USB und Firewire - Funktionalitäten und Anwendungen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Entwicklung
1.2 Motivation zu neuen Schnittstellentechnologien
1.2.1 Besondere Merkmale von USB
1.2.2 Besondere Merkmale von Firewire

2 Funktionalität und Anwendungen von USB und Firewire
2.1 Architektur und grundlegende Funktionen
2.1.1 USB Architektur
2.1.2 Firewire Topologie
2.2 Automatische Konfiguration (Hot-Plug-and-Play)
2.2.1 Hot-Plug-and Play beim USB
2.2.2 Automatische Konfiguration bei Firewire
2.3 Die verschiedenen Datenübertragungsarten
2.3.1 USB mit 4 Transfermodi und Paketversand
2.3.2 Firewire mit 2 Übertragungsarten
2.4 Die Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich
2.4.1 Einordnung der Applikationen nach ihren Geschwindigkeiten
2.4.2 Geschwindigkeiten von USB und Firewire
2.4.3 Typische Geschwindigkeitsprobleme durch fehlerhafte Architekturen
2.5 Kabel und Co
2.5.1 USB Anschlüsse
2.5.2 Firewire Anschlüsse
2.6 Anwendungsmöglichkeiten

3 Fazit

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: PC-Rückseite ohne USB oder Firewire

Abb. 2: Physikalische USB-Struktur

Abb. 3: Logische USB-Struktur

Abb. 4: Firewire Topoligie

Abb. 5: Firewire Baumstruktur (Peer-to-Peer)

Abb. 6: Applikationen nach Geschwindigkeitsklassen

Abb. 7: USB Stecker, links Typ B, rechts Typ A

Abb. 8: USB Full-Speed-Kabelquerschnitt

Abb. 9: Firewire Stecker, links 6-polig, rechts 4-polig

Abb. 10: Audio & MIDI Processing Unit

1 Einführung

In vielen Haushalten stehen immer noch PCs (= Personal Computer), die alte Konzepte zum Anschluss von Peripheriekomponenten verwenden. Anschlussmöglichkeiten, wie Parallele-, Serielle- oder eine PS/2-Schnittstelle (Personal System/2, PC-Serie von IBM mit neuem Bus-System) stammen immer noch aus den Entwicklungen der PC-Welt in den früheren 80er Jahren. Diese Modelle haben, für eine große Anzahl von Anwender, viele Nachteile. Viele von PC Nutzer sind bereits überfordert, einen Drucker, eine Maus oder ein anderes Gerät an der Rückseite des Computers anzuschließen. Für jedes Gerät gibt es einen eigenen Stecker. Aber das ist ja noch nicht das Ende des Szenariums; manche Peripheriegeräte benötigen sogar eine zusätzliche Steckkarte, die mühselig in den Rechner eingebaut werden muss. Dabei wird meistens der Tower unter dem Tisch hervorgezogen, teilweise Kabel abgesteckt oder sogar abgeschraubt. Nach dem Einbau der Karte, steckt dann meist der Teufel im Detail. Bis zu diesem Punkt schaffen es noch einige Anwender, bloß was macht man, wenn der PC die Karte nicht erkennt, oder sich nicht mehr einschalten lässt? Hier wird deutlich, dass oft nicht nur der Einbau die Schwierigkeit ist, sondern die Konfiguration, die den normalen Anwender in fast allen Fällen nicht interessiert, und letzt endlich nicht nur einen Leihen verzweifeln lässt. Darüber hinaus findet man immer mehr Zusatzgeräte, die natürlich alle an den PC angeschlossen werden sollen. Aber wohin? Jeder Rechner hat nur eine begrenzte Anzahl von Steckplätzen, und was ist dann noch möglich? Im folgenden möchte ich nun zwei moderne Komponenten-Schnittstellen Konzepte vorstellen, die diese Nachteile und obige Fragen beheben und zusätzlich noch viele Vorteile mit sich bringen. Es handelt sich hierbei um USB (= Universial Serial Bus) und Firewire (IEEE 1394).

