USB

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USB Universal Serial Bus

• Geschichte, Technik, Kommunikation

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Inhalt

• Zur Geschichte
• Veröffentlichung der Spezifikationen
• USB 2.0
• USB und IEEE-1394
• USB On-the-go
• Minimalanforderungen
• Komponenten

1. Topologie
2. Aufgaben des Hosts
3. Grundzüge des Transfers
4. Enumeration Geräteerkennung
5. Wie kommuniziert der Host?
6. Hubs

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1 Geschichte

• Zuvor waren neue Schnittstellen meist das Werk
  einzelner Unternehmen, z.B. HP-Schnittstellen-Bus
  (GPIB), und stehen somit unter deren
  ausschließlicher Kontrolle.
• Daher sind neuere Schnittstellen meist Ergebnis
  einer Kooperation.
• In einigen Fällen fördern Organisationen wie IEEE
  oder TIA Entwicklungs-Komitees.
• In anderen Fällen gründen die Entwickler eines
  neuen Standards eine Organisation zur Freigabe
  und Betreuung.Dieser Zugang wurde beim USB
  gewählt.
• Urheberrecht für USB 1.1 liegt bei Compaq, Intel,
  Microsoft, NEC.

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1.1 Veröffentlichung der Spezifikationen

• Release 1.0 im Januar 1996
• Release 1.1 im September 1998 behob Probleme von
  1.0 und fügte einen Transfertyp hinzu,
  Interrupt-OUT
• Release 2.0 April 2000 mit integrierter
  High-Speed-Option
• Im Dezember 2000 wurden Korrekturen
  veröffentlicht und ein neuer Mini-B-Anschluss
  definiert

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1.2 USB 2.0

• Ein großer Schritt in der Entwicklung war Version
  2.0, die in der Hauptsache sehr viel schnellere
  Übertragungen verspricht.
• Ursprüngliche Erwartungen von 20facher Erhöhung
• Test zeigten dass eine 40fache Steigerung möglich
  war
• Übertragungsraten von 480Mbit/s machen USB
  wesentlich attraktiver für Peripheriegeräte wie
  Drucker, Scanner, Festplatten und
  Videoanwendungen.

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1.3 Der USB und der IEEE-1394
IEEE-1394 oder FireWire ist eine Realisierung
von Apple mit ahnlichen Ansätzen. Für viele
Geräte eignen sich auch beide Schnittstellen.

• USB eignet sich besonders für Peripheriegeräte
  mit niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit, wie
  Tastaturen, Drucker, Scanner, externe Laufwerke
• Bei USB steuert ein einzelner Host die
  Kommunikation mit vielen Geräten
• Den kompliziertesten Teil der Kommunikation
  übernimmt der Host, so dass die Elektronik der
  Peripheriegeräte relativ einfach und preiswert
  sein kann.

• FireWire eignet sich am besten für Video und
  schnelle Verbindungen
• Nutzt ein Peer-to-Peer-Modell, Geräte können
  direkt miteinander oder mit mehreren Empfängern
  kommunizieren
• FireWire ist somit flexibler, wobei aber die
  Elektronik der Peripheriegeräte komplizierter und
  teurer ist.

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1.4 USB On-the-go

• Ermöglicht direkte Kommunikation ohne Host
• Eines der Endgeräte übernimmt eingeschränkte
  Host-Funktionalität
• Spezifikation vom 18. Dezember 2001
• Anzahl der unterstützenden Geräte steigt
• Geräte müssen dem Standard entsprechen, auch ohne
  spezielle Treiber als externes Laufwerk erkannt
  zu werden.
• Z.B. Fotos von der Digicam direkt am Drucker
  ausdrucken

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2 Minimalanforderungen

• Hardwareunterstützung USB-Host-Controller mit
  Stammhub, Ports
• Durch Unterstützung der Hersteller besitzt
  ziemlich jeder neuere PC einen Host-Controller
  und min. 2 Anschlüsse.
• PC 2001 System Design Guide von Microsoft
  schreibt zwei USB-Ports vor
• Softwareunterstützung Betriebssystem mit
  USB-Funktionen
• Entwicklung eines USB-Geräts fällt wesentlich
  leichter, wenn Windows 98 oder höher
  vorausgesetzt wird
• Von Windows 95 zu Windows 98 wurde die
  USB-Unterstützung stark verbessert, und sie
  können nicht die gleichen Gerätetreiber nutzen.
• Bei Windows NT keine USB-Unterstützung, es müsste
  mit Produkten von Drittanbietern individuelle
  Gerätetreiber entwickelt werden.

