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Schnittstellen
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Inhalt
Artikel
USB
Universal Serial Bus
1
1
Serielle Datenübertragung
23
RS-232
25
EIA-485
32
Serial Peripheral Interface
36
GPIB/IEEE
IEC-625-Bus
EtherCAT/Ethernet
EtherCAT
PXI
39
39
44
44
50
PCI eXtensions for Instrumentation
50
Quellennachweise
Quelle(n) und Bearbeiter des/der Artikel(s)
51
Quelle(n), Lizenz(en) und Autor(en) des Bildes
52
Artikellizenzen
Lizenz
54
1
USB
Der Universal Serial Bus (USB) [ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈsɪɹiəl bʌs] ist ein serielles Bussystem zur Verbindung eines
Computers mit externen Geräten. Mit USB ausgestattete Geräte oder Speichermedien (USB-Speichersticks) können
im laufenden Betrieb miteinander verbunden (Hot-Plugging) und angeschlossene Geräte sowie deren Eigenschaften
automatisch erkannt werden.
Überblick
USB ist ein serieller Bus, d. h. die einzelnen Bits eines Datenpaketes
werden nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt
symmetrisch über zwei verdrillte Leitungen, wobei durch die eine
Leitung das Datensignal und durch die andere das dazu jeweils
invertierte Signal übertragen wird. Der Signalempfänger bildet die
Differenzspannung beider Signale; der Spannungsunterschied
zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß, eingestrahlte
Störungen werden weitgehend eliminiert. Das erhöht die
Übertragungssicherheit und unterdrückt Gleichtaktstörungen. Zwei
weitere Leitungen dienen zur Stromversorgung der angeschlossenen
Geräte. Durch die Verwendung von nur vier Adern in einer Leitung
können diese dünner und billiger ausgeführt werden als bei parallelen
Schnittstellen. Eine hohe Datenübertragungsrate ist mit relativ
geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale mit
identischem elektrischen und zeitlichen Verhalten übertragen werden
müssen.
USB-Symbol
Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (Master)
Altes USB-Logo, das nicht mehr verwendet
vor, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den
werden soll
sog. Slave-Clients) übernimmt. Daran können theoretisch bis zu 127
verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einem USB-Port kann
immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden. Sollen an einem Host mehrere Geräte angeschlossen werden, muss
deshalb ein Verteiler (Hub) für deren Kopplung sorgen. Durch den Einsatz von Hubs entstehen Baumstrukturen, die
alle im Host-Controller enden.
Einsatzgebiete von USB
USB eignet sich für viele Geräte wie Massenspeicher (etwa Festplatte, Diskette, DVD-Laufwerk), Drucker, Scanner,
Webcams, Maus, Tastatur, aktive Lautsprecher, aber auch Dongles und sogar Grafikkarten und Monitore.[1] Einige
Geräte, zum Beispiel USB-Speichersticks, sind überhaupt erst mit USB entstanden. USB kann für Geräte mit
geringem Stromverbrauch wie Mäuse, Telefone, Tastaturen, aber auch einige CIS-Scanner oder manche
2,5-Zoll-Festplatten und externe Soundkarten die Stromversorgung übernehmen.
USB soll viele ältere externe PC-Schnittstellen ersetzen, sowohl serielle (RS-232, PS/2-Schnittstelle für Tastatur und
Maus, Apple Desktop Bus), parallele (Centronics-Schnittstelle) als auch analoge (Gameport). Die alten Schnittstellen
2
werden auf manchen Rechner-Hauptplatinen und Notebooks noch immer (2011) angeboten, auch wenn
entsprechende Geräte nicht mehr im Handel erhältlich sind. Alte Geräte, wie serielle Modems oder parallele Drucker
sind aber vielerorts noch vorhanden. Im industriellen Bereich wird noch oft RS-232 über ältere PCs oder
Adapterkarten eingesetzt, da entsprechende USB-Adapter nicht echtzeitfähig sind und Peripheriegeräte in diesem
Umfeld wesentlich langlebiger sind. Mittlerweile hat USB auch PCMCIA-Slots und externe SCSI-Schnittstellen
weitgehend verdrängt.
Im Vergleich zu den früheren Lösungen bietet USB deutlich höhere Datenübertragungsraten. Die Daten werden
jedoch in Paketen übertragen, für manche zeitkritische Anwendungen ist es deshalb weniger geeignet – etwa bei mit
nur wenigen Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum
Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde.
Seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich, dadurch ist USB
zum Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Fotokameras geeignet. Bei externen
Massenspeicherlösungen steht USB heute in Konkurrenz zu FireWire und eSATA.
Geschichte und Entwicklung
Der universelle serielle Bus (USB 1.0) wurde vom Hersteller Intel
entwickelt und 1996 im Markt eingeführt. Er war zum Anschluss von
Peripheriegeräten an PCs konzipiert und sollte die Nachfolge einer
ganzen Reihe damals verwendeter PC-Schnittstellen antreten und diese
vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur
und Maus begrenzt, sondern schloss auch andere Peripheriegeräte wie
Drucker und Scanner mit ein. Massenspeicher – wie etwa Festplatten –
wurden zwar von USB 1.0 unterstützt, wegen der maximalen Datenrate
von 12 Mbit/s waren sie dafür aber nur sehr eingeschränkt zu
gebrauchen.
USB-2.0-PCI-Erweiterungskarte
Als einer der ersten Chipsätze unterstützte 1996 der ursprünglich für den Pentium Pro entwickelte und später für den
Pentium II verwendete 440FX das USB-Protokoll, was vor Einführung der ATX-Mainboards jedoch kaum bis gar
nicht beworben wurde. Die Hauptursache dafür dürfte zum einen in der mangelhaften beziehungsweise fehlenden
Unterstützung von USB durch die damals verbreiteten Betriebssysteme Windows 95 und Windows NT 4.0 gelegen
haben, zum anderen waren in der Anfangszeit auch kaum USB-Geräte verfügbar. Dieser zähe Start brachte ihm den
Spitznamen Useless Serial Bus ein.
Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der
1.0-Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit erhöhte sich nicht.
USB 1.x war deshalb keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394), der von Anfang an (1995) eine
Datenrate von bis zu 400 Mbit/s hatte und im April 2003 auf bis zu 800 Mbit/s beschleunigt wurde. Dennoch setzte
Apple die Schnittstelle in der Revision USB 1.1 mit der Entwicklung des iMac ein. Mit diesem beginnend ersetzte
Apple damit den hauseigenen ADB.
Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 spezifiziert, was vor allem eine weitere Datenrate von 480 Mbit/s hinzufügte und so
den Anschluss von Festplatten oder Videogeräten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am
Markt.
2008 wurden die neuen Spezifikationen für USB 3.0 SuperSpeed vorgestellt, die mit einer Datenrate von 5 GBit/s
beworben wird, allerdings nur eine Brutto-Datentransferrate von 4 Gbit/s erlaubt. Die theoretisch maximal mögliche
Netto-Datenrate liegt noch einmal etwas unter der Brutto-Datenrate. Mit dieser Spezifikation werden auch neue
Stecker, Kabel und Buchsen eingeführt, die größtenteils mit den alten kompatibel sind.[2]
Die ersten Mainboards und Geräte mit USB 3.0 zogen 2011 in den Massenmarkt ein. Im selben Jahr veröffentlichte
Intel zusammen mit Apple die Thunderbolt-Schnittstelle in direkter Konkurrenz. Thunderbolt ist dabei 3–6 Mal
schneller als USB 3.0 (2 x 10 Gbit/s) und vereint weitere Schnittstellen wie DisplayPort und eSATA in sich.
Spannungsversorgung
Neben dem Datenprotokoll spezifiziert der USB-Standard die bereitgestellte Spannung. Sie ist stabilisiert, liegt bei
