USB-Bus: Architektur, Funktionen und Übertragungstechnik
Der USB-Bus: Grundlagen und Vorteile
Der USB-Bus (Universal Serial Bus) wurde entwickelt, um den Anschluss verschiedenster Peripheriegeräte an den PC zu vereinfachen und die Funktionalität zu erweitern.
Ziele des USB-Standards
- Bereitstellung ausreichender Bandbreite für diverse Geräte.
- Einhaltung einheitlicher Standards.
- Unterstützung von Plug-and-Play.
Architektur des USB
Die Architektur gliedert sich in drei Hauptbereiche:
1. Interkonnektion und Topologie
Die Struktur basiert auf einer Stern-Topologie, bei der jeder Stern einen Hub als Zentrum hat. Die Kommunikation erfolgt Punkt-zu-Punkt zwischen dem Host und einem Hub oder Gerät. Ein Composite-Gerät kann dabei sowohl als Hub als auch als Funktionseinheit agieren, um erweiterte Funktionalitäten zu bieten.
2. USB-Hubs und Geräte
Hubs erweitern die Anschlussmöglichkeiten des Systems. Sie verfügen über eine Standardschnittstelle, um das USB-Protokoll zu verstehen und auf Standardanfragen zu reagieren.
3. Der Host
Der Host (meist der PC) ist für die Kommunikation zwischen den USB-Peripheriegeräten und der CPU verantwortlich. Er nutzt eine Kombination aus Hardware, Software und Firmware, um angeschlossene Geräte zu verwalten, den Datenfluss zu steuern und Ressourcen zuzuweisen.
Physische Umgebung
Die physische Topologie verbindet Upstream- und Downstream-Ports. Für hohe Geschwind Für hohe Geschwindigkeiten wird ein abgeschirmtes Kabel mit zwei Leitern für die Stromversorgung und einem verdrillten Adernpaar (Twisted Pair) für die Signale verwendet. Bei Low-Speed-Verbindungen ist das verdrillte Paar empfohlen, aber nicht zwingend erforderlich.
Datenübertragung und Protokolle
Messaging Control Pipe
Dies ist ein bidirektionaler Kommunikationskanal zwischen dem Host und dem Kontroll-Endpunkt (Adresse 0) eines USB-Geräts. Über diesen Kanal werden bereits vor der Konfiguration wichtige Informationen wie Gerätetyp, Konfigurationen und unterstützte Protokolle (Deskriptoren) ausgelesen.
Stream-Pipe
Ein unidirektionaler Kanal für die Kommunikation zwischen Host und Endpunkt. Er wird für Bulk-, Interrupt- oder isochrone Datentransfers genutzt.
Übertragungsverfahren
Der USB-Bus arbeitet synchron und nutzt die NRZI-Codierung (Non Return to Zero Inverted). Um den Empfänger zu synchronisieren, wird nach jeweils sechs Einsen eine Null eingefügt. Das System arbeitet mit zwei Spannungspegeln: Eine konstante Spannung repräsentiert eine "1", während Spannungsänderungen die "0" kennzeichnen.