Transcript USB-Bus

USB-Bus
UNIVERSAL SERIAL BUS
• Entwicklung
• Busstruktur
• Protokolle
• Datenübertragung
• Hardware
• Zukunftsaussichten
USB-Bus
ENTWICKLUNG
• USB 1.0
– 1995 von einer Gruppe von Computer- und
Telekommunikations- Unternehmen entwickelt (Intel, IBM,
Microsoft, Compaq, NEC)
– 1996 von Intel am Markt eingeführt
– Haupteinsatzgebiet
• Anschluss von Peripheriegeräten (12Mbit/s), für
Festplatten zu langsam.
– USB keine Konkurrenz zu FireWire aber durch
Marktdominanz von Intel durchgesetzt.
USB-Bus
ENTWICKLUNG
• USB 1.1
– Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation
– Fehler und Unklarheiten von USB 1.0 wurden behoben
– Geschwindigkeit von 12Mbit/s erhöhte sich nicht
– Sonst keine weiteren gravierenden Verbesserungen
USB-Bus
ENTWICKLUNG
• USB 2.0
– Folgestandard von USB 1.1
– Im Jahr 2000 Entwicklung von USB 2.0
– Entwickelt von Intel, Microsoft, Compaq, HP, NEC, Philips
– Maximale Datenrate 480Mbit/s dadurch Anschluss von
externen Festplatten möglich.
– Zu USB 1.0 und USB 1.1 abwärtskompatibel
– Nahezu jeder Computer wird heutzutage mit USB 2.0
Schnittstellen ausgestattet
USB-Bus
BUSSTRUKTUR
•
Serieller Master- Slave Bus
– Zentraler Host- Controller (Master) steuert die Peripherie (Slaves)
– Theoretisch bis zu 127 Geräte pro Master (7 Bit lange Kennung)
•
Pro USB- Port (Anschluss) nur ein Gerät
– USB ist kein physischer Datenbus (keine direkte Verbindung zu allen
Geräten).
– Elektrische Ausführung erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt- Verbindungen
(vgl. Firewire).
– Hubs als Verteiler (Baumstruktur)
USB-Bus
BUSSTRUKTUR
•
Host (Root): Ist am Motherboard oder als Adapter-Karte im PC eingebaut =
Master  Kontrolliert gesamten Datenverkehr und kann auch
als Hub funktionieren.
•
Hub (bus- and self powered): Verbindung zwischen Root und Device 
Power Management, Gerätedetektierung…
USB-Bus
BUSSTRUKTUR
•
Signalempfänger bildet die Differenzspannung
– Signal & invertiertes Signal auf 2 Datenleitungen (vgl. Firewire)
höhere Übertragungssicherheit
– 2 weitere Leitungen für Spannungsversorgung (bis max. 500mA pro Gerät)
•
Geschwindigkeiten 1,5MBit, 12Mbit bzw. 480 Mbit
– USB 1.0, USB1.1 und USB 2.0 untereinander kompatibel
•
Einsatzgebiete
– PC Peripherie (Drucker, Scanner, Webcams, Maus, Tastatur, aber auch Dongles
und sogar Grafikkarten und Monitore.)
– Sollte ältere Schnittstellen ersetzen (RS232, PS/2, LPT und analogen
Gameport)
– Nicht echtzeit-fähig
USB-Bus
BUSSTRUKTUR
•
Jedes Gerät hat eigene Kennung
– Geräteklasse, Hersteller, Seriennummer, Produktkennung, Stromversorgung
(bus- oder self-powered, maximaler Verbrauch), Transfer-Modi (isochron,
interrupt, bulk) für jedes Gerät definiert und im Microchip verspeichert
•
Initialisierung
– Host spricht Ebenenweise alle Knoten an und weiß dem Gerät eine ID zu
(vorher ID immer 0) und liest seine Informationen aus.
– USB ist ein „Polling-Bus“d.h. alle Aktivitäten gehen vom Host aus. Er Prüft in
regelmäßigen abständen ob Daten zu versenden sind.
USB-Bus
Protokoll
Per Universal Serial Bus (USB) lassen
sich Peripheriegeräte unkompliziert an
den Personal Computer anschließen.
Den paketorientierten Datenaustausch
zwischen den einzelnen Komponenten
regelt das USB-Protokoll.
USB-Bus
Protokoll
USB-Bus
Protokoll
•
Die Funktionsweise der NRZI-Codierung
(Non-Return-to-Zero-Inverted, Pegelwechsel
bei Auftreten der „ 0“)
•
Bit-Stuffing und NRZI-Data-Codierung
•
Mit einem Synchronisationsmuster wird
die Übertragung eines Paketes eingeleitet
•
Das Packet-Identifier-Feld Kennzeichnet
Den Packet-Typ
•
Mit 7 Bit sind im Adreßfeld 127
Einheiten ansprechbar
•
Das Endpunktfeld ist 4 Bit groß, das
entspricht 16 Endpunkten pro Device
USB-Bus
Protokoll
•
Das Datenfeld darf maximal 1023 Oktetts
Payload enthalten
•
Die Struktur des Token-Paketes
im Protocol
•
Das Start-of-Frame-Paket wird vom
Host ausgesendet
•
Das Format des Data-Paketes
•
Das Handshake-Paket
USB-Bus
Protokoll
USB-Bus
Protokoll
Control
Bulk
USB-Bus
Protokoll
Isochrone
Interrupt
USB-Bus
Datenübertragung
• Daten Transfer Arten
– Control Transfer
Host sendet Befehle an die Clients
– Interrupt Transfer
Host pollt auf Interrupt Ereignisse
– Bulk Transfer
Datenübertragung ohne Latenz (Echtzeitanforderung)
– Isochronous Transfer
Übertragung mit garantierter Latenz (Bsp. Audio Übertragung)
90% der Bandbreite werden für Interrupt und Isochronous Übertragung verwendet.
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Hardware
• Kabel
• 100 – 500 mA Stromaufnahme
• 5 m max. Länge (erweiterbar durch Repeater)
USB-Bus
Hardware
• Stecker
• Standart Typ A und B
• Mini Typ A und B
• Typ B 4-polig (Mitsumi,Aiptek..)
USB-Bus
Zukunftsaussichten
• WIRELESS USB
link
– WIRELESS USB 1.0
• Spezifikation 2005 durch Wireless USB Implementer Forum
• Datenübertragungsrate bis 480Mbit/s (3m Entfernung)
– WIRELESS USB 1.1
• Spezifikation 2007
• Grundlage für Datenübertragungen bis 960Mbit/s
• Weniger Stromverbrauch als WUSB1.1
USB-Bus
Zukunftsaussichten
• USB 3.0 (SuperSpeed-USB)
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Geschwindigkeiten bis 4,8Gbit/s sollen möglich sein
Optische Kabel werden eingesetzt link
Zusätzliche Leitungen (insgesamt neun, duplex fähig)
Höhere Stromstärke (900 mA)
Trotzdem abwärtskompatibel