5 V ±5 % und liefert eine Stromstärke von mindestens 100 mA. Auf diesem Standard basieren USB-Netzteile.
Erst nach Freigabe durch den Host-Controller darf ein Gerät mehr als die obigen 100 mA, aber nicht mehr als
500 mA (bis USB 2.0) bzw. 900 mA (USB 3.0[3]) Strom beziehen. Am Ausgang des USB-Host muss die Spannung
zwischen 4,65 V und 5,25 V liegen, allerdings ist ein Spannungsabfall bis auf 4,40 V am Ende eines USB-Kabels
zulässig, hinter einem passiven USB-Hub sind sogar 4,00 V erlaubt.[4]
Externe 2,5″-Festplatten haben Anlaufströme von 600 mA bis 1100 mA, im Betrieb begnügen sie sich mit 250 mA
bis 400 mA (Stand: 2010). Die kurzzeitige Überlastung des USB-Ports wird von fast allen Geräten geduldet, nur
wenige Geräte (meist Festplattenrecorder) haben mit besonders stromhungrigen Festplatten Probleme. Die früher
häufig zu findenden Doppel-USB-Anschlüsse (die laut USB-Spezifikation nicht zulässig sind) oder zusätzliche
Betriebsspannungseingänge an Festplatten sind selten geworden (Stand: 2011). Externe 1,8″-Festplatten liegen mit
Anlaufströmen um die 400 mA und Betriebsströmen um die 150 mA innerhalb der USB-Spezifikation und bereiten
somit keine Probleme. Mit USB 3.0 wurde auch der maximale Strom auf 900 mA erhöht[3]. Damit ist die
Stromversorgung vieler, aber nicht aller, im Handel erhältlicher externer 2,5″-Festplatten unter Einhaltung der
USB-Spezifikationen gesichert. Im Gegensatz zu kleineren Festplattenformaten lassen sich externe 3,5″-Festplatten
grundsätzlich nicht ohne separate Spannungsversorgung an einem USB-Anschluss betreiben. Zum einen, weil sie
neben den 5 V auch 12 V als Betriebsspannung benötigen, und zum anderen, weil ihr Strombedarf über die
spezifizierten 500 mA hinausgeht. Typisch liegt dieser bei 800 bis über 1000 mA.
In der EU-Initiative für einheitliche Mobiltelefon-Lade/Netzgeräte,[5][6] welche sich im Wesentlichen an die 2009 in
Version 1.1 erschienene USB „Battery Charging Specification“[7] anlehnt, ist auch ein USB-Lademodus mit einem
Ladestrom zwischen 500 und 1500 mA spezifiziert; dieser Lademodus wird mittels Kennung in der Datenleitung
aktiviert.
Übertragungstechnik/Spezifikation
Die verschiedenen Host-Controller
Die USB-Controller-Chips in den PCs halten sich an einen von drei etablierten Standards. Diese unterscheiden sich
in ihrer Leistungsfähigkeit und der Implementierung von bestimmten Funktionen. Für ein USB-Gerät sind die
verwendeten Controller (fast) vollständig transparent, allerdings ist es für den Benutzer des PC mitunter wichtig,
feststellen zu können, welche Art Chip der Rechner verwendet, um den korrekten Treiber auswählen zu können.
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 im
Low- oder Full-Speed-Modus. Sie werden ausschließlich von den Herstellern Intel und VIA Technologies
gebaut.
Open Host Controller Interface
OHCI ist eine Spezifikation, die gemeinsam von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt
wurde. 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 Hardware und ist dadurch marginal
3
schneller als ein UHCI-Controller. Dieser Unterschied bewegt sich meist in Bereichen, die gerade noch
messbar sind, daher kann man ihn in der Praxis vernachlässigen; Geräteentwickler müssen es jedoch
berücksichtigen. Bei USB-Controllern auf Hauptplatinen mit Chipsätzen, die nicht von Intel oder VIA
stammen, und auf USB-PCI-Steckkarten mit Nicht-VIA-Chipsätzen handelt es sich mit hoher
Wahrscheinlichkeit um OHCI-Controller.
Enhanced Host Controller Interface
EHCI stellt USB-2.0-Funktionen bereit. Es wickelt dabei nur die Übertragungen im High-Speed-Modus
(480 Mbit/s) ab. 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 (alle Controller sind
typischerweise auf demselben Chip). Wenn kein EHCI-Treiber verfügbar ist, werden High-Speed-Geräte
ebenfalls an den USB-1.1-Controller durchgereicht und arbeiten dann soweit möglich mit langsamerer
Geschwindigkeit.
Extensible Host Controller Interface
Die xHCI-Spezifikation 1.0 wurde im Mai 2010 von Intel veröffentlicht[8] und stellt zusätzlich zu den mit
USB 2.0 verfügbaren Übertragungsgeschwindigkeiten den SuperSpeed-Modus mit 5 Gb/s bereit.
Einstellungen und Schnittstellen
Intern adressiert der USB-Controller die angeschlossenen Geräte mit einer sieben Bit langen Kennung, wodurch sich
die 127 maximal anschließbaren Geräte ergeben. Wenn an einem Port neue Geräte detektiert werden, schaltet der
Host-Controller diesen ein und sendet dem angeschlossenen Gerät einen Reset, indem er beide Datenleitungen für
mindesten 10 ms auf Massepotential legt.[9] Dadurch belegt das Gerät zunächst die Adresse 0 und bekommt dann
vom Host eine eindeutige Adresse zugeteilt. Da immer nur ein Port mit noch nicht konfiguriertem Gerät aktiviert
wird, kommt es zu keinen Adresskollisionen.
