Der USB (Universal Serial Bus)
USB ist inzwischen der meistgenutzte Anschluss für Peripheriegeräte. Egal ob externe Festplatten, Drucker oder DVD-Player: die meisten werden über USB-Stecker mit dem Computer verbunden.
Was ist ein USB-Bus?
Der USB Bus (Universal Serial Bus, auf Deutsch Serieller Universalbus) basiert auf einer Architektur serieller Art. Es handelt sich jedoch um eine Ein-/Ausgangsschnittstelle, die 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
Der USB-Standard für viele verschiedene Peripheriegeräte wurde ab 1995 entwickelt.
Der Standard USB 1.0 bietet zwei Kommunikationsmodi: 12 Mbit/s im Hochgeschwindigkeitsmodus und 1.5 Mbit/s bei niedriger Geschwindigkeit.
Der Standard USB 1.1 bietet den USB-Peripheriegeräte-Herstellern ein paar Präzisierungen, verändert aber die Übertragungsgeschwindigkeit nicht. Peripheriegeräte, die für USB 1.1 zertifiziert sind, tragen folgendes Logo:
Die Norm USB 2.0 ermöglicht Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 480 Mbit/s. Peripheriegeräte, die für USB 2.0 zertifiziert sind, tragen dieses Logo:
Die Norm USB 3.0 wurde 2008 vorgestellt und erhöht die Übertragungsgeschwindigkeit auf bis zu 5 Gbit/s. Peripheriegeräte, die für USB 2.0 zertifiziert sind, tragen dieses Logo:
Wenn kein Logo vorhanden ist, sollte man in der Begleitdokumentation des Produkts nachlesen, ob es sich um ein Peripheriegerät mit niedriger oder hoher Übertragungsgeschwindigkeit handelt, da die Steckverbinder identisch sind.
Die Kompatibilität zwischen Peripheriegeräten mit USB 1, 2 und 3 ist sichergestellt. Wird jedoch ein Peripheriegerät mit hoher Geschwindigkeit an einem USB-Anschluss mit niedrigerer Geschwindigkeit betrieben, ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf die des Anschlusses begrenzt. Außerdem kann das Betriebssystem eine Nachricht anzeigen, die erklärt, dass die Übertragungsgeschwindigkeit gemindert ist.
Steckverbindertypen
Es gibt zwei Typen von USB-Steckverbindern:
die sogenannten Steckverbinder vom Typ A, deren Form rechteckig ist und die meist für
Peripheriegeräte benutzt werden, die wenig Bandbreite brauchen (Tastatur, Maus, Webcam usw.);
die sogenannten Steckverbinder vom Typ B, deren Form quadratisch ist und die meist für Peripheriegeräte mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit benutzt werden (zum Beispiel externe Festplatten).
Funktionsweise des USB-Busses
Die USB-Architektur zeichnet sich dadurch aus, dass sie die angebundenen Peripheriegeräte mit Strom versorgt, und zwar bis zu 15 W maximal pro Peripheriegerät. Dafür verwendet sie ein Kabel, das aus vier Drähten besteht: die Masse GND, die Stromversorgung VBUS (Netzanschluss +5 V, 100mA maximum) und zwei Daten-Drähte, genannt D- und D+.
Der USB-Standard 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 mit Hilfe von Gehäusen die Hubs (auf Deutsch Konzentratoren) genannt werden und die über einen Eingang und mehrere Ausgänge verfügen. Manche sind aktiv (liefern elektrischen Strom), andere sind passiv (werden über den Computer versorgt):
Die Kommunikation zwischen dem Host (der Computer) und den Peripheriegeräten erfolgt nach einem Protokoll (Kommunikationssprache), das auf dem Token-Ring-Prinzip basiert. Dies bedeutet, dass die Bandbreite zeitweilig unter allen angeschlossenen Peripheriegeräten geteilt wird.
Der Host (der Computer) sendet ein Sequenzanfangssignal jede Millisekunde (ms), entsprechend dem Zeitintervall, in dem er gleichzeitig jedem einzelnen das "Wort" erteilt. Wenn der Host mit einem Peripheriegerät kommunizieren möchte, so sendet er eine Markierung (ein Datenpaket, welches die Adresse des Peripheriegeräts auf 7 Bits codiert enthält), die dieses Peripheriegerät bezeichnet. So entscheidet also der Host über den "Dialog" mit den Peripheriegeräten.
Wenn das Peripheriegerät seine Adresse in der Markierung erkennt, so sendet es ein Datenpaket
(zwischen 8 und 255 Byte) als Antwort. Andernfalls leitet es das Paket an die anderen Peripheriegeräte weiter. Die so ausgetauschten Daten sind codiert nach der Codierung NRZI.
Da die Adresse auf 7 Bits codiert ist, können 128 Peripheriegeräte (27) 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 fünf Metern und einer maximalen Anzahl von fünf (angeschlossenen) Hubs, ist es möglich eine 25 Meter lange Kette zu bilden.
Die USB-Anschlüsse unterstützen 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 Hinzufügen des neuen Elements dank der Spannungsänderung zwischen den Drähten D+ und D-. Der Computer schickt innerhalb von 10 ms dem Peripheriegerät ein Initialisierungssignal und liefert dann Strom über die Drähte GND und VBUS (bis 100mA). Das Peripheriegerät wird also mit Strom versorgt und erhält vorübergehend die Standardadresse (Adresse 0).
In der folgenden Etappe wird ihm seine endgültige Adressezugeteilt (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 Treiber laden.
Die kompletten Spezifizierungen des USB-Standards können sich von dieser Webseite des Zusammenschlusses von USB-Herstellern, dem USB Implementers Forum, herunterladen.
Foto: © Pixabay.
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