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USB – Eine Einführung

Bei dem Universal Serial Bus (USB) handelt es sich um ein serielles Bussystem, über das ein Computer mit externen Geräten verbunden werden kann. Der Bus wurde von den Firmen Compaq, Intel, Microsoft und NEC, welche sich später zum USB Implementers Forum (USB-IF) zusammengeschlossen haben, entwickelt. Das Ziel des USB-IF war es, die bis dato unterschiedlichen Steckverbinder für PC-Peripheriegeräte durch eine universelle Schnittstelle abzulösen. Die neue Schnittstelle sollte zudem über Plug and Play verfügen und nur wenige PC-Ressourcen, wie z. B. DMA-Kanäle oder Interrupts belegen.

Mit der Entwicklung von USB 2.0 stehen insgesamt drei verschiedene Geschwindigkeitsstufen zur Verfügung.

Bezeichnung Geschwindigkeit
Low Speed 1,5 MBit/s
Full Speed 12 MBit/s
High Speed 480 MBit/s

USB-Geräte können während des laufenden Betriebs des Computers an- und abgesteckt werden (Hot Plugging). Der USB-Host (in vielen Fällen der Computer) erkennt das neu angeschlossene Gerät, konfiguriert es und lädt die benötigten Treiber. Zudem ist USB als Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen einem einzelnen Host und bis zu 127 Slaves ausgelegt. Durch die Verwendung eines USB-Hubs können mehrere Slaves gleichzeitig an einen Host angeschlossen werden.

Die Kommunikation auf dem Bus wird in jedem Fall durch einen Host initiiert und gesteuert. Es ist somit nicht möglich, dass verschiedene USB-Devices Informationen untereinander austauschen. Wenn Daten von einem Device zum nächsten übertragen werden sollen, muss der Host die Daten beim Device anfragen, annehmen und zum nächsten Device übertragen.

Die USB-Verbindungen werden über vierpolige Leitungen realisiert, deren Belegung, Adernfarbe und Durchmesser in der USB-Spezifikation festgeschrieben ist. Die differentiellen Datenleitungen des USB-Kabels sind zudem miteinander verdrillt und die Spannung VBus ist auf 5 V festgelegt. Der Signalpegel beträgt in der Regel 3,3 V (HSIC und SSIC verwenden 1,2 V Pegel, dienen aber auch nur als USB-Chip-zu-Chip-Verbindungen).

Für die Kabel gilt der folgende Aufbau:

Pin Signal Farbe
1 VBus Rot
2 D- Weiß
3 D+ Grün
4 GND Schwarz

Eine Ausnahme bildet das Format Mini-B, bei dem fünf Kontakte genutzt werden. Der fünfte Kontakt wird als ID-Signal genutzt um zu entscheiden, ob das Gerät als Host (Masse) oder als Slave (offen) arbeiten soll. Diese Betriebsart wird On-the-go genannt.

Pin Signal Farbe
1 VBus Rot
2 D- Weiß
3 D+ Grün
4 ID
5 GND Schwarz

Als maximale Leitungslänge legt die Spezifikation für USB 1.1 und USB 2.0 5 m fest. Alles darüber hinaus kann funktionieren, muss aber nicht. Hochwertige USB-Kabel sind in vielen Fällen relativ dick, da diese Kabel über eine ausreichende Leitungsdicke verfügen um das Device zu versorgen und zudem noch ausreichend geschirmt sind.

Über USB angeschlossene Geräte können entweder durch die 5 V Versorgungsspannung des Buses oder durch eine externe Spannungsversorgung mit Energie versorgt werden. Wird ein Gerät über den Bus mit Strom versorgt, so nennt man dies bus-powered, andernfalls self-powered. Zudem können USB-Geräte, die als Slave arbeiten, nur Einergie aufnehmen und nicht den Bus versorgen. USB-Geräte, die über USB versorgt werden, dürfen einen maximalen Strom von 100 mA aufnehmen, außer sie melden sich als entsprechendes Gerät beim Host an. In diesem Fall sind bis zu 500 mA möglich. Alle anderen Lösungen entsprechen nicht der offiziellen USB-Norm (z. B. Y-Kabel, die man häufiger bei älteren externen HDDs findet). Wenn ein Gerät einen höheren Strom als 500 mA benötigt, sollte es, laut der Spezifikation, als self-powered ausgelegt werden.

Auf Grund der spezifizierten Leitungslänge und der Leitungsdicke, kann die Spannung am Device auf bis zu 4,35 V abfallen. Daher sieht die Spezifikation vor, dass USB-Geräte mit mindestens dieser Spannung funktionieren müssen. Zudem sieht der Standard einen Suspend-Modus vor, in den die Geräte wechseln können um Energie zu sparen. Geräte, die den Suspend-Modus nutzen wollen, müssen ihren Stromverbrauch auf max. 0,5 mA reduzieren können.

Der nächste Teil des Tutorials wird sich mit dem Aufbau des USB-Protokolls beschäftigen und einen Einblick geben, wie das Protokoll aufgebaut ist.

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