Linux, PC und Hardware Prof. Jürgen Plate

Standard-Schnittstellen

Universal Serial Bus

USB-Grundlagen

Die Vorteile von USB:

• USB ist einfach: Es gibt nur eine Sorte Kabel. Der USB kennt zwei verschiedene Steckertypen, "Typ A" und "Typ B" genannt. Das System ist so konzipiert, dass man sie auch nicht verkehrt herum einstecken kann. Kabel sind immer 1:1 verbunden, und die Belegung ist immer gleich, wie die Tabelle unten zeigt.

  An der Rückseite eines modernen PCs findet man zwei oder mehr Buchsen vom Typ A. Kleinere, langsame Geräte wie beispielsweise Mäuse verwenden ein dünnes, fest angebrachtes Kabel mit einem Stecker vom Typ A. In anderen Fällen besitzt das Gerät selbst eine USB-Buchse vom Typ B. Die Verbindung erfolgt dann mit einem Kabel vom Typ A-B.

  Die Kabel gibt es nur fertig konfektioniert und vergossen zu kaufen. Einzelne USB-Stecker sind nicht erhältlich - man muss gegebenenfalls ein Kabel "schlachten". Länge, Kabelquerschnitt, Abschirmung usw. sind genau vorgeschrieben. Auch der Unterschied zwischen Highspeed, Fullspeed und Lowspeed spielt hier eine Rolle. Das System der vorgeschriebenen Kabel verhindert zuverlässig, dass ein Lowspeed-Kabel für eine Fullspeed-Verbindung eingesetzt wird. Alle Verbindungskabel sind Fullspeed-Kabel, während Lowspeed-Kabel nur fest angebaut vorkommen. Für den Fall einer notwendigen Kabelverlängerung gibt es Verlängerungskabel vom Typ A-A.

• USB-Geräte lassen sich bei eingeschaltetem Rechner an- und abstecken. Das Betriebssystem erkennt das Gerät und lädt den entsprechenden Treiber. Falls Sie das Gerät zum ersten Mal einstecken, müssen Sie gegebenenfalls noch den Treiber installieren. Bei manchen Geräten ist es notwendig, zuerst den Treiber zu installieren und danach das Gerät erstmalig anzuschließen.
• USB ist erweiterbar. Theoretisch sind bis zu 127 Geräte anschließbar.
• USB ist schneller als die serielle Schnittstelle. Mit 12 MBit/s ist USB 2.0 etwa so schnell wie früher die Netzwerkverbindungen. Im Highspeed-Modus ist auch die Übertragung von Videodaten möglich.
• Es gibt massenhaft USB-Geräte: Scanner, Drucker, Kameras, externe Plattenlaufwerke, CD-ROM-Laufwerke, Modems oder Soundkarten.
• Auf dem USB-Kabel liegen 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA. Das genügt, um Geräte mit geringem Energieverbrauch zu betreiben (Mäuse, Tastaturen etc.). Geräte mit höherem Energiebedarf brauchen aber eine eigene Versorgung.

Standardstecker
Pin	Name	Farbe	Beschreibung
1	VCC	Rot	+5 V
2	D-	Weiß	Data -
3	D+	Grün	Data +
4	GND	Schwarz	Masse
Mini- und Microstecker
Pin	Name	Farbe	Beschreibung
1	VCC	Rot	+5 V
2	D-	Weiß	Data -
3	D+	Grün	Data +
4	ID	keine	Unterscheidung von Micro-A- und Micro-B-Stecker: Typ A: Masse, Typ B: nicht verbunden
5	GND	Schwarz	Masse

USB besitzt aber auch Nachteile:

• An den meisten Computern finden sich zwei bis vier USB-Stecker auf der Rückseite und ebensoviele auf der Vorderseite des Rechners. Will man mehr Geräte anschließen, muss man einen USB-Hub kaufen.
• Die Hersteller liefern meist nur Treiber für Windows mit, andere Betriebssysteme können daher manche Geräte nicht oder nur teilweise ansteuern.
• Sind viele Geräte gleichzeitig angeschlossen, treten Geschwindigkeitsprobleme auf. Denn alle Geräte am Bus müssen sich die 12 MBit/s teilen. Das kann zu Problemen und Fehlern führen.