1.1 Entwicklung

Der USB wird seit ~1990 von dem Konsortium Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom entwickelt und hat eine große Ähnlichkeit zu Appels Firewire (IEEE 1394), die seit 1986 von Apple vorgestellt und weiterentwickelt wird. Sony taufte „Firewire“ 1997 zum firmeneigenen DV-Produkt in „i.link“ um, um juristische Probleme zu vermeiden. Außer dem Kabel, das keine Spannungsversorgung für externe Geräte zur Verfügung stellt, gibt es keine großen Unterschiede. IEEE 1394 und USB sind serielle Highspeed-Interfaces (= Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen) zur isochronischen Datenübermittlung (= Datenübertragung in Echtzeit) zwischen den PC-Komponenten und/oder den Benutzerprodukten. Überdies verfügen die beiden Schnittstellen über eine Menge anderer Funktionen, die in dieser Arbeit noch genauer angesprochen werden.

1.2 Motivation zu neuen Schnittstellentechnologien

Wie schon in der Einführung beschrieben, haben die alten Schnittstellen eine Menge Nachteile. Für diese Nachteile wollten die Entwickler nun eine Lösung finden. Firewire und USB wurden hierzu in die Welt gerufen, die nun im folgenden Ihre Vorteile aufzeigen. Zum einen wird durch USB und Firewire das Schnittstellengewirr (= viele verschiedene Geräte mit einem anderen Kabel) verhindert, es gibt also nur noch eine einheitliche Schnittstelle für alle Geräte. Dadurch löst sich das Problem des andauernden Kabelsalats von selbst auf. Abbildung Abb.1 zeigt einen PC mit herkömmlichen Anschlussmöglichkeiten. Hier sind allerdings noch nicht einmal alle Steckplätze im Computer belegt. Trotzdem fällt schon ein unschönes Kabelgewirr auf und einige Kabel sind zudem zu kurz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: PC-Rückseite ohne USB oder Firewire

Ein weiterer Vorteil ist „Hot-Plug-and-Play“. Es dient dazu Verbindungen, wie z.B. eine Maus anstecken, im laufenden Betrieb herstellen zu können, ohne dass der Rechner nochmals herunter gefahren werden muss. So kann man jeder Zeit an eine USB oder Firewire Schnittstelle, im laufenden Betrieb, ein anderes Gerät anstecken und sofort verwenden. Bei einem alten Interface musste der Computer immer neu gestartet werden, damit das neu angeschlossene Gerät vom System erkannt wurde. Aus Hot-Plug-and Play resultiert die automatische Konfiguration. „Im laufenden Berieb angeschlossene Geräte werden erkannt und die zu deren Betrieb erforderliche Software (= Treiber) wird durch das Betriebssystem selbständig installiert.“^[1] Im Gegensatz dazu muss bei den alten Schnittstellen die Gerätekonfiguration noch manuell vorgenommen werden. USB und Firewire verhindern mit der automatischen Konfiguration lästige Ressourcen konflikte, wie z.B. die Konfiguration von Interrupts (=> unterbricht die aktuelle Arbeit des Prozessors um die Aufmerksamkeit der CPU [=Zentralprozessor] zu erhalten), mit I/O (=Input/Output), mit DMA (=Direkt Memory) oder dem setzen von Jumpern (= für die Deaktivierung und Aktivierung bestimmter Funktionen, oder der Konfiguration) und noch viele andere lästige manuelle Einstellungen. Die neuen Schnittstellen gewährleisten also eine einfache Nutzung und der Anwender wird nicht dazu gezwungen, in das System einzugreifen. Die nächsten zwei Abschnitte werden nun weitere Zusatznutzen jeder einzelnen Schnittstelle zusammenfassen.

