Der USB Bus (Universal Serial Bus)

Dezember 2016

Vorstellung des USB Busses

Der USB Bus (Universal Serial Bus, auf Deutsch Serieller Universalbus) basiert, wie sein Name besagt, auf einer Architektur von serieller Art. Es handelt sich jedoch um eine Ein-/Ausgangsschnittstelle, wie viel schneller ist als ein standardmäßiger serieller Anschluss . Die für diesen Anschlusstyp gewählte Architektur ist hauptsächlich aus zwei Gründen seriell :

  • Die serielle Architektur erlaubt einen sehr viel höheren Taktrhythmus als eine Parallelschnittstelle, die zu hohe Frequenzen nicht erträgt (in einer Architektur mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit kommen die Bits, die auf jedem Draht verkehren mit Zeitverschiebung an, was zu Fehlern führt);
  • Serielle Kabel kosten sehr viel weniger als Parallelkabel.

Die USB Normen

So ist ab 1995 der USB Standard für viele verschiedene Peripheriegeräte entwickelt worden.

Der Standard USB 1.0 bietet zwei Kommunikationsmodi :

  • 12 Mb/s im Hochgeschwindigkeitsmodus
  • 1.5 Mb/s bei niedriger Geschwindigkeit

Der Standard USB 1.1 bietet den USB Peripheriegerät-Herstellern ein paar Präzisionen, verändert aber die Übertragungsgeschwindigkeit nicht. Die Peripheriegeräte die USB 1.1 zertifiziert sind, tragen folgendes Logo :

Logo USB

Die Norm USB 2.0 ermöglicht es Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 480 Mbit/s zu erreichen. Die Peripheriegeräte die USB 2.0 zertifiziert sind, tragen folgendes Logo :

Logo USB 2.0

Wenn kein Logo vorhanden ist, sollte man in der Begleitdokumentation des Produktes nachlesen ob es sich um ein Peripheriegeräte mit niedriger oder hoher Übertragungsgeschwindigkeit handelt, da die Steckverbinder identisch sind.

Die Kompatibilität zwischen Peripheriegeräten USB 1.0, 1 und 2.0 ist sichergestellt. Jedoch begrenzte die Benutzung eines Peripheriegerätes USB 2.0 auf einem USB Anschluss mit niedriger Geschwindigkeit (zum Beispiel 1.0 oder 1.1), die Übertragungsgeschwindigkeit auf maximal 12 Mbit/s. Außerdem kann das Betriebssystem eine Nachricht anzeigen, die erklärt das die Übertragungsgeschwindigkeit gemindert ist.

Steckverbindertypen

Es gibt zwei Typen von USB Steckverbinder :

  • Die sogenannten Steckverbinder von Typ A, deren Form rechteckig ist und die meist für Peripheriegeräte benutzt werden, die wenig Bandbreite brauchen (Tastatur, Maus, Webcam, usw.);
  • Die sogenannten Steckverbinder von Typ B, deren Form quadratisch ist und die meist für Peripheriegeräte mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit benutzt werden (externe Festplatten, usw.).

Connecteurs USB de type A et de type B

  1. Netzanschluss +5 V (VBUS) 100mA maximum
  2. Daten (D-)
  3. Daten (D+)
  4. Masse (GND)

Funktionsweise des USB Busses

Die USB Architektur zeichnet sich dadurch aus, dass sie die angebundenen Peripheriegeräte mit Strom versorgt, bis zu 15 W maximal pro Peripheriegerät. Dafür verwendet sie ein Kabel bestehend aus vier Drähten (die Masse GND, die Stromversorgung VBUS und zwei Daten-Drähte, genannt D- und D+).

le câble USB

Die USB Norm erlaubt die Ankettung von Peripheriegeräten, unter Verwendung einer Bus- oder Sterntopologie. Die Peripheriegeräte können also entweder eins nach dem anderen angeschlossen sein, oder aber verzweigt.
Die Verzweigung erfolgt mithilfe von Gehäusen die« Hubs » (auf Deutsch Konzentratoren) genannt werden, und über einen Eingang und mehrerer Ausgänge verfügen. Manche sind aktiv (liefern elektrischen Strom), andere sind Passiv (werden über den Computer versorgt).

topologie en bus des ports USB

topologie en étoile des ports USB

Die Kommunikation zwischen dem Host (der Computer) und den Peripheriegeräten erfolgte nach einem Protokoll(Kommunikationssprache) die auf dem Token Ring- Prinzip basiert (token ring). Dies bedeutet das die Bandbreite zeitweilig unter allen angeschlossenen Peripheriegeräten geteilt wird. Der Host (der Computer) sendet ein Sequenz-Anfangs-Signal jede Millisekunde (MS), entsprechend dem Zeitintervall, indem er gleichzeitig jedem einzelnen das "Wort" erteilt. Wenn der Host mit einem Peripherie Gerät kommunizieren möchte, so sendet er eine Markierung (ein Datenpaket welches die Adresse des Peripheriegerätes auf 7 Bits codiert enthält) die ein Peripheriegerät bezeichnet. So entscheidet also der Host über den "Dialog " mit den Peripheriegeräte. Wenn das Peripheriegerät seine Adresse in der Markierung erkennt, so sendet es ein Datenpaket (zwischen 8 und 255 Oktett) als Antwort, andernfalls leitet es das Paket an die anderen Peripheriegeräten weiter. Die so ausgetauschten Daten sind codiert, nach der Kodierung NRZI.

Da die Adress auf 7 Bits codiert ist, können 128 Peripheriegeräte (2^7) gleichzeitig an einen Anschluss diesen Typs angeschlossen werden. Tatsächlich beträgt diese Anzahl aber 127 denn die Adresse 0 ist eine reservierte Adresse. (Siehe unten).

Mit einer Maximalkabellänge zwischen zwei Peripheriegeräten von 5 m und einer maximalen Anzahl von 5 (angeschlossenen) Hubs, ist es möglich eine 25 m lange Kette zu bilden!

Die USB Anschlüsse ertragen den Hot plug and play. So können Peripheriegeräte angeschlossen werden ohne den Computer auszuschalten (Anschluss bei Betrieb, auf Englisch hot plug). Bei Anschluss des Peripheriegeräte an den Host, bemerkt dieser das Zufügen des neuen Elementes, dank der Spannungsänderung zwischen den Drähten D+ und D-. Der Computer schickt dann während 10 MS dem Peripheriegerät ein Initialisierungssignal, und liefert dann Strom über die Drähte GND und VBUS (Bis 100mA). Das Peripheriegerät wird dann mit Strom versorgt und erhält vorübergehend die Standardadresse (Adresse 0). In der folgenden Etappe wird ihm seine endgültige Adresse zugeteilt (dies ist die Aufzählungsprozedur). Dafür befragt der Computer die schon angeschlossenen Peripheriegeräte nach ihren jeweiligen Adressen und erteilt eine dem neuen Gerät, welches sich umgehend identifiziert. Der Host verfügt nun über alle notwendigen Merkmale und kann den passenden Piloten laden.

Mehr Informationen

Die kompletten Spezifizierungen des USB Standards können von folgender Webseite runtergeladen werden USB Implementers Forum :


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