Eigenschaften von USB 1.1:

• LowSpeed Modus mit 1,5 MBit/s für z.B. Maus und Tastatur
• FullSpeed Modus mit 12 MBit/s für Geräte mit mittleren Übertragungsraten, wie Audio oder ISDN
• integrierte Stromversorgung bis 500mA je Port
• Geräte können bei laufendem Betrieb angeschlossen werden ("hot-plug") und werden automatisch erkannt.
• Durch USB-Hubs und entsprechende Kaskadierung können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden.
• Energiemanagement unterstützt Suspend und Resume (Stand-By)
• Protokolle zur Fehlererkennung und Fehlerbehandlung
• synchrone und asynchrone Übertragungsarten
• maximale Kabellänge 5 Meter (mit Repeatern lassen sich bis zu 25 Meter überbrücken)
• Datenübertragung von PC zu PC mit einem sogenannten USB-Link-Kabeln möglich
• Vernetzung via USB mit sogenannten USB-Netlink-Kabeln möglich

Eigenschaften von USB 2.0:

• HighSpeed Modus mit 480 MBit/s
• Architektur und Programmiermodell von USB 2.0 entsprechen dem von USB 1.1
• Isochronous- und Bulk-Transfer
• z. B. ideal für Video, externe Festplatten und CD-Brenner

USB-Signale

Man unterscheidet - wie schon erwähnt - zwischen Lowspeed-, Fullspeed und Highspeed-Signalen. Bei einer Lowspeed-Verbindung beträgt die Datenübertragungsrate 1,5 MBit/s, bei einer Fullspeed-Verbindung 12 MBit/s. Die Geschwindigkeit wird vom Master vorgegeben, die angeschlossenen Geräte synchronisieren sich darauf. Die Datencodierung und -decodierung erfolgt durch die USB-Hardware. Die Datenübertragung ist differentiell (D+, D-).
J-Pegel: Differenz zwischen D+ und D- ist positiv (differentielle "1")
K-Pegel: Differenz zwischen D+ und D- ist negativ (differentielle "0")

Es gibt weder Handshake-Signale noch eine eingestellte Baudrate oder eine separate Taktleitung. Der Takt für die Abtastung des übertragenen Datenstroms und das Synchronisiersignal für den Takt werden aus einem Synchronisier-Bitmuster und aus dem Datenstrom selbst generiert. Jede "0" im Bitstrom liefert einen Pegelwechsel und damit ein Signal für die Taktgewinnung.

Nach einer Folge von sechs Einsen ("1") wird automatisch in den Datenstrom eine "0" eingefügt (Bit Stuffing). Damit kommt spätestens nach der sechsten Taktperiode ein Signal für die Takt-Synchronisierung. Jedes Gerät hat spätestens nach sieben Taktperioden Gelegenheit, seinen internen Takt mit dem Bustakt zu synchronisieren. Jedes Datenpaket wird zum Zweck der Synchronisation von einem Sync-Byte angeführt.

Der Host muss das Anstecken eines Geräts bemerken und gleichzeitig die Geschwindigkeitsklasse identifizieren können (Hot Plug-and-Play). Bei Low- und Full-Speed- Geräten ist dies einfach; das Gerät zieht entweder den D- -Pegel oder den D+ -Pegel mit einem Widerstand auf high:

High- oder Full-Speed-Gerät

Low-Speed-Gerät

Für High-Speed-Geräte steht keine weitere Datenleitung zur Verfügung, ausserdem muss sich ein High-Speed-Gerät an einem USB-1.1-Controller wie ein Full-Speed-Gerät verhalten (High-Speed-Geräte sollen auch an einen Full-Speed-Controller anschließbar sein). Deswegen wurde für High-Speed-Geräte die weiter unten beschriebene Anmeldeprozedur spezifiziert.

• LS/FS-Driver (Treiber) liefert Massepunkte (Assert_Singel_Ended_Zero) für die beiden 45-Ohm-Widerstände (Rs) an den Datenleitungen D+, D-. Das ergibt einen differentiellen Widerstand von 90 Ohm zwischen D+ und D-.
• der High Speed Current Driver liefert die Datensignale D+, D- (HS_Data_Driver_Input).
• Der Pull-Up-Widerstand Rpu (1,5 kOhm) ist nach der Identifizierung der Geschwindigkeitsklasse abgeschaltet.
• Die beiden Rpd-Widerstände (15 kOhm) sind vernachlässigbar gegen die 45 Ohm-Widerstände.
• Die Signalpegel werden jeweils von einer 17,8-mA-Stromquelle (High Speed Current Driver) erzeugt:
  kein Gerät angesteckt: +/-17,8 mA * 45 Ohm = +/- 800 mV
  Gerät angesteckt: +/-17,8 mA * 22,5 Ohm = +/- 400 mV
  
• Abziehen eines High-Speed-Geräts (Disconnect): Der Hub erkennt am Spannungssprung von 400mV auf 800 mV das Abziehen des Geräts.

