Universal Serial Bus
Der Universal Serial Bus (USB) [] ist ein Bussystem zur Verbindung eines Computers mit Zusatzgeräten. Ein USB-Anschluss belegt wenig Platz und kann einfache Geräte wie Mäuse, Telefone oder Tastaturen mit Strom versorgen. Mit USB ausgestattete Geräte können im laufenden Betrieb miteinander verbunden werden (Hot-Plugging), angeschlossene Geräte und deren Eigenschaften können automatisch erkannt werden. Moderne Computer haben meist zwei bis sechs USB-Schnittstellen. Stehen zu wenig USB-Anschlüsse zur Verfügung, kann man über preiswerte Hubs mehrere – bis zu 127 – USB-Geräte an einer Schnittstelle betreiben.
USB eignet sich für viele Geräte wie Drucker, Scanner, Webcams, Maus, Tastatur, aber auch Dongles. Einige Geräte sind überhaupt erst mit USB entstanden, wie z.B. USB-Speichersticks. Seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich, dadurch ist der USB zum Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Foto-Kameras geeignet. USB ersetzt zunehmend ältere serielle und parallele Anschlüsse, aber auch PCI-Bussysteme, PCMCIA-Slots oder FireWire.
Geschichte und Entwicklung
Die Idee eines Universalbusses für Peripheriegeräte geht unter anderem auf eine Entwicklung von Apple zurück: Der Apple Desktop Bus (ADB) wurde in den Computern der Apple Macintosh-Modellreihe bereits in den 1980er Jahren eingeführt und hatte eine Datenrate von 10.000 Bit/s. Bereits der ADB verfolgte das Ziel, das Kabelgewirr auf, um und unter dem Schreibtisch zu reduzieren und verband dazu beispielsweise einfach die Maus mit der Tastatur und diese mit dem Computer; separate Datenleitungen wurden so eingespart.
Den heutigen universellen seriellen Bus (USB 1.0) entwickelte Intel, die Markteinführung erfolgte 1996. Der Bus war zum Anschluss von Geräten an den PC konstruiert. Er sollte die Nachfolge für eine ganze Reihe von damals verwendeten PC-Schnittstellen antreten und diese vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auch andere Peripheriegeräte wie Drucker und Scanner mit ein. Der erste Standard, USB 1.0, sah eine Bitrate von maximal 1,5 MBit/s vor. Massenspeicher – wie etwa Festplatten – wurden zu Beginn nicht als ein wesentlicher Anwendungsfall von USB gesehen, grundsätzlich aber unterstützt.
Intel war Vorreiter bei der Markteinführung. Als erste Chipsätze unterstützten 1997 die Intel-Produkte 430HX und 430VX den USB. Erst 1998 wurde die Schnittstelle auch mit der Einführung des iMac im Hause Apple eingeführt. Bei diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen ADB durch den USB – damit war die systemübergreifende Akzeptanz dieser Schnittstelle etabliert.
Ab Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der 1.0 Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit erhöhte sich von 1.5 MBit/s auf 12 MBit/s. USB 1.x stellte deshalb keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394) dar, der von Anfang an eine Datenrate von 100 MBit/s bot und rasch auf 400, 800 und schließlich 1.600 MBit/s (IEEE 1394b, ab April 2002) beschleunigt wurde.
Im Jahr 2000 folgte die Spezifikation für USB 2.0, die vor allem die Datenrate auf bis zu 480 MBit/s (60 MByte/s) erweiterte und so den sinnvollen Anschluss von Festplatten oder Videogeräten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt. Zu beachten ist hierbei allerdings, dass pro Anschluss nur max. 500 mA zur Verfügung stehen. Dies reicht für externe Festplatten meist aber nicht aus, weswegen oft ein externes Netzteil benötigt wird. Aktuelle 3,5"-Festplatten benötigen zum Beispiel einen Startstrom, der deutlich über einem Ampere liegt, welcher weder durch die integrierte Stromversorgung von USB noch von FireWire abgedeckt wird.
Überblick
USB ist ein bitserieller Bus, die einzelnen Bits des Datenpaketes werden also nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt differentiell über zwei verdrillte Leitungen, eine überträgt das Datensignal unverändert und die andere das invertierte Signal. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungshub zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß. Dies erhöht die Übertragungssicherheit, unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert nebenbei die elektromagnetische Verträglichkeit.
