Wie sieht der USB Anschluss aus?

 

Universal Serial Bus - die praktische Schnittstelle

 

Seit Anfang 1997 findet man an der Rückseite der meisten neuen PCs einen oder zwei neue, rechteckige Steckverbinder. Deren Bedeutung blieb lange Zeit vielen Anwendern unklar, schließlich gab es nichts, was man daran hätte anschließen können. Hinter den Buchsen verbirgt sich der neue Universal Serial Bus (USB). Dieser Standard sollte Schluss machen mit dem Kabelgewirr am PC. Schließlich sind am Rechner oftmals 5 oder mehr Peripheriegeräte angeschlossen, jeweils mit unterschiedlichen Übertragungsstandards und Steckverbindern. Die bisherigen Schnittstellen unterstützten dabei in der Regel nur niedrige Übertragungsraten. Bei höheren Anforderungen an die Bandbreite bediente man sich spezieller PC-Erweiterungskarten. USB dagegen bietet für die verschiedensten Peripheriegeräte (Drucker, Maus, Tastatur, Modem, Scanner, Joystick, ISDN, Digitalkamera, etc.) eine einheitliche Schnittstelle.   Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei USB um eine serielle Übertragung der Daten, allerdings mit wesentlich höherer Geschwindigkeit als z.B. bei RS-232 Schnittstellen. Dadurch eignete sich der Bus auch für anspruchsvolle Anwendungen, z.B. in der Messdatenerfassung. Die Übertragung beim USB erfolgt über eine einzelne Datenleitung mit einer Taktfrequenz von 12 MHz. Daraus ergibt sich eine maximale Brutto Datenrate von 1,5 Mbyte/s. Für den Takt wird keine separate Leitung verwendet, vielmehr wird durch eine NRZI-Codierung sichergestellt, dass der Takt aus den Daten regeneriert werden kann. Dazu muss nach spätestens sechs Bits mit ´1´ ein Bit mit einer ´0´ folgen, bzw. eingefügt werden. Dadurch kann im Extremfall die verfügbare Bandbreite um 16,67% verringert werden. Die Datenübertragung ist in sogenannte Frames von 1ms Dauer unterteilt. Ein Frame kann daher bis zu 1500 Byte Daten beinhalten. Davon werden einige jedoch für das Protokoll und Kontrollfunktionen benötigt, so dass im Worst-Case Fall etwa 1100 Byte Nutzdaten pro Frame verfügbar bleiben. Bei der Implementierung des USB wurde die Möglichkeit geschaffen, für bestimmte Teilnehmer am Bus feste Bandbreiten zu reservieren. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie Telefonie, Audio oder Messtechnik, bei denen bestimmte Übertragungsraten verfügbar sein müssen. Die verbleibenden Lücken innerhalb der Frames können für den Transport weniger zeitkritischer Daten verwendet werden, wie z.B. die Ansteuerung von Druckern oder Scannern. Während die übliche Übertragungsrate bei 12 Mbit/s liegt, ist ein spezieller "Low-Speed" Modus mit 1,5 Mbit/s vorgesehen. Bei dieser Betriebsart können je Frame nur 8 Byte Daten übertragen werden, die dafür notwendige Zeit ist bereits in den Frames berücksichtigt. Der Low-Speed Betrieb eignet sich vor allen Dingen für Peripheriegeräte wie Maus oder Joystick, bei denen nur geringe Datenmengen anfallen. An einen USB lassen sich bis zu 126 Geräte anschließen. Dazu werden Verteiler (Hubs) eingesetzt, die beispielsweise in Monitoren und Tastaturen integriert sind. Die Kabellänge zwischen Hub und Peripheriegerät kann dabei bis zu 5 m betragen. Es wird ein vierpoliges Kabel verwendet, ein Adernpaar ist für die Datenübertragung vorgesehen, ein weiteres dient der Stromversorgung. Je nach Leistungsaufnahme können Peripheriegeräte direkt über den USB versorgt werden, so daß die heute oftmals verwendeten Steckernetzteile in vielen Fällen überflüssig werden. Eine wichtige Eigenschaft von USB ist die "Hot-Plug"-Fähigkeit. Dadurch können Geräte hinzugefügt oder entfernt werden, ohne den Rechner neu booten zu müssen. In regelmäßigen Abständen werden dabei die Hubs nach neuen Geräten abgefragt. Wird eine neue Peripherie hinzugefügt, wird dies dem Rechner signalisiert. Auch werden dem Rechner Informationen über das Gerät selbst mitgeteilt. Damit ist echter Plug-and-Play Betrieb möglich. Durch die relativ hohe Übertragungsrate eignet sich USB auch sehr gut für Anwendungen in der Messtechnik. Ein praktisches Beispiel soll die Bandbreite verdeutlichen: die gleichzeitige Übertragung von Musik in Stereo mit CD-Qualität (2 Kanäle mit 16 Bit bei 44,1 kHz Abtastrate) sowie ISDN Datenübertragung auf beiden B-Kanälen (128 kBit/s) benötigt lediglich 50% der verfügbaren Bandbreite. Ein Datenerfassungssystem mit 100 kHz Abtastrate bei den Analogeingängen gleichzeitig 100 kHz Aktualisierungsrate bei Analogausgängen benötigt ebenfalls nur etwa 50% der Bandbreite. Intelligent Instrumentation bringt mit dem PCI-20xxx ein USB-Datenerfassungssystem auf den Markt, das die gleichen Leistungsmerkmale wie eine PC-Einsteckkarte bietet. Neben 16 Analogeingängen mit einer Summenabtastrate von 100 kHz verfügt das System über 2 Analogausgänge mit gleicher Geschwindigkeit. Darüber hinaus bietet das System 16 Digitalkanäle sowie Taktgeneratoren und Zähler. Ein FIFO (First In, First Out)-Speicher im System ermöglicht die kontinuierliche Datenerfassung oder –ausgabe auch bei maximaler Geschwindigkeit. Der Grund für die lange Zeit nur geringe Verbreitung des USB lag in der Vergangenheit in erster Linie an der geringen Zahl verfügbarer Peripheriesysteme. Diese wurden nicht angeboten, da es an Softwareunterstützung für USB fehlte. Mit der Markteinführung von Windows 98 änderte sich dies, da die USB-Unterstützung direkt in das Betriebssystem integriert war. Auch Besitzer älterer Rechner konnten nunproblemlos die Vorteile von USB nutzen. Für Rechner ohne integrierte USB Hardware war eine Erweiterung mit entsprechenden Einsteckkarten möglich. Auch Besitzer von Notebooks konnten endlich eine größere Anzahl von leistungsfähigen Peripheriegeräten nutzen. Für noch höhere Anforderungen an die Bandbreite gab es mit der Zeit ebenfalls Lösungen. Mit Firewire war ein serieller Standard in der Entwicklung, der für extern an den PC angeschlossene Geräte die gleiche Performance bot wie der damalige PCI-Bus. So wurde es denkbar, dass Rechner ohne interne Steckplätze zum Standard wurden, da man sämtliche Peripherie auch extern anschließen konnte.
www.e-online.de/sites/praxis/com0005.htm
www.usb.org

 

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