Der Host-Controller fragt meist zuerst nach einem Device-Deskriptor, der unter anderem die Hersteller- und
Produkt-ID enthält. Mit weiteren Deskriptoren teilt das Gerät mit, welche alternativen Konfigurationen es besitzt, in
die es von seinem Gerätetreiber geschaltet werden kann. Bei einer Webcam könnten diese Alternativen etwa darin
bestehen, ob die Kamera eingeschaltet ist oder ob nur das Mikrofon läuft. Für den Controller ist dabei relevant, dass
die unterschiedlichen Konfigurationen auch einen unterschiedlichen Strombedarf mit sich bringen.
Innerhalb einer Konfiguration kann das Gerät verschiedene Schnittstellen definieren, die jeweils über einen oder
mehrere Endpunkte verfügen. Unterschiedlicher Bedarf an reservierter Datenrate wird über sogenannte Alternate
Settings signalisiert. Ein Beispiel dafür ist eine Kamera (etwa eine Webcam), die Bilder in zwei verschiedenen
Auflösungen senden kann. Das Alternate Setting 0 wird aktiviert, wenn ein Gerät keine Daten übertragen möchte
und somit pausiert.
Geräteklassen
Damit nicht für jedes Gerät ein eigener Treiber nötig ist, definiert der USB-Standard verschiedene Geräteklassen, die
sich durch generische Treiber steuern lassen. Auf diese Weise sind USB-Tastaturen, -Mäuse, USB-Massenspeicher,
Kommunikations- („Communications Device Class“, kurz: CDC) und andere Geräte mit ihren grundlegenden
Funktionen sofort verwendbar, ohne dass zuvor die Installation eines spezifischen Treibers notwendig ist.
Herstellerspezifische Erweiterungen (die dann einen eigenen Treiber erfordern) sind möglich. Die Information, zu
welchen Geräteklassen sich ein Gerät zählt, kann im Device-Deskriptor (wenn das Gerät nur einer Klasse angehört)
oder in einem Interface-Deskriptor (bei Geräten, die zu mehreren Klassen gehören) untergebracht werden.
4
5
USB-Geräteklassen[10]
Klasse Verwendung
Beschreibung
Beispiele
00h
Gerät
Composite Device
Die Klasse wird auf Ebene der Interface-Deskriptoren definiert
01h
Interface
Audio
Lautsprecher, Mikrofon, Soundkarte, MIDI
02h
Beides
Kommunikation und CDC-Steuerung Modem, Netzwerkkarte, Wi-Fi-Adapter
03h
Interface
Human Interface Device
Tastatur, Maus, Joystick etc.
05h
Interface
Physical Interface Device
Physikalisches Feedback, etwa für Force-Feedback-Joysticks
06h
Interface
Bilder
Digitalkamera, Scanner
07h
Interface
Drucker
Laserdrucker, Tintenstrahldrucker
08h
Interface
Massenspeicher
USB-Stick, Festplatten, Speicherkarten-Lesegeräte, MP3-Player
09h
Gerät
USB-Hub
Full-Speed Hub, High-Speed Hub
0Ah
Interface
CDC-Daten
diese Klasse wird zusammen mit Klasse 02h verwendet
0Bh
Interface
Chipkarte
Chipkarten-Lesegerät
0Dh
Interface
Content Security
Finger-Print-Reader
0Eh
Interface
Video
Webcam
0Fh
Interface
Personal Healthcare
Pulsuhr
10h
Interface
Audio/Video Devices
AV-Streaming-Geräte
DCh
Beides
Diagnosegerät
USB-Compliance-Testgerät
E0h
Interface
kabelloser Controller
Bluetooth-Adapter, Microsoft RNDIS
EFh
Beides
Diverses
ActiveSync-Gerät
FEh
Interface
softwarespezifisch
IrDA-Brücke
FFh
Beides
herstellerspezifisch
der Hersteller liefert einen Treiber mit
Übertragungsmodi
Der USB bietet den angeschlossenen Geräten verschiedene Übertragungsmodi an, die diese für jeden einzelnen
Endpunkt festlegen können.
Endpunkte
USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten „Endpunkten“, gewissermaßen Unteradressen des
Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial
Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit
mehreren getrennten Funktionen (Webcams, die Video und Audio übertragen) haben mehrere Endpunkte. Die
Übertragungen von und zu den Endpunkten erfolgen meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist
deshalb ein IN- und ein OUT-Endpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des
Hostcontrollers). Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Mode verwenden.