Zwei weitere Leitungen dienen, falls nötig, zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Durch Verwendung von vier Adern in einem Kabel können diese dünner und preiswerter als bei parallelen Schnittstellen ausgeführt werden. Eine hohe Datenübertragungsrate ist mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale mit identischem elektrischen und zeitlichen Verhalten übertragen werden müssen.
Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (dem sog. MASTER) vor, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den sog. Slave-Clients) übernimmt. Daran können bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einen USB-Port kann immer nur ein einzelnes USB-Gerät angeschlossen werden. Wenn an einen Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen, muss deshalb ein Verteiler (Hub) für die Kopplung dieser Geräte sorgen. Durch den Einsatz von Hubs entstehen Baumstrukturen, die alle im Hostcontroller enden.
Der USB ersetzt die älteren PC-Schnittstellen RS232 (seriell), Gameport, die Centronics-Schnittstelle sowie die PS/2-Schnittstelle für Tastatur und Maus. Im Vergleich zu diesen bietet USB deutlich höhere Datenübertragungsraten. USB überträgt seine Daten jedoch in Paketen, für manche zeitkritische Anwendungen ist er deshalb weniger geeignet – etwa bei nur mit wenigen Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde.
Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein physischer Datenbus. Bei einem solchen werden mehrere Geräte parallel an eine Leitung angeschlossen. Die Bezeichnung „Bus“ bezieht sich auf die logische Vernetzung, die tatsächliche elektrische Ausführung erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
USB-Stecker und -Kabel
USB-Stecker
-
USB-Stecker Typ A -
Verschiedene USB-Stecker. Von links nach rechts: Typ A, Typ B, Typ Mini-B 5-polig (Standard), Typ Mini-B 4-polig (Mitsumi), Typ Mini-B 4-polig (Aiptek) -
USB-Standardstecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht
-
USB-Ministecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht
Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs- und vertauschungssicher gestaltet. In Richtung des Hostcontrollers (Upstream) werden flache Stecker (Typ A "DIN IEC 61076-3-107") verwendet. Zum angeschlossenen Gerät hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische Stecker (Typ B "DIN IEC 61076-3-108") angeschlossen. Für Geräte mit geringerem Platzangebot (z. B. digitale Kameras) existieren auch kompaktere Steckervarianten, die Mini-USB-Stecker. Derer gibt es je nach Gerätehersteller verschiedene Bauformen mit verschieden vielen Anschlusspins (bis zu 8, siehe Bild). Im USB-Standard verankert ist lediglich der fünfpolige, entfernt dachähnliche Stecker (auf dem Foto in der Mitte abgebildet).
Für den industriellen Einsatz gibt es noch USB-12V und USB-24V, bei denen neben dem USB-Typ-A-Stecker die Spannungsversorgung mitgeführt wird. Diese Stecker sehen nicht rechteckig aus, sondern mehr quadratisch (wie 2 Stecker in einem gemeinsamen Gehäuse, der USB-Teil ist unverändert USB Typ A). Mittels eines außen angebrachten Verpolungsschutzes wird verhindert, dass USB-12V Stecker in USB-24V Buchsen gesteckt werden können.
USB-Kabel
In einem USB-Kabel werden vier Adern benötigt. Zwei Adern übertragen dabei die Daten, die anderen beiden Adern versorgen das angeschlossene Gerät mit einer Spannung von 5 V. Der USB-Spezifikation entsprechende Geräte dürfen bis zu 500 mA aus dem USB beziehen, Geräte mit einer Leistung von bis zu 2,5 W können also über den Bus mitversorgt werden.
Die Kabel müssen je nach Geschwindigkeit unterschiedlich abgeschirmt werden. Kabel, die lediglich der Spezifikation low speed entsprechen, dürfen über keinen B-Stecker verfügen, sondern müssen fix am Gerät montiert sein oder einen herstellerspezifischen Stecker verwenden. Der Grund dafür ist, dass die geringe Abschirmung des Kabels zu Problemen bei Geräten mit höheren Geschwindigkeiten führen kann.