USB-Topologie

Angeschlossene Geräte (Tastatur, Maus, Drucker usw.) werden Funktionen (Functions) genannt. Nach dem Einschalten besitzt ein Gerät die Default-Adresse 0. Bei der Initialisierung - hier Enumeration genannt - wird jedem Gerät eine eigene Adresse zugewiesen. Jedes Gerät besitzt entweder eine eigene Spannungsversorgung (self powered) oder es wird über das USB-Kabel versorgt (bus powered). Vor der Initialisierung darf die Stromaufnahme aus dem USB-Kabel maximal 100 mA und nach der Initialisierung maximal 500 mA betragen.

Beim Reset des USB (oder beim Anstecken eines Gerätes an den Bus), meldet sich jedes Device beim Controller mit der fiktiven Adresse 0 an. Der Controller gibt dem Device eine richtige Adresse (1..127) und liest die Konfiguration aus dem Device aus. In dieser Konfiguration gibt das Device an, wieviele Pufferspeicher (genannt Endpunkte) es besitzt, wie groß diese Puffer sind (max. 64 Byte) und ob das für den Controller Lesepuffer (In) oder Schreibpuffer (Out) sind. Außerdem wird dem Controller gesagt, wie häufig er prüfen soll, ob im Lesepuffer Daten für ihn bereitliegen. Die Konfiguration enthält noch weitere Informationen (beispielsweise über den Strombedarf des Device).

Ein Hub ermöglicht den Anschluß mehrerer Geräte. Ein Hub nimmt Daten von den Geräten entgegen und liefert sie an den Rechner oder an den nächst höheren Hub. Umgekehrt nimmt ein Hub Daten vom Computer entgegen und leitet sie an das richtige Gerät oder den nächst tieferen Hub weiter. Jeder Hub besitzt einen Upstream-Port in Richtung Host und mehrere Downstream-Ports in Richtung der Geräte oder weiterer Hubs. Vom Host gesendete Daten leitet der Hub an alle seine aktiven Downstream-Ports weiter. Daten vom Gerät sendet der Hub nur in Richtung Host. Ein Hub isoliert angeschlossene Full/ Low-Speed-Geräte vom High-Speed-Mode und leitet an diese Geräte gerichtete Daten in der passenden Geschwindigkeit weiter. Außerdem übernimmt der Hub das Power-Managment für die angeschlossenen Geräte. Hubs besitzen eine eigene Spannungsversorgung oder werden über das USB-Kabel versorgt. Zwischen den Computer und ein Gerät lassen sich bis zu sieben Hubs schalten - es gibt also bis zu sieben "Ebenen". In jeder Ebene darf das USB-Kabel 5 m lang sein. Ein Gerät kann also maximal 35 m vom Computer entfernt stehen. Die Daten bewegen sich nur zwischen dem Computer und dem jeweils angesprochenen Gerät. Die USB-Geräte können sich untereinander nicht verständigen.

Die Kontrolle über die Daten hat alleine der Computer. Er fragt regelmäßig alle Geräten ab (Polling). Die Geräte dürfen von sich aus keinerlei Daten senden. Dieses Polling kostet zwar Rechenzeit, erlaubt aber einen einfacheren Aufbau der USB-Geräte. Ein USB-Host besteht somit aus einem einzigen Hostcontroller, einem Root Hub (USB-Anschlüsse am PC), der Systemsoftware und den Gerätetreibern. Den Datenfluß vom Host weg zu den Geräten nennt man "downstream", den Datenfluß in umgekehrter Richtung "upstream". Tauscht der Computer mit einem Gerät Daten aus, baut er immer eine direkte Verbindung dorthin auf, die "Pipe" genannt wird.

Für den Host gibt es derzeit 3 Realisierungs-Varianten:

• Universal Host Controller Interface (UHCI) wurde im November 1995 von Intel spezifiziert. Die aktuelle Version des Dokuments trägt die Revisionsnummer 1.1. UHCI-Chips bieten Unterstützung für USB-Geräte mit 1,5 oder 12 Mbit/s Datenrate. Sie werden ausschließlich von den Herstellern Intel und VIA Technologies gebaut. Für Isochronous- und Interrupt-Transfers (Transaktionen) sind maximal 90% der Zeit vorgesehen, für Control-Transfers sind 10% der Zeit garantiert. Verbleibenden Restzeiten werden für die zeitunkritischen Bulk-Transfers benützt.
  