In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration
des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch weitere Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer
den Control Transfer Mode. Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: Den Control-Endpunkt (der
eigentlich zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low-Speed-Geräte sind auf
Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Mode mit maximal 8 Bytes pro Transfer
beschränkt.
6
Isochroner Transfer
Der isochrone Transfer ist für Daten geeignet, die eine garantierte Datenrate benötigen. Diese Transferart steht für
Full-Speed- und High-Speed-Geräte zur Verfügung. Definiert das sogenannte Alternate Setting einen Endpunkt mit
isochronem Transfer, so reserviert der Host-Controller-Treiber die erforderliche Datenrate. Steht diese Datenrate
nicht zur Verfügung, so schlägt die Aktivierung des genannten Alternate Settings fehl, und es kann mit diesem Gerät
keine isochrone Kommunikation aufgebaut werden.
Die erforderliche Datenrate ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und der Größe des Datenpuffers.
Full-Speed-Geräte können jede Millisekunde bis zu 1023 Bytes je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kbyte/s),
High-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 kbytes ausführen
(24 Mbyte/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate
entsprechend. Die Übertragung ist mit einer Prüfsumme (CRC16) gesichert, wird aber bei einem Übertragungsfehler
durch die Hardware nicht wiederholt. Der Empfänger kann erkennen, ob die Daten korrekt übertragen wurden.
Isochrone Übertragungen werden zum Beispiel von der USB-Audio-Class benutzt, die bei externen
USB-Soundkarten Verwendung findet.
Interrupt-Transfer
Interrupt-Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen,
die zu nicht genau bestimmbaren Zeitpunkten verfügbar sind. Im
Endpoint Descriptor teilt das Gerät mit, in welchen maximalen
Zeitabständen es nach neuen Daten gefragt werden möchte. Das
kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low-Speed 10 ms, bei
Full-Speed 1 ms und bei High-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs.
Bei Low-Speed können pro Abfrage bis zu 8 Byte, bei Full-Speed bis
zu 64 Byte und bei High-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden.
Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 800 byte/s bei
Low-Speed, 64 kbyte/s bei Full-Speed und bis zu 24 Mbyte/s bei
High-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfsumme (CRC16) gesichert
und werden bei Übertragungsfehlern bis zu dreimal durch die
Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse (Human Interface
Device), zum Beispiel Tastaturen, Mäuse und Joysticks, übertragen die
Daten über den Interrupt-Transfer.
USB-Maus für Notebooks
Bulk-Transfer
Bulk-Transfers sind für große Datenmengen gedacht, die jedoch nicht zeitkritisch sind. Diese Transfers sind niedrig
priorisiert und werden vom Controller durchgeführt, wenn alle isochronen und Interrupt-Transfers abgeschlossen
sind und noch Datenrate übrig ist. Bulk-Transfers sind durch eine Prüfsumme (CRC16) gesichert und werden durch
die Hardware bis zu dreimal wiederholt. Low-Speed-Geräte können diese Transferart nicht benutzen.
Full-Speed-Geräte benutzen Puffer-Größen von 8, 16, 32 oder 64 Bytes. High-Speed-Geräte verwenden immer einen
512 Byte großen Puffer.
Control-Transfer
Control-Transfers sind eine besondere Art von Datentransfers, die einen Endpunkt erfordern, der sowohl In- als auch
Out-Operationen durchführen kann. Control-Transfers werden generell in beide Richtungen bestätigt, so dass Sender
und Empfänger immer sicher sein können, dass die Daten auch angekommen sind. Daher wird der Endpunkt 0 im
Control-Transfer-Modus verwendet. Control-Transfers sind zum Beispiel nach dem Detektieren des USB-Geräts und
zum Austausch der ersten Kommunikation elementar wichtig.
7
USB On-the-go
Durch USB On-the-go (OTG) können entsprechend ausgerüstete
Geräte kommunizieren, indem eines der beiden eine eingeschränkte
Host-Funktionalität übernimmt. Dadurch kann auf einen Computer, der
die Host-Funktion übernimmt, verzichtet werden. Mögliche
Einsatzgebiete sind beispielsweise die Verbindung von Digitalkamera
und Drucker oder der Austausch von Musikdateien zwischen zwei
MP3-Spielern.
Logo für USB-OTG-Geräte
Gekennzeichnet werden USB-OTG-Produkte durch das USB-Logo mit
zusätzlichem grünem Pfeil auf der Unterseite und weißem
„On-The-Go“-Schriftzug. Die USB-OTG-Spezifikation wurde am
18. Dezember 2001 verabschiedet. OTG-