Die Länge eines Kabels vom Hub zum Gerät ist auf 5 Meter begrenzt. Low-Speed-Kabel werden von der Spezifikation auf 3 m beschränkt, dies ist technisch jedoch unbegründet und wird voraussichtlich in einer zukünftigen Fassung der Spezifikation entfallen. Die Spezifikation schließt Verlängerungen aus. Längere Strecken kann man überwinden, indem USB-Hubs dazwischengeschaltet werden. Sogenannte Aktive USB-Verlängerungskabel entsprechen in ihren Funktionen einem Bus-Powered-Hub (s. u.) mit einem einzigen Downstream Port und einem fest angeschlossenen Kabel am Upstream Port. Da die elektrischen Auswirkungen dieser Kabel im USB-Bus denen eines Bus-Powered USB-Hubs mit 5 m Kabel entsprechen, sollten bei ihrer Verwendung zusätzlich die Beschränkungen beim Verschachteln von USB-Hubs beachtet werden.
USB arbeitet mit einem differentiellen Widerstand von 90 Ω, direkte Verbindungskabel sollten daher auch in diesem Wellenwiderstandswert ausgeführt sein.
Eine Alternative zum Überbrücken von Längen über 30 m sind die so genannten USB-Line-Extender. Ein USB-Line-Extender besteht aus zwei Komponenten: Einem Base-Modul, welches an den Computer angeschlossen wird, und einem Remote-Modul für den Anschluss des USB-Gerätes. Zur Distanzüberbrückung zwischen diesen beiden Komponenten werden Ethernetkabel eingesetzt. Die maximale Länge des Ethernetkabels ist auf 45 m begrenzt.
Farbcodierung und Pinouts
| Pin | Name | Farbe | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 1 | VCC | Rot | +5V |
| 2 | D- | Weiß | Data - |
| 3 | D+ | Grün | Data + |
| 4 | ID | keine | erlaubt Unterscheidung von
Mini-A und Mini-B-Stecker |
| 5 | GND | Schwarz | Masse |
| Pin | Name | Farbe | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 1 | VCC | Rot | +5V |
| 2 | D- | Weiß | Data - |
| 3 | D+ | Grün | Data + |
| 4 | GND | Schwarz | Masse |
Der USB-Standard legt neben der Belegung der Schnittstelle auch die Namen der einzelnen Stecker-Pins und die Adernfarbe fest. Die Nummer eines Stecker-Pins kann in den oben angeführten Schemazeichnungen abgelesen werden.
Geschwindigkeiten und Datenraten
USB erlaubt es einem Gerät, mit 1,5 Mbit/s (Low Speed), 12 Mbit/s (Full Speed) oder mit 480 Mbit/s (High Speed, ab USB 2.0 verfügbar) Daten zu übertragen. Diese Raten basieren auf dem Systemtakt der jeweiligen USB-Geschwindigkeit und stellen die physikalische Datenübertragungsrate dar. Die tatsächlich nutzbare Datenrate liegt – z. B. durch Protokolloverhead – darunter; bei aktuellen Systemen in der Größenordnung 320 Mbit/s.
Wird die Schnittstelle eines Geräts mit „USB 2.0“ angegeben, heißt das nicht unbedingt, dass dieses Gerät auch die High-Speed-Datenrate von 480 MBit/s anbietet. Standpunkt der Anbieter ist dabei, dass ein USB-2.0-kompatibles Gerät grundsätzlich jede der drei Geschwindigkeiten benutzen kann und die 2.0-Kompatibilität in erster Linie bedeutet, dass die neueste Fassung der Spezifikation eingehalten wird. 480 MBit/s dürfen also nur erwartet werden, wenn ein Gerät mit dem Logo „Certified USB Hi-Speed“ ausgezeichnet ist.
Die Kommunikation bei USB wird vom Hostcontroller, der in der Regel im PC sitzt, gesteuert. Nur dieser kann Daten von einem Gerät lesen oder zu einem Gerät senden. Ein Gerät darf nur dann Daten zum Hostcontroller senden, wenn es von diesem abgefragt wird. Bei zeitkritischen Datenströmen, wie etwa bei Mausbewegungen, muss sich der Hostcontroller häufig genug beim Gerät erkundigen, ob es Daten senden will um ein Ruckeln zu verhindern.
Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten ist gemäß dem USB-Standard eigentlich nicht möglich; dies wurde erst durch die Erweiterung USB On-the-go ermöglicht. Der FireWire-Standard, der für ähnliche Einsatzzwecke wie USB geschaffen wurde und mit diesem in Konkurrenz steht, bietet im Gegensatz zu USB die Möglichkeit einer Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen Geräten, ohne dass die Steuerung durch einen Host erforderlich ist. Somit ist über FireWire etwa der Aufbau eines Netzwerks möglich.