• Open Host Controller Interface (OHCI) wurde von Compac, Microsoft und National Semiconductor entwickelt. 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 der Hardware und ist dadurch marginal schneller als ein UHCI-Controller. Nach dem SOF-Token beginnt der Host-Controller mit nicht-periodischen Transferarten. Bei der Initialisierung des Host-Controllers kann der Host-Controller-Treiber die maximale Zeit für dieses erste NP-Intervall festlegen (typischer Wert: 10% des Frame-Intervalls). Danach kommen die periodischen Datentransfers. Verbleibende Restzeiten sind wieder für nicht-periodische Datentransfers.
  

• Das Enhanced Host Controller Interface (EHCI) stellt die USB-2.0-Funktionen bereit. Das EHCI wickelt dabei nur die Übertragungen im Hi-Speed-Modus (480 Mbit/s) ab. Um alle drei Geschwindigkeiten unterstützen zu können, muss ein Host über einen EHCI-Controller sowie über einen begleitenden UHCI- oder OHCI-Controller verfügen. 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 demselben 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.

Jeder Datentransfer ist über Transaktions-Deskriptoren beschrieben, man spricht auch von virtuellen Datenkanälen, sogenannten "Pipes", die der Host einrichtet. Jede Pipe beginnt im Pufferbereich des Arbeitsspeichers und endet in einem Endpunkt (Endpoint EP) eines Geräts. Ein Endpunkt im Gerät ist ein Sende/Empfangs-FIFO. Die Eigenschaften eines Endpunkts sind im Endpoint-Descriptor festgelegt. Dieser ist in jedem Gerät fest abgespeichert.

Damit der Host die Configuration auslesen kann, besitzt jedes Interface einen EP0, der für die Konfiguration zuständig ist. Dieser ist der einzige Endpunkt, der sowohl ausgelesen als auch beschrieben werden kann, alle anderen Endpunkte beherrschen nur eine Datenrichtung. Der EP0 kann auch für den Datentransfer mitbenutzt werden, er bietet jedoch nur eine geringe Datenrate von 800 Byte/s. Alle anderen Endpunkte sind uni-direktional (senden oder empfangen). Die im EP0 übertragenen Daten sind als Standard-Device-Requests definiert. Die zum EP0 aufgebaute Pipe ist eine "Message" Pipe. Low-Speed-Geräte unterstützen nur Control- und Interrupt-Endpunkte.

Jedes USB-Gerät kann mehrere Endpunkte und mehrere Pipes unterstützen. Die Adressierung auf dem Bus erfolgt über eine 7-Bit-USB-Adresse und im Gerät über eine 4-Bit-Endpunkt-Nummer. Am Bus sind dadurch maximal 127 Geräte und Hubs anschließbar. Die Endpunkt-Nummer ermöglicht die Realisierung verschiedener adressierbarer Funktionen innerhalb eines USB-Geräts. Ein Endpunkt ist eindeutig definiert durch seine Nummer und seine Richtung. Pro Gerät sind daher neben dem EP0 noch 15 IN- und 15 OUT-Endpunkte möglich. Bezugspunkt für die Richtung des Datentransfers ist der Host:

• Out: vom Host zum Gerät (downstream)
• In: vom Gerät zum Host (upstream)

1. Der Hub informiert den Host über das neu angeschlossene Gerät.
2. Der Host erfragt vom Hub den Port des neuen Geräts.
3. Der Host schaltet per Befehl diesen Port ein und führt einen Bus-Reset aus.
4. Der Hub erzeugt ein Reset-Signal (10 ms) und gibt den Versorgungsstrom für das Gerät frei.
5. Das Gerät ist nun bereit und antwortet auf der Default-Adresse 0.
6. Der Host weist dem Gerät eine eigene Bus-Adresse zu.
7. Der Host liest alle Konfigurations-Informationen aus dem Gerät.
8. Der Host weist dem Gerät eine der möglichen Konfigurationen zu.

Datenübertragungsmodi

• Die Control-Transfers dienen ausschließlich der Zusammenarbeit zwischen Computer und dem USB-Gerät. Sie dienen zur Konfiruration eines Gerätes. Oder das Gerät zeigt damit an, dass es verfügbar ist. Sie können in beiden Übertragungsrichtungen ablaufen und beginnen (bzw. enden) im Gerät immer im Endpunkt EP0. Die mit EP0 aufgebaute Pipe wird als Message Pipe bezeichnet.