1.2.1 Besondere Merkmale von USB

An eine USB Buchse können bis zu 127 verschiedene Geräte über Hubs in Form einer Baumstruktur angeschlossen werden. Es gibt verschiedene Geschwindigkeiten, um so billig wie möglich und nicht schneller als nötig fungieren zu können. Zum ersten gibt es Low-Speed (USB 1.0) mit 1.5 MBit/s, dann folgt Full-Speed (USB 1.1) mit 12 MBit/s und seit dem Jahr 2000 gibt es High-Speed (USB 2.0) mit 480 MBit/s. USB ist sehr preisgünstig und hat einheitliche, unverwechselbare Stecker und Kabel. Es gibt ein Stecker Typ A, der zur Hubkonsole gehört und es gibt ein Stecker Typ B, der in die Clientkonsole gesteckt wird. Die einzelnen Kabel dürfen bis zu 5m lang sein. Die überbrückbare Gesamtdistanz beträgt 30 m und das Kabel kann die Geräte mit Strom versorgen. USB bietet 4 Transferarten, den Control-, Interrupt-, Isochronous-, und Bulk Transfer, die später noch genauer erläutert werden.

1.2.2 Besondere Merkmale von Firewire

Hingegen zu vielen anderen Netzwerktechnologien können bei Firewire 63 bzw. 1023 Geräte an einen Controller (= Prozessor der die CPU bei der Arbeit unterstützt) angeschlossen werden. Hierbei sind zwei Adressierungsarten zu beachten. Der 6-Bit Node, zur Selektierung von 63 Geräten, oder der 10-Bit-Node, um 1023 Geräte verwalten zu können. Die Schnittstelle kann eine Datenübertragung von bis zu 400

Mbit/s erreichen. Sie ermöglicht einen asynchronen Transfer (=> Quelle und Ziel müssen nicht gleich getaktet sein) und gleichzeitig ein Real-Time-Datentransfer oder isochronen Modus (=> bezeichnet Rechenoperationen von verschiedenen Daten, ohne größere zeitliche Verzögerung, also in Echtzeit) über eine gleiche Leitung. Firewire bietet die Möglichkeit, die Geräte in einer Peer-to-Peer Anbindung (= in Reihe) anzuordnen. Es ist also kein Ring notwendig. Dabei kann z.B. ein gespeichertes Bild auf einer digitalen Kamera direkt auf dem Drucker ausgegeben werden. Kabel können zwischen den einzelnen Knoten (=Geräte) bis 4,5 m lang sein. Bei einer Geschwindigkeitsbegrenzung auf 200 MBit/s ist dagegen ein Kabel bis zu 14 m Länge möglich. Die gesamte Kabellänge eines Strangs darf 72m nicht überschreiten.

2 Funktionalität und Anwendungen von USB und Firewire

In den folgenden Kapiteln werden nun die Architektur, die automatische Konfiguration, die Datenübertragungsarten, die Übertragungsgeschwindigkeiten und der Kabelaufbau im einzelnen erläutert. Am Ende des Kapitels werden noch Anwendungsbeispiele für beide Schnittstellen zusammengefasst.

2.1 Architektur und grundlegende Funktionen

In diesem Kapitel wird im einzelnen auf die physikalische und logische Topologie der beiden Interfaces eingegangen. Es werden Aufbau, Anschlussmöglichkeiten und die grundlegende Datenübertragung zwischen Computer und Geräte definiert.

2.1.1 USB Architektur

Die physikalische Topologie (=> zeigt wie die Geräte tatsächlich angesteckt werden müssen) eines USB ist eine kaskadierte Sternstruktur (Abb. 2, Seite 5). Die Spitze dieser Struktur ist immer der USB-Hostadapter (Host = PC/Rechner) im Computer, der alle Vorgänge steuert. An diesem Ausgang liegt immer der Root-Hub. Hier können entweder einzelne Geräte, oder mit dem Anschluss von USB-Hubs mehrere Geräte angeschlossen werden. Hubs sind Geräte, die Verzweigungen an ein bestehendes Port (= Eingangs-/Ausgangskanal) ermöglichen. Sie dürfen allerdings keine Anforderungen durch den Host schicken; genauso wie die Endgeräte. Die Endgeräte an einem Baum werden Function bezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2^[2]: Physikalische USB-Struktur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3^[3]: Logische USB-Topologie