Software-Architektur
Alle USB-Transaktionen werden durch die USB-Software auf dem Host-Computer realisiert. Dies geschieht durch den jeweiligen USB-Gerätetreiber, der mit seinem Gerät kommunizieren will. Der USB-Treiber ist die Schnittstelle zwischen dem USB-Gerätetreiber und dem USB-Host-Controller.
USB-Gerätetreiber
Die Aufgabe des USB-Gerätetreibers (USB-Device-Driver) ist die Erzeugung von Anfragen (Requests) an den USB-Bustreiber. Für eine Anfrage werden I/O-Request-Packets (IRP) verwendet. Diese IRPs initiieren einen Transfer von oder zu USB-Geräten (z. B. Interrupt-Transfer der Tastatur durch Erzeugung eines entsprechenden IRP auslösen).
USB-Bustreiber
Der USB-Bustreiber (USB-Driver) kennt die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen USB-Geräte, zum Beispiel die Datenmenge pro Frame oder Abstände zwischen den periodischen Zugriffen. Diese Eigenschaften erkennt der USB-Bustreiber beim Analysieren der Geräte-Deskriptoren während der Konfigurationsphase. Wenn der USB-Bustreiber ein IRP von einem USB-Gerätetreiber erhält, erzeugt er entsprechend diesem Request einzelne Transaktionen, die innerhalb des Übertragungsrahmens (Frame) von 1 ms ausführbar sind.
USB-Host-Controller-Treiber
Der USB-Host-Controller-Treiber (Host-Controller-Driver) organisiert die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen (Scheduling). Dazu baut der USB-Host-Controller-Treiber eine Folge von Transaktionslisten auf. Jede dieser Listen besteht aus den noch nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung eines Gerätes, welches am Bus angeschlossen ist. Sie definiert die Reihenfolge der Transaktionen innerhalb des 1-ms-Zeitrahmens. Der USB-Bustreiber kann eine einzelne Anfrage für einen Datentransfer in mehrere Transaktionen zerlegen. Das Scheduling hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren wie Transferart, Geräteeigenschaften und Busbelastung ab. Der USB-Host-Controller-Treiber löst die Transaktionen dann über den Root-Hub aus. Dieser setzt der Reihe nach alle Transaktionen, die in der aktuellen Liste enthalten sind, um.
USB-Hubs
Allgemeines
Ein USB-Hub ist eine spezielle Art von USB-Gerät, welches das USB-Signal an zusätzliche Ports zum Anschluss von mehreren weiteren Geräten weiterleitet. Handelsüblich sind USB-Hubs mit bis zu sieben Downstream-Ports.
Hubs können ihren Strom aus dem Bus selbst beziehen (Bus-Powered), oder über eine eigene Stromversorgung verfügen (Self-Powered). Die meisten Self-Powered Hubs werden über ein Steckernetzteil mit Strom versorgt. Manche Monitore haben auch einen USB-Hub eingebaut, die über die Stromversorgung des Monitors mitgespeist werden. Self-Powered Hubs haben den Vorteil, dass jedes an sie angeschlossene Gerät bis zu 500 mA Strom beziehen kann. Bei Bus-Powered Hubs dürfen der Hub und alle an ihn angeschlossenen Geräte gemeinsam maximal 500 mA beziehen. Hybride Self- und Bus-Powered Hubs sind möglich – der Hub ist dann Self-Powered, wenn ein Netzteil an ihn angeschlossen ist und ansonsten Bus-Powered. Teilweise werden Bus-Powered Hubs auch als „passiv“ und Self-Powered Hubs als „aktiv“ bezeichnet, dies ist technisch jedoch falsch.
Bei der Verschachtelung von Hubs werden die Grenzen durch die maximal 127 möglichen USB-Geräte und durch die Signallaufzeit festgelegt – jeder Hub erhöht die Laufzeit, die Verschachtelungstiefe ist auf maximal 5 (Hub-)Ebenen unterhalb des Hostcontrollers bzw. des Root-Hubs begrenzt. Die maximale Distanz zwischen zwei mit USB verbundenen Geräten liegt wegen des Limits von 5 m pro USB-Kabel bei 30 m – 6 Kabel mit je 5 m Länge und dazwischen 5 Hubs.