  Beispiel 1: Geräteadresse zuweisen bei der Konfiguration (Standard Device Request):
  SETUP-Token (Befehlspaket) vom Host (enthält Geräteadresse 0 und Endpunkt-Adresse EP0)
  Datenpaket vom Host (enthält u.a. die neue Geräteadresse)
  ACK-Handshake–Paket an Host (Übertragung fehlerfrei)
  IN-Token vom Host (enthält Geräteadresse 0 und Endpunkt-Adresse EP0)
  0-Byte-Datenpaket an Host ("konnte Befehl ausführen")
  ACK-Handshake–Paket vom Host
  

  Beispiel 2: Lesen eines Device Descriptors:
  SETUP-Token (Befehlspaket) vom Host (enthält Geräte- und Endpunkt-Adresse)
  Datenpaket vom Host (enthält Befehlsparameter „Descriptor abfragen“)
  ACK-Handshake–Paket an Host
  IN-Token vom Host (enthält Geräteadresse 0 und Endpunkt-Adresse EP0)
  Datenpaket an Host mit dem Device Descriptor
  ACK-Handshake–Paket vom Host
  

  Die Datenübertragung beim Control-Transfer ist über eine integrierte Fehlerkorrektur und über eine Handshake-Prozedur besonders gesichert.
  Die folgenden 3 Transfers beginnen (bzw. enden) in den Endpunkten EP1 bis EP15 und sind unidirektional. Die dazugehörigen Pipes werden als Stream Pipes bezeichnet:
• Die Bulk-Transfers kommen zum Einsatz, wenn große Datenmengen über die Leitung gehen. Geräte mit großen Datenmengen benutzen Bulk-Transfers. Die Daten dürfen nicht zeitkritisch sein, da kein Polling-Intervall festgelegt wird. Bulk-Transfers sind nicht für Low-Speed-Geräte spezifiziert. Beim Bulk-Transfer wird die gesamte gerade verfügbare Übertragungskapazität in Anspruch genommen. Im Fehlerfall wird vom Host die Datenübertragung wiederholt.
• Interrupt-Transfers sind bei geringen Datenmengen gefragt, die regelmäßig auftreten. Bei Geräten, bei denen anfallende Daten zeitkritisch sind, d.h., sofort übertragen werden müssen, wäre normalerweise ein Interrupt-Meldverfahren zum Host notwendig. Eine Interrupt-Verarbeitung gibt es jedoch am USB nicht! Man hat dieses Problem dahingehend gelöst, dass solche Geräte periodisch vom Host abgefragt werden. Typische Anwendungen sind Maus, Tastatur, Joystick usw. Das Polling-Intervall (Abfrage-Intervall), das ein Gerät benötigt, ist im Endpoint Descriptor eines Geräts definiert. Ein Polling-Intervall von z.B. 8ms besagt, dass der Host alle 8ms einen Datentransfer mit dem Gerät durchführt. Hat das Gerät keine Daten, dann quittiert es die Anforderung mit einem NAK-Handshake-Paket Bei Übertragungsfehlern versucht der Host eine Wiederholung des Transfers in der nächsten freien Transferperiode. Paketfolge z.B. IN-Token (Befehlspaket) an das Gerät (enthält Geräte- und Endpunkt-Adresse) Datenpaket DATA0/1 vom Gerät ACK-Handshake–Paket vom Host (Übertragung fehlerfrei) Max. FIFO-Grösse im Endpunkt: 8 Byte (Low Speed), 64 Byte (Full Speed), 3072 Byte ? (High Speed, 3072 = 3 x 1024). Die maximale Datenpaketgrösse innerhalb eines 125us Microframes bei High Speed beträgt Theoretisch 1024 Byte. Grundsätzlich sollen Interrupttransfers aber nur zur Übertragung kleiner Datenmengen verwendet werden! {480 MBit/s x 125us = 62 914 Bit = 7 864 Byte}
• Isochrone Transfers übertragen die Daten ununterbrochen in regelmäßigen Abständen. Eine Fehlerkorrektur gibt es hier nicht. Typisch für diese Übertragungsart ist Sprache und Musik. Hier kommt es darauf an, dass die Daten in jedem Fall sofort übertragen werden. Dafür fällt ein Fehler weniger ins Gewicht: Schlimmstenfalls knackt es einmal kurz oder es rauscht. "Isochron" bedeutet, dass die Daten periodisch vom Host transferiert werden. Dies erfolgt wie beim Interupttransfer in jedem Frame (1ms) bzw. Mikroframe (125us) oder mit einem Polling-Intervall (=Vielfaches der Intervall- Länge), das im Endpoint-Deskriptor spezifiert ist. Im Unterschied zum Interrupttransfer findet im Fehlerfall keine Wiederholung des Transfers statt, d.h., kein Handshake durch das Empfangsgerät (verspätete Daten sind unnütze Daten). Bei der isochronen Übertragung wird viel Bandbreite verbraucht. Damit aber nicht der gesamte Datenverkehr ins Stocken gerät, bleiben immer 20 Prozent der Bandbreite für andere Übertragungen frei. Damit ist garantiert, dass Maus und Tastatur weiter funktionieren. Isochrone Transfers sind nicht für Low-Speed-Geräte spezifiert.