Die logische Topologie (=> zeigt wie der USB im logischen Sinn arbeitet) ist die Sternstruktur (Abb. 3). Da nur der Host eine Masterfunktion besitzt, fehlen in der logischen Struktur die Hubs. Nur der Host hat die Berechtigung, selbst zu senden und zu empfangen. Deshalb werden die angesteckten Geräte vom Host regelmäßig abgefragt, ob sie etwas zu melden haben. Der Host managet alle Vorgänge durch eine Host Software und einem Host-Controller (= Steckkarte oder On Board) auf dem Motherboard, und leitet diese an den Root-Hub (=> ist meist im Host integriert) weiter. Der Root-Hub ist für die Steuerung der anhängenden USB Peripherie verantwortlich. Er steuert die Stromzufuhr, sperrt oder schaltet Ports frei, er erkennt den Dis-/Connect-Status von Geräten und er übernimmt die Statusverwaltung der einzelnen Ports. In den meisten Fällen stellt der Root-Hub 2 Ports an der Computerrückseite zur Verfügung. Bei USB 1.1 sind insgesamt 5 Ebenen erlaubt (inkl. Root-Hub). USB 2.0 erlaubt hingegen schon 7 Ebenen inklusive dem Root-Hub. Es dürfen also zwischen Root-Hub und Function nur 5 Hubs nacheinander geschaltet werden. „Der USB 1.1 Datentransfer vom Host zur Function (= Downstream-Richtung) erfolgt im Broadcast-Modus, d.h. alle Daten, die der Host sendet werden durch die Hubs an alle Geräte verteilt.“^[4] Das Gerät, das seine Adresse im Datenpaket erkennt, antwortet. Die Antwort geschieht auf dem kürzesten Weg von der Function, über den Root-Hub, zum Host (= Upstream-Richtung). Dabei gibt es vier Transferarten die später noch genauer erklärt werden. Eine Kommunikation zwischen den Functions ist nicht möglich. Es muss immer der Host dazwischen geschaltet sein.

2.1.2 Firewire Topologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4^[5]: Firewire Topologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5^[6]: Firewire Baumstruktur (Peer-to-Peer)

Anders als bei USB wird bei Firewire für den Anschluss von mehreren Peripheriegeräten kein Hub benötigt. Abbildung Abb. 4 beschreibt eine Möglichkeit für den Anschluss von Videoanwendungen. Videorecorder und Camcorder werden direkt am DV-Monitor angesteckt es besteht keine Verbindung zum PC. Damit ist das Einschalten des PC nicht mehr notwendig. Zwischen den Geräten sind keine Hubs geschaltet, die Geräte sind direkt miteinander verbunden. Selbst die IDs (=Adressen) sind nicht hierarchisch vergeben, sondern werden bei jeder Änderung der Struktur (z.B. ein Gerät wird neu zugeschaltet oder entfernt) in einem Autokonfigurationsprozess neu vergeben. „Die meisten Geräte mit 1394 Anschluss besitzen zwei Ports, einige sogar drei, über die man bis zu 63 Geräte als Kette oder in fast beliebiger Verästelung miteinander vernetzen kann. Zwar gibt es auch Geräte mit nur einem Port, etwa digitale Kameras, am Ende eines Zweigs stört dieser Umstand aber wenig.“^[7] In jedem 1394 Bussystem dürfen in einer Kette bis zu 17 Geräte (oder 16 Kabelstücke) nacheinander geschaltet werden. Dabei darf eine Kette, egal von welchem Punkt aus im Netzwerk, diese Anzahl nie überschreiten. Abbildung Abb. 5 (Seite 8) zeigt eine Möglichkeit für eine gültige Verzweigung, hier sind z.B. Gerät 33 zu Gerät 1 oder Gerät 22 zu 36 oder 17 einzelne Ketten. Dabei dürfen keine Schleifen innerhalb oder zwischen den Ketten geschaltet werden.

[...]

^[1] Kelm (2001), Seite 18

^[2] http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/lehre/pc-technologie/07-usb-1394.pdf, 06.04.02

^[3] http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/lehre/pc-technologie/07-usb-1394.pdf, 06.04.02

^[4] Kelm (2001), Seite 43

^[5] Vgl. www.tecchannel.de/hardware/299/3.html, 06.04.02

^[6] Vgl. www.tecchannel.de/hardware/299/2.html, 06.04.02

^[7] Stöbe (2001), Seite 2