USB 2.0 und Hubs
Low-, Full- und High-Speed-Geräte lassen sich an einem USB-2.0-Host fast beliebig mischen, ohne dass Geschwindigkeitsnachteile entstehen. Hubs nach dem USB-1.x-Standard können an USB-2.0-Hosts verwendet werden. Geräte, die direkt oder indirekt an einen solchen Hub angeschlossen werden, können allerdings lediglich die Geschwindigkeit Full Speed erreichen, also 12 MBit/s.
Ein USB-2.0-Host und ein USB-2.0-Hub kommunizieren immer mit High Speed, selbst wenn an dem Hub Low- oder Full-Speed-Geräte angeschlossen sind. Es ist Aufgabe des Hubs, die Daten dieser Geräte in das High-Speed-Protokoll zu verpacken, der Hub hat dazu einen oder mehrere sogenannte „Transaction Translators“ eingebaut. Die Anzahl der Transaction Translators bestimmt, wie viele langsame Geräte an einen USB-2.0-Hub angeschlossen werden können, ohne sich gegenseitig auszubremsen. Werden an einen Host mehr langsame Geräte angeschlossen als Transaction Translators verfügbar sind, so bricht die Datenrate aller an diesen Host angeschlossenen Low-Speed- und Full-Speed-Geräte auf Geschwindigkeiten deutlich unter denen eines USB-1.1-Hosts ein; der Durchsatz von High-Speed-Geräten am selben Hub bleibt hierdurch jedoch unbeeinflusst.
Die verschiedenen Host-Controller
Die USB-Controller-Chips in den PCs halten sich an einen von drei etablierten Standards. Diese unterscheiden sich jeweils in ihrer Leistungsfähigkeit und der Implementierung von bestimmten Funktionalitäten – entweder erledigt sie der Chip von selbst, „in Hardware“, oder der Gerätetreiber muss softwareseitig dafür sorgen. Für ein USB-Gerät sind die verwendeten Controller (fast) vollständig transparent, allerdings ist es für den Benutzer des PC mitunter wichtig, feststellen zu können, welche Art Chip der Rechner verwendet, um den korrekten Treiber auswählen zu können.
- Universal Host Controller Interface (UHCI) wurde im November 1995 von Intel spezifiziert. Die aktuelle Version des Dokuments trägt die Revisionsnummer 1.1, daher nennen sich auch alle gegenwärtigen USB-Geräte USB-1.1-kompatibel. UHCI-Chips bieten Unterstützung für USB-Geräte mit 1,5 oder 12 MBit/s Bandbreite. Sie werden ausschließlich von den Herstellern Intel und VIA Technologies verbaut.
- Open Host Controller Interface (OHCI) ist eine Spezifikation, die gemeinsam von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt wurde. Version 1.0 des Standards wurde im Dezember 1995 veröffentlicht, die aktuelle Fassung trägt die Versionsnummer 1.0a und stammt von September 1999. Ein OHCI-Controller hat prinzipiell die gleichen Fähigkeiten wie seine UHCI-Pendants, erledigt aber mehr Aufgaben in Hardware und ist dadurch marginal schneller als ein UHCI-Controller. Dieser Unterschied bewegt sich meistens in Bereichen, die gerade noch messbar sind, daher kann man dies in der Benutzung vernachlässigen; Geräteentwickler müssen dies jedoch berücksichtigen. Bei den USB-Controllern auf Hauptplatinen, die nicht von Intel oder VIA stammen, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um OHCI.
- Enhanced Host Controller Interface (EHCI) ist die Bezeichnung des Chips, der bei USB 2.0 verwendet wird. Das EHCI wickelt dabei nur die Übertragungen im Hi-Speed-Modus (480 MBit/s) ab. Wenn man USB-1.1-Geräte an einen Port mit EHCI-Chip steckt, reicht der EHCI-Controller den Datenverkehr an einen hinter ihm liegenden UHCI- oder OHCI-Controller weiter (diese Controller sind typischerweise auf dem gleichen Chip). Wenn kein EHCI-Treiber verfügbar ist, werden die High Speed Geräte ebenfalls an den USB-1.1-Controller durchgereicht und arbeiten dann mit langsamerer Geschwindigkeit, sofern dies überhaupt möglich ist.