Die einem Endpoint zugeordnete Transferart ermittelt der Gerätetreiber aus den jeweiligen Deskriptoren (Gerät "sagt", welchen Transfer es benötigt).

Initialisierung (Bus Enumeration)

Powered Default Addressed Configured.

Die beiden anderen Zustände sind: Attached (Hub versorgt Gerät nicht mit Strom) und Suspended (Gerät erkennt mindestens 3ms auf dem Bus keine Aktivität und reduziert die Stromaufnahme). Das Anstecken oder Abziehen eines Geräts am Bus wird, wie erwähnt, durch den Hub erkannt und dem Host gemeldet. Der Host fragt den Hub ab (Full-Speed- oder Low-Speed-Gerät, Port-Adresse) und führt dann die Enumeration in folgenden Schritten durch:

1. Anstecken des Geräts am Hub bzw. Einschalten des Systems
2. Port Enable durch den Hub, Hub liefert max. 100mA ans Gerät („Powered“)
3. Hub erkennt Geschwindigkeitsklasse des Geräts über die Signalleitungen D+, D-
4. Hub informiert Host über Interrupt-Kanal
5. Hub setzt Gerät zurück: D+ und D- auf logisch Null, danach ist Gerät im Zustand „Default“. Gerät ist jetzt für Control-Transfers zum EP0 bereit.
6. Host ermittelt über GetDescriptor die maximale Paketgrösse des Kanals (Adr=0, EP0)
7. Host weist Geräteadresse zu über SetAddress („Addressed“)
8. Host liest Deskriptoren über GetDescriptor
9. Host ermittelt aus den Deskriptoren die Ressourcen-Auslastung durch das Gerät (FIFO-Größe, Polling-Intervalle, Stromaufnahme)
10. Host lädt einen Gerätetreiber
11. Host weist über den Gerätetreiber eine Konfiguration zu mit SetConfiguration („Configured“)

Nach einem "Power-on-Reset" arbeiten alle USB-Geräte auf Adresse 0 (Default). Es sind alle Downstream-Ports deaktiviert, die folgenden Standard-Device-Requests sieht nur der Hub1. Zuerst wird der Hub1 enumeriert, dann fragt der Host den Interrupt-Endpunkt des Hub1 ab und erkennt, daß weitere Geräte an den Downstream-Ports von Hub1 angeschlossen sind. Sukzessive schaltet der Host die Ports des Hub1 frei und enumeriert die Geräte.

Bus-Kommunikation

• Der erste Teil des Pakets besteht aus einem "Token" genannten Information, das den Inhalt spezifiziert (Daten/Steuerinformationen/Adressierung).
• Danach folgt eine Prüfsumme.
• Sobald die Adressinformationen über die Leitung gegangen sind, kann das erste Datenpaket folgen (bis zu 1023 Bytes). Wieder folgt eine Prüfsumme.
• Auf das Datenpaket folgt ein Handshake.

Da ein USB-Gerät von sich aus weder einen Transfer starten noch per Interrupt einen Transfer anfordern kann, kann man für ein Gerät nur eine Pseudo-Interrupt-Fähigkeit herstellen: Ordnet man einem Gerät einen Interrupt-Endpunkt zu, dann wird es periodisch im Millisekundenabstand vom Host abgefragt und kann so Transferanforderungen dem Host bekanntmachen.

Der Hostadapter selbst ist jedoch interrupt-fähig, d. h., er kann von der CPU Bedienung anfordern. Das Anwender-Programm startet einen Datentransfer, indem es beim USB-Geräte-Treiber einen Transfer anfordert. Es wird eine Verbindung ("Pipe") etabliert und die Daten werden übertragen. Damit keine Daten verloren gehen, muß jedes USB-Gerät einen Datenpuffer haben, dessen Größe sich nach dem typischen Datenaufkommen und nach seiner Datentransferrate richtet. Ebenso sind Pufferspeicher auf der Host-Seite notwendig, um Daten eines Geräts zwischenspeichern zu können für den Fall, dass die Daten nicht schnell genug zum Arbeitsspeicher der CPU übertragen werden.

Der Datentransfer vom Host zu den Geräten erfolgt im sogenannten Broadcast-Modus, d. h. die Daten werden über die Hubs an alle Geräte verteilt. Nur das Gerät, das die eigene Adresse im Token-Paket erkennt, antwortet. Eine direkte Kommunikation zwischen zwei Geräten ohne Beteiligung des Host ist nicht möglich, sie muss grundsätzlich über den Host laufen.