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3 Komponenten

• Der Host ist ein Computer, der zwei Komponenten
  enthält, die zusammenarbeiten
• Host-Controller
• Formatiert die Daten zur Übertragung auf dem Bus
• Übersetzt empfangene Daten für das Betriebssystem
• Übernimmt Funktionen der Kommunikationsverwaltung
• Stammhub (Root Hub)
• Besitzt Steckverbinder zum Anschluss von Geräten
• Erkennt gemeinsam mit Controller Anschließen und
  Trennen von Geräten
• Führt Anforderungen des Host-Controllers aus
• Datenübertragung zw. Host-Controller und Geräten

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4 Topologie
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5 Aufgaben des Hosts
Anwendungsprogramme brauchen sich nicht um
Einzelheiten der Kommunikation zu kümmern. Sie
greifen dafür auf Standard-Betriebssystemfunktione
n zurück.

• Erkennen von Geräten
• Verwaltung des Datenflusses
• Fehlerüberprüfung
• Stromversorgung
• Datenaustausch mit Peripheriegeräten

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5.1 Erkennung von Geräten

1. Beim Einschalten melden die Hubs angeschlossene
   Geräte.
2. Enumeration Host ordnet Geräten Adressen zu und
   fordert Informationen an
3. Im laufenden Betrieb erfährt der Host vom
   Anschließen oder Trennen eines Geräts.
4. Abgeklemmte Komponente wird aus der Liste der für
   Anwendungen verfügbaren Geräte entfernt.

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5.2 Verwaltung des Datenflusses

• Wollen mehrere Peripheriegeräte senden, wird die
  verfügbare Zeit in Frames und Microframes
  unterteilt.
• Datenfluss wird in Frames zu einer Millisekunde
  unterteilt
• Jede Übertragung erhält Teile eines Frames oder
  Microframes.

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5.3 Fehlerüberprüfung

• Der Host fügt den übertragenen Daten
  Fehlerprüfbits an.
• Stimmt die Prüfsumme nicht überein, wird Empfang
  nicht bestätigt sodass die Daten erneut gesendet
  werden
• Auch andere Indikatoren möglich
• Host informiert den Treiber

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5.4 Stromversorgung

• Kabel enthält neben zwei Signalleitungen eine
  5V- und Masseleitungen
• Host arbeitet mit Gerät zusammen um Strom zu
  sparen
• Pro Bussegment max. 500mA
• Ports einiger batteriebetriebener PCs und Hubs
  unterstützen nur max. 100mA, doch Windows
  unterstützt keine Hosts mit herabgesetzter
  Leistungsabgabe

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5.5 Datenaustausch mit Peripheriegeräten

• Gerätetreiber können regelmäßige Kommunikation
  mit dem Peripheriegerät fordern
• Ansonsten kommuniziert der Host nur bei
  Anforderung durch Softwarekomponenten
• Probleme werden der entsprechenden Anwendung
  vermittelt.

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6 Grundzüge des Transfers

• Ein 1.x-Host unterstützt Low- und Full-Speed
• Ein 2.0-Host zusätzlich High-Speed
• 1.x-Hubs wandeln Geschwindigkeit nicht um,
  sondern leitet nur weiter und ändert die
  Flankenrate entsprechend
• 2.0-Hubs müssen High-Speed umwandeln können, und
  beherrschen Funktionen zur effizienten Nutzung
  der Buszeit
• Intelligenz führt zur Kompatibilität mit
  1.x-Hardware

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Je nach Verwendungszweck gibt es zwei Kategorien
der USB-Kommunikation

• Anfangskonfiguration
• Konfigurationsabfragen Host lernt das Gerät
  kennen und bereitet es für Datenaustausch vor.
• Findet während der Enumeration statt
• Anwendungskommunikation
• Austausch zwischen Anwendungen und enumerierten
  Geräten
• Transfers, über die die eigentlichen
  Gerätefunktionen ausgeführt werden

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Jeder Transfer besteht aus Transaktionen. Jede
Transaktion besteht aus Paketen mit Informationen.