Konfigurationen, Interfaces und Alternate Settings
Intern adressiert der USB-Controller die angeschlossenen Geräte mit einer sieben Bit langen Kennung, wodurch sich die 127 maximal anschließbaren Geräte ergeben. Die Adresse 0 wird automatisch von Geräten belegt, die ein Reset-Signal erhalten. Wenn an einem oder mehreren Ports neue Geräte detektiert werden, so schaltet der Host-Controller einen dieser Ports ein, sendet dem dort angeschlossenen Gerät einen Reset und versucht dann das Gerät zu identifizieren. Danach teilt er dem Gerät eine eindeutige Adresse mit. Da immer nur ein Port mit noch nicht konfiguriertem Gerät aktiviert wird, kommt es zu keinen Adresskollisionen.
Der Host-Controller fragt meist zuerst nach einem Device-Deskriptor, der unter anderem die Hersteller- und Produkt-ID enthält. Mit weiteren Deskriptoren teilt das Gerät mit, welche alternativen Konfigurationen es besitzt, in die es von seinem Gerätetreiber geschaltet werden kann. Bei einer Webcam könnten diese Alternativen etwa darin bestehen, ob die Kamera eingeschaltet ist oder ob nur das Mikrofon läuft. Für den Controller ist dabei relevant, dass die unterschiedlichen Konfigurationen auch einen unterschiedlichen Strombedarf mit sich bringen. Ohne besondere Freigabe durch das Betriebssystem darf ein Gerät nicht mehr als 100 mA Strom verbrauchen.
Innerhalb einer Konfiguration kann das Gerät verschiedene Interfaces definieren, die jeweils über einen oder mehrere Endpunkte verfügen. Unterschiedlicher Bedarf an reservierter Bandbreite wird über so genannte Alternate Settings signalisiert. Ein Beispiel dafür ist eine Webcam, die in zwei verschiedenen Auflösungen Bilder senden kann. Das Alternate Setting 0 wird aktiviert, wenn ein Gerät keine Daten übertragen möchte und somit pausiert.
Geräteklassen
Um nicht für jedes Gerät eigene Treiber zu erfordern, definiert der USB-Standard verschiedene Geräteklassen, die sich durch generische Treiber steuern lassen. Auf diese Weise sind USB-Tastaturen, Mäuse, USB-Massenspeicher und andere Geräte mit ihren grundlegenden Funktionen sofort startklar, ohne dass erst ein Treiber von CD installiert werden müsste. Herstellerspezifische Erweiterungen (die dann einen eigenen Treiber erfordern) sind möglich. Die Information, zu welchen Geräteklassen sich ein Gerät zählt, kann im Device-Deskriptor (wenn das Gerät nur einer Klasse angehört) oder in einem Interface-Deskriptor (bei Geräten, die zu mehreren Klassen gehören) untergebracht werden.
Übertragungsmodi
Der USB bietet den angeschlossenen Geräten verschiedene Übertragungsmodi, die diese für jeden einzelnen Endpunkt festlegen können.
Endpunkte
USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten „Endpunkten“, gewissermaßen Unteradressen des Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit mehreren getrennten Funktionen (z. B. Webcams, die Video und Audio übertragen) haben mehrere Endpunkte. Die Übertragungen von und zu den Endpunkten erfolgen meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist deshalb ein IN- und ein OUT-Endpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des Hostcontrollers). Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Modus verwenden.
In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch weitere Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer den Control Transfer Modus.
Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: den Control Endpunkt (der eigentlich zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low-Speed-Geräte sind auf Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Modus mit maximal 8 Bytes pro Transfer beschränkt.
Isochroner Transfer
Der isochrone Transfer ist für Daten geeignet, die eine garantierte Bandbreite benötigen. Diese Transferart steht für Full-Speed- und High-Speed-Geräte zur Verfügung. Definiert das Alternate Setting einen Endpunkt mit isochronem Transfer, so reserviert der Host-Controller-Treiber die erforderliche Bandbreite. Steht diese Bandbreite nicht zur Verfügung, so schlägt die Aktivierung des Alternate Settings fehl, und es kann mit diesem Gerät keine isochrone Kommunikation aufgebaut werden.