Software-Schichten

• Anwender-Programm: Es stößt mit Funktionsaufrufen (z.B. C-Funktionsaufrufe wie read/write, definiert für die Geräte-Treiber-Schnittstelle) über den Geräte-Treiber einen Datentransfer an.
• Geräte-Treiber (Device Driver): Er setzt die Funktionsaufrufe in USB-Befehle (USB-Requests) um und sendet diese an den Bustreiber in Form von I/O-Request-Packets IRPs und stellt einen Pufferspeicher für die Übertragungsdaten bereit. Ein IRP initiiert einen Datentransfer mit einem Gerät. Device-specific-USB-Requests können z. B. Commands aus einem SCSI Command Set sein. Geräte einer Klasse können von einem einheitlichen Treiber bedient werden.
• Bus-Treiber (Bus Driver): Er zerlegt die IRPs eines Datentransfers in einzelne Transaktionen (transactions). Dies ist notwendig, da der Busbetrieb in 1ms-Zeitintervalle eingeteilt ist und jeder (Teil)-Transfer daher maximal nur 1 ms bzw. 0,125 ms dauern darf und außerdem der Bus von mehreren Geräten quasi-gleichzeitig benutzt werden kann. Eine Transaktion muß innerhalb eines 1-ms-Zeitfensters auf dem Bus durchführbar sein. Bei 12MBit/s sind ca. 1500 Byte in einem 1-ms-Rahmen, bei 480MBit/s sind 7500 Byte in einem 0,125-ms-Rahmen übertragbar.
• Host-Controller-Treiber (Host Controller Driver): Der Host-Controller-Treiber greift auf die Hardware zu. Er stößt die Transaktionen über die Host Controller Hardware (Host-Adapter) an. Diese setzt jede Transaktion in einzelne Pakete (Token- und Data-Packets) um, und sendet die NRZI-codierten Daten bitseriell auf die Busleitung. Für jede Transaktion erstellt der Host-Controller-Treiber im Arbeitsspeicher einen Transaktions-Deskriptor (Festlegungen für den Transfer):
  • Adresse des angesprochenen Geräts (Geräteadresse + Endpunktadresse innerhalb des Geräts)
  • Transfer-Art (Control-, Interrupt-, Bulk- oder Isochronous-Transfer)
  • Transfer-Richtung (IN, OUT)
  • Pufferspeicher-Adresse im Host-Arbeitsspeicher für die Daten
  Der Inhalt des Transaktions-Deskriptors entspricht dem Endpunkt-Deskriptor des jeweiligen Geräts. Nur die Pufferspeicher-Adresse wird vom Geräte-Treiber hinzugefügt. Im Pufferspeicher sind die zu übertragenden Daten für OUT- und die Befehle für SETUP-Transfers bereitgestellt oder es werden dort die beim IN-Transfer erhaltenen Daten abgespeichert. Der Host-Controller-Treiber organisiert die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen auf dem Bus (Scheduling). Dazu erstellt er für jedes 1ms-Zeitfenster eine Transaktions-Liste (Frame-List). Da ein Datentransfer aus mehreren Transaktionen bestehen kann, kann dieser auf mehrere Zeitfenster verteilt sein.

Die Steuerung/Abfrage von USB-Geräten erfolgt über "USB Device Requests", auf die jedes Gerät reagieren muß. Eine Untermenge davon sind die "Standard Device Requests". Device Requests übergibt der Geräte-Treiber in Form von I/O-Request-Packets IRPs an den Bus- Treiber. Alle Requests werden mit SETUP-Token über den bidirektionalen Control-Endpunkt EP0 abgewickelt.

Beim "GetStatus"-Request wird beispielswesie der Device-Status vom Host abgeholt (Datentransferrichtung=IN). Zusätzlich zu den Standard-Device-Requests unterstützt jedes Gerät noch gerätespezifische Requests. In vielen Fällen sind dies Befehle aus den SCSI-Befehlssätzen der SCSI-3-Norm.