• Alle Übertragungen finden zwischen Endpunkten
  statt.
• Host enthält ebenfalls Puffer für empfangene oder
  sendebereite Daten, aber keine Endpunkte, er ist
  Ausgangspunkt
• Vor Transfer wird eine Pipe eingerichtet,
  Verbindung zwischen Endpunkt und der
  Host-Controller-Software
• Der Host stellt die Kanäle vor der Enumeration
  her.
• Alle Geräte verfügen für Setup-Transaktionen über
  eine Standard-Control-Pipe, die den Endpunkt 0
  benutzt.

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7 Enumeration - Geräteerkennung

• Es ist Aufgabe des Hubs, zu erkennen wenn Geräte
  angeschlossen oder entfernt werden.
• Ereignisse werden über Interrupt-IN-Kanal dem
  Host gemeldet
• Beim Booten des Systems fragt der Host seinen
  Stammhub nach Geräten und Hubs ab, danach
  periodisch
• Wenn neues Gerät vorhanden, sendet er
  Anforderungen an den Hub, dieser stellt Pipe her
• Gerät wird enumeriert durch Control-Transfers mit
  Standard-USB-Anforderungen an Endpunkt 0.
• Erfolgreich, wenn Rückgabe der geforderten
  Informationen und Ausführung geforderter Aktionen
• Am Ende wird ein Eintrag im Gerätemanager
  hinzugefügt.

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Schritte der Enumeration

1. Der Anwender verbindet ein Gerät mit einem
   USB-Port.
2. Der Hub erkennt das Gerät.
3. Der Host erfährt vom neuen Gerät.
4. Low-Speed- oder ein Full-Speed-Gerät?
5. Der Hub setzt das Gerät zurück.
6. Unterstützt Full-Speed-Gerät den
   High-Speed-Modus?
7. Der Hub stellt einen Signalpfad zwischen Gerät
   und Bus her.
8. Der Host ermittelt die maximale Paketgröße des
   Standardkanals.
9. Der Host ordnet eine Adresse zu.
10. Der Host ermittelt die Fähigkeiten des Geräts
11. Der Host ordnet einen Gerätetreiber zu und lädt
    ihn.
12. Der Gerätetreiber des Hosts wählt eine
    Konfiguration aus.

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8 Wie kommuniziert der Host?

• Gerätetreiber Softwarekomponente, die
  Anwendungen den Zugriff auf Hardwarekomponenten
  ermöglicht
• Einige Gerätetreiber sind Klassentreiber, die
  eine Kommunikation mit ähnlichen Geräten
  ermöglichen
• Datenkapselung GT benötigen keine Einzelheiten
  über physische Verbindung, Signale, Protokolle
• Zugriff des Anwendungscodes auf Geräte über deren
  Name oder Funktion
• Art der Schnittstelle für Anwendungen irrelevant,
  da Anwendungscode derselbe bleiben kann, wenn
  Hardware-Details auf niedriger Ebene geregelt
  werden

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8.1 Das Win32-Treibermodell (WDM)

• USB-Gerätetreiber für Windows müssen dem von
  Microsoft definierten Win32-Treibermodell
  entsprechen
• Low-Level-Treiber
• Kommunizieren mit dem Betriebssystem auf
  niedriger Ebene, wo ihnen mehr Rechte zustehen
• Kann Zugriffe auf Geräte erlauben oder verweigern
• Fähig zu DMA-Transfers und Reaktion auf Interrupts

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9 Hubs

• Jeder Hub besitzt einen upstream- und mindestens
  einen downstream-Port - meist 2, 4 oder 7
• Externe Hubs bestehen aus zwei Hauptkomponenten
• Hub-RepeaterWeiterleitung des USB-Verkehrs
  zwischen Stammhub des Hosts oder einem anderen
  upstream-Hub und angeschlossenen (aktivierten)
  Geräten
• Hub-ControllerKommunikation zwischen Host und
  Hub-Repeater
• 2.0-Hubs besitzen zusätzlich Transaktionswandler
  und interne Routig-Logik zur Kommunikation mit
  Low- und Full-Speed-Geräten an einem
  High-Speed-Bus

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• Danke für ihre Aufmerksamkeit!