Die erforderliche Bandbreite ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und der FIFO-Größe. Full-Speed-Geräte können jede ms bis zu 1023 Bytes je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kByte/s), High-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 Bytes ausführen (24 MByte/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate entsprechend. Die Übertragung ist mit einer Prüfnummer (CRC16) gesichert, wird aber bei einem Übertragungsfehler durch die Hardware nicht wiederholt. Der Empfänger kann erkennen, ob die Daten korrekt übertragen wurden. Isochrone Übertragungen werden z. B. von der USB-Audio-Class benutzt die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.
Interrupt-Transfer
Interrupt-Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen, die zu nicht genau bestimmbaren Zeitpunkten verfügbar sind. Im Endpoint Descriptor teilt das Gerät mit, in welchen maximalen Zeitabständen es nach neuen Daten gefragt werden möchte. Das kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low-Speed 10 ms, bei Full-Speed 1 ms und bei High-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low-Speed können pro Abfrage bis zu 8 Byte, bei Full-Speed bis zu 64 Byte und bei High-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden. Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 800 Byte/s bei Low-Speed, 64 kByte/s bei Full-Speed und bis zu 24 MByte/s bei High-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfnummer (CRC16) gesichert und werden bei Übertragungsfehlern bis zu drei mal durch die Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse (Human Interface Device, zum Beispiel Tastaturen, Mäuse und Joysticks, übertragen die Daten über den Interrupt Transfer.
Bulk-Transfer
Bulk-Transfers sind für große Datenmengen gedacht, die jedoch nicht zeitkritisch sind. Diese Transfers sind niedrig priorisiert und werden vom Controller durchgeführt, wenn alle isochronen und Interrupt-Transfers abgeschlossen sind und noch Bandbreite übrig ist. Bulk-Transfers sind durch eine Prüfnummer (CRC16) gesichert und werden durch die Hardware bis zu drei Mal wiederholt. Low-Speed-Geräte können diese Transferart nicht benutzen. Full-Speed-Geräte benutzen FIFO-Größen von 8, 16, 32 oder 64 Bytes. High-Speed-Geräte verwenden immer eine 512 Byte große FIFO.
Control-Transfer
Control-Transfers sind eine besondere Art von Datentransfers, die einen Endpunkt erfordern, der sowohl In- als auch Out-Operationen durchführen kann. Control-Transfers werden generell in beide Richtungen bestätigt, so dass Sender und Empfänger immer sicher sein können, dass die Daten auch angekommen sind. Daher wird der Endpunkt 0 im Control-Transfer-Modus verwendet. Control-Transfers sind zum Beispiel nach dem Detektieren des USB-Geräts und zum Austausch der ersten Kommunikation elementar wichtig.
Unterstützung in den Betriebssystemen
- Mac OS unterstützt USB 1.1 ab Mac OS 8.1. In der Zeit wurde der Umfang der Geräte, die mit Klassentreibern unterstützt werden, deutlich erweitert, seit Mac OS 8.5 werden die meisten üblichen Geräteklassen unterstützt.
- Mac OS X in allen Versionen unterstützt USB 1.1 und ab 10.2.8 auch USB 2.0.
- Windows 95 hat ab OEM-Servicerelease 2.1 eine rudimentäre Unterstützung von USB 1.0, die jedoch als fehleranfällig gilt.
- Windows 98 unterstützt USB 1.0, ab der Version Windows 98 SE auch USB 1.1.
- Windows Me unterstützt USB 1.1 und 2.0 - im Gegensatz zu Windows 98 ist nach der Installation Geräte-spezifischer USB-Treiber kein Neustart erforderlich.
- Windows NT hat keinerlei USB-Unterstützung, von Drittherstellern sind jedoch Systemerweiterungen dafür erhältlich. Gerätehersteller testen ihre Produkte selten mit derartigen Erweiterungen, deshalb gelten diese Systemerweiterungen nur für Spezialfälle als tauglich.
- Windows 2000 (SP3) und XP (mit Patch) unterstützen USB 1.1 und USB 2.0. Der USB-Hostcontroller wird allerdings manchmal fehlerhaft erkannt, die meisten Hersteller raten dazu, die Treiber des Chipsatzherstellers zu installieren.
- Der Linux-Kernel unterstützt in den Versionen 2.2, 2.4 und 2.6 USB-Controller. In die Kernelversionen 2.4 und 2.6 sind Treiber für UHCI-, OHCI- und EHCI-Controller integriert, sowie Unterstützung für gängige USB-Endgeräte.