Paket-Formate

• Synchronisier-Bits: Jedes Paket beginnt mit einem Synchronisierfeld ( siebenmal "0" und einmal "1", bei High Speed: 31 mal "0" und enmal "1"). Die "0"-Serie liefert wegen der NRZI-Codierung Polaritätswechsel, mit denen der Takt im USB-Gerät synchronisiert wird. Mit diesem Gerätetakt wird der serielle Datenstrom auf den Leitungen D+, D- abgetastet.
• Packet-Identifier (PID): Jedes Paket enthält einen 4-Bit-Packet-Identifier und seinen invertierten Wert in den folgenden 4 Bits als Redundanz. Entsprechend dem PID werden die nachfolgenden Daten im Empfänger verschieden interpretiert. Grundsätzlich wird am USB die Information beginnend mit LSB übertragen.
• Optionale Elemente: Folgende Elemente sind je nach Paket-Typ in den Paketen enthalten:
  • Fortlaufende 11-Bit-FRAME-Nummer. Ist der maximale Wert 7FF erreicht, wird wieder mit 000 begonnen. Sie ist nur im START-Paket SOF enthalten.
    uSOF: Nur jedes achte uSOF inkrementiert die FRAME-Nummer. Acht Mikroframes innerhalb eines Frames verwenden dieselbe FRAME-Nummer.
  • 7-Bit-Geräte-Adresse.
  • 4-Bit-Endpunkt-Nummer innerhalb eines Geräts.
  • CRC-Information als Datensicherung des Pakets.
  • End of Packet: (Low/Full Speed: SE0-Signalisierung, High Speed: 01111111 ohne Bit-Stuffing)

Das SOF wird im Full-Speed-Mode gesendet. Low-Speed-Ports können daher kein SOF empfangen, deshalb wird das SOF vom Hub in eine spezielle Signalisierung EOP umgewandelt (Low-Speed-Keep-Alive: Auf die beiden zum Low-Speed-Gerät führenden Signaladern D+/D- wird für 2 Low-Speed-Taktzyklen Low-Pegel angelegt).

Ein Gerät, das kein SOF oder Low-Speed-Keep-Alive EOP empfängt, geht in den Schlaf-Modus (Suspend Mode) mit verringerter Stromaufnahme (ca. 0,5 mA). Das SOF-Token geht an alle Geräte.

Befehls-Pakete (mit SETUP-Token) enthalten eine Geräteadresse und eine Endpunktadresse. Nur Geräte, die ihre Adresse in einem Paket erkennen, dürfen reagieren. Dasselbe gilt für IN- und OUT-Token.

Die Nutzdaten werden in DATA0- und DATA1-Paketen übertragen. Sind es größere Datenmengen, werden – aus Gründen einer eventuellen Fehlerbehandlung - immer abwechselnd DATA0- und DATA1-Pakete verwendet. Maximal sind pro Paket 1024 Byte Nutzdaten (Full Speed) bzw. xxxx Byte (High Speed) übertragbar. Die Nutzdaten sind über eine 16Bit-CRC-Information gesichert. Der Empfang von Nutzdaten wird über ein ACK-Paket (erfolgreich) oder eine NAK-Packet (nicht erfolgreich) quittiert. Über das STALL-Paket fordert ein Gerät die Hilfe des Host an wenn es z. B. weder Daten empfangen noch senden kann.

Konfigurationen

Bei vielen USB-Geräten existiert jedoch oft nur eine Konfiguration, obwohl durch dieses System eine enorme Flexibilität möglich wäre.

Device-Descriptor

Bytes	Offset	Name	Inhalt
1	0	bLength	Grösse des Descriptors in Bytes
1	1	bDescriptorType	Descriptor-Typ (0x01)
2	2	bcdUSB	USB-Version als packed-BCD mit dem Format JJMN, wobei JJ die Hauptnummer und M und N jeweils Sub-Nummern der vorangehenden sind. USB 1.0 0x0100, USB 1.1 0x0110 und USB 2.0 0x0200
1	4	bDeviceClass	Klassen-Code
1	5	bDeviceSubClass	Subklassen-Code
1	6	bDeviceProtocol	Protokoll-Code. Die letzten drei Grössen dienen dem System, um den richtigen Klassen-Treiber zu aktivieren. Bei Klassen-Code 0 definiert jedes Interface seinen eigenen Klassen-Code. Bei Klassen-Code 0xff ist der Code Vendor-spezifisch.
1	7	bMaxPacketSize	Maximale Paketgrösse für ENDP 0. Mögliche Werte sind 8, 16, 32 und 64.
2	8	idVendor	Vendor-ID
2	10	idProduct	Produkt-ID
2	12	bcdDevice	Version des Gerätes (Format wie USB-Version).
1	14	iManufacturer	String-Index für Hersteller oder NULL.
1	15	iProduct	String-Index für Produkt oder NULL.
1	16	iSerialNumber	String-Index für Seriennummer oder NULL.
1	17	bNumComfigurations	Anzahl Konfigurationen

Configuration-Descriptor

Interface-Descriptor

Endpoint-Descriptor

String-Descriptor

Die Sprachen sind international für USB festgelegt. Die folgenden Deskriptoren definieren die eigentlichen Strings:

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Copyright © FH München, FB 04, Prof. Jürgen Plate

Letzte Aktualisierung: 18. Dec 2007