwechsel auf dem Bus und der Empfänger hat so die beste Möglichkeit sich auf das Taktsignal des Empfängers zu synchronisieren. Wenn nun 6 Einsen aufeinander in den Rohdaten folgen, so wird eine Null eingefügt, um einen Pegelwechel zu erzwingen. Andernfalls würde es dem Empfänger immer schwerer fallen, aus dem Datenstrom die Nutzdaten herauszufiltern und andere Gerät könnten den ständigen Eins-Pegel als Ruhezustand interpretieren. Auch hier ist es Aufgabe des Empgängers zu erkennen, wo ein Bit gestopft wurde und dieses gestopfte Bit zu entfernen. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Übertragungsmodus Control Reset, Steuervorgänge Interrupt Tastatur, Maus Bulk Drucker Isochronous Mikro, Lautsprecher Der Control-Transfer findet immer über die Pipe 0 statt. Die Pipe 0 ist für Reset- und Steuervorgänge reserviert und muss bei jedem USB-Gerät vorhanden sein. Alle anderen Transfers finden über Pipes statt, die grösser als 0 sind. Der Bulk-Transfer wird für Geräte verwendet, die unregelmäßig eine größere Menge von Daten übertragen müssen. Beispiel: Drucker. Interrupt-Transfer ist eigentlich nicht die richtige Bezeichnung, da der USB ja ein Polling-System ist. Jedoch werden die Geräte, die im Interrupt-Modus nach einer maximalen Zeit erneut vom Host gefragt, ob sie Daten übertragen möchten. Interrupt-Daten-Pakete sind in ihrer Größe auf wenige Bytes beschränkt. Der Isochrone Datentransfer wird von Audio- und Video-Devices verwendet, denn Audio- und Video-Daten sind immer isochron. Nur für den isochronen Datentransfer wird die bandbreite vom USB garantiert, bei allen anderen Modi findet die Übertragung nur statt, wenn genügend Bandbreite vorhanden ist. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Pipes Message-Pipes Daten mit festem Format bidirektional Stream-Pipes Daten ohne festes Format unidirektional Flusskontrolle Die Kommunikation über den USB findet über zwei unterschiedlichen Pipearten statt. Message-Pipes haben ein festes Format, was die darüber verschickten Daten angeht. Bei diesen Pipes findet eine Fehlerbehandlung statt, indem die fehlerhaften Daten erneut übertragen werden. Bei Stream-Pipes findet keine Fehlerbehandlung statt, da sie bei isochronen Datenströmen eingesetzt werden. Isochrone Daten erlauben nur geringe Latenz- und Verzögerungszeiten. Bei isochronen Daten ist es in der Regel auch nicht sehr wichtig, ob jedes einzelne Bit korrekt übertragen wurde. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Protokoll alle Daten gehen in Paketen über die Kabel Übertragung wird unterteilt in drei Zeitabschnitte: Token Data Handshake (entfällt bei isochronen Daten) Ablauf einer Übertragung: Zum ersten wird ein Token gesendet, auf ein Token folgt das Data-Paket vom Epfänger des Token-Pakets. Anschliessend wird vom Empfänger des Data-Pakets (dem Sender des Token-Pakets) ein Handshake-Signal gesendet. Die Formate der einzelnen Pakete werden auf der folgenden Folie dargestellt. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Protokoll (2) Token-Paket Data-Paket Handshake-Paket PID: Paket Identifier In diesem Feld ist kodiert, um welche Art von Paket es sich handelt: Token Data Handshake ADDR: Adress-Feld In diesem Feld ist die Adresse des Empfängers enthalten. ENDP: End Point Dieses Feld gibt an, in welcher Pipe die Übertragung stattfindet. Da dieses Feld 4 Bit breit ist, kann ein Gerät also maximal 16 Pipes besitzen. CRCx: Cyclic Redundandency Check Dieses Feld enthält eine Prüfsumme mit der festgestellt werden kann, ob das übertragene Paket fehlerhaft ist, oder nicht. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

22 Funktionsweise eines HUB
Bei diesem Hub handelt es sich um einen Hub der Spezifikation 2.0. Bei einem Hub vorangegangener Spezifikationen entfällt die Routing-Logic sowie der Transaction Translator. Für die Arbeitsweise des Hub ist ersteinmal wichtig, welche Bandbreite der Hub zum Root-Hub überhaupt zur Verfügung hat. Handelt es sich um keine High-Speed Verbindung, so wird der Transaction Translator deaktiviert. Die Routing-Logic lenkt jeden Downatream-Port auf den Hub-Repeater, der jetzt im Full-Speed-Modus arbeiten muss. Steht dem Hub eine High-Speed-Verbindung zum Host-Controller zur Verfügung, dann arbeitet der Hub-Repeater im High-Speed-Modus. Wird nun ein High-Speed Gerät an einen Downstream-Port angeschlossen, so leitet die Routing-Logic diesen Port auf den Hub-Repeater. Wird jedoch ein Low- oder Full-Speed-Gerät an einen Downstream-Port angeschlossen, so wird dieser Port von der Routing-Logic an den Transaction Translator umgeleitet. Dieser Transaction Translator führt also eine Art Tunneling durch, da er die Signale in High-Speed Signale umsetzt. Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Bewertung positiv negativ Ressourcen-Ersparnis Vereinfachung der Verkabelung USB beginnt sich zu etablieren USB-Peripherie unwesentlich teurer wenig Betriebssysteme unterstützen bisher USB Beachtung des Stromverbrauchs durch den Anwender Hochschule Bremen - Ingo Schöning

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Quellen USB 2.0 Spezifikation c‘t-Ausgaben 11/1995 02/1997 01/1998 10/2000 Hochschule Bremen - Ingo Schöning