- Amiga OS3.x unterstützt von Haus aus kein USB. Lediglich mit Software und Hardware von Drittanbietern ist eine Anbindung von USB-1.1-Geräten möglich. Ab Amiga OS4 wird, je nach Hardware, USB 1.1 und 2.0 unterstützt.
- MorphOS wird mit einer Lizenz für Poseidon aufgeliefert.
- NetBSD, FreeBSD und OpenBSD unterstützen UHCI, OHCI und EHCI sowie gängige Endgeräte. NetBSD war 1998 das erste freie Betriebssystem mit USB-Unterstützung.
- Neuere Betriebssystemversionen mit Unix-Basis verwenden immer öfter libusb als Basisbibliothek.
- Wo das Betriebssystem die nötige Unterstützung für USB-Geräte nicht hat, kann das Bios nach Aktivieren von „USB Legacy Support“ (engl. etwa „USB-Unterstützung für Erblasten“) in seinen Einstellungen Abhilfe schaffen, da hierdurch USB-Eingabegeräte wie Mäuse und Tastaturen dem Betriebssystem gegenüber als PS/2-Geräte erscheinen. Datenträger (wie USB-Sticks, USB-Floppy oder USB-CD/DVD-Laufwerken) aber werden nur für ältere Betriebssysteme emuliert, wenn von ihnen gebootet wird.
USB On-the-go
Durch USB On-the-go (OTG) können entsprechend ausgerüstete Geräte direkt miteinander kommunizieren. Dadurch kann auf einen Computer, der die Host-Funktion übernimmt, verzichtet werden. Bei Geräten mit USB OTG übernimmt eines der beiden Endgeräte eine eingeschränkte Host-Funktionalität, die Geräte können deshalb miteinander kommunizieren. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise die Verbindung von Digitalkamera und Drucker oder der Austausch von Musikdateien zwischen zwei MP3-Playern.
Gekennzeichnet werden USB-OTG-Produkte durch das USB-Logo mit zusätzlichem grünem Pfeil auf der Unterseite und weißem „On-The-Go“-Schriftzug. Die USB-OTG-Spezifikation wurde am 18. Dezember 2001 verabschiedet, in manchen Fällen kommt es noch zu Inkompatibilitäten zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller.
Wireless USB
Momentan besetzen zwei Initiativen den Begriff „Wireless USB“. Die ältere der beiden wurde von der Firma Cypress initiiert, mittlerweile ist Atmel als zweiter Chiphersteller auf den Zug aufgesprungen. Das "Cypress-WirelessUSB"-System ist eigentlich kein drahtloses USB, sondern eine Technik um drahtlose Endgeräte zu bauen, die dann über einen am USB angeschlossenen Empfänger/Sender (Transceiver) mit dem Computer verbunden sind. Dazu wird eine Übertragungstechnik im lizenzfreien 2,4-GHz-Band benutzt, die Datenrate beträgt bis zu 62,5 kbit/s und ist damit für Eingabegeräte völlig ausreichend, für andere Anwendungen aber oft zu knapp bemessen.
Das zweite Wireless-USB-Projekt ist wesentlich anspruchsvoller, das dazugehörige Konsortium wird von Intel angeführt. Ziel ist es, eine Technik zu schaffen, mit der die vollen 480 MBit/s des High-Speed-Übertragungsmodus drahtlos übertragen werden können. Dabei ist eine kurze Reichweite unter 10 m vorgesehen; die Übertragung soll auf einer Ultra-Wideband-Technik basieren und den in der Industrie gebräuchlichen Funktechniken ZigBee und NanoNET entsprechen.
Literatur
- Hans-Joachim Kelm: USB 2.0. Franzis Verlag, 2006, ISBN 3-7723-7965-6.
- Jan Axelson: USB Complete: Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals. Lakeview Research, 2005, ISBN 1-931448-02-7.
Weblinks
- USB Implementers Forum – Normgebendes Industriekonsortium (die kompletten USB-Spezifikationen sind dort kostenlos als PDF verfügbar)
- libusb project homepage – Freie USB-Bibliothek
- Linux USB – Technische Dokumentation, USB-ID-Listen, Kompatibilitätsfragen zu USB 1.x und 2.0 (englisch)
- USB OHCI 1.0a Spezifikation (PDF, englisch)
- Tipps zur Nutzung von USB
- Kolter Elektronik - Schnittstellen
- USB und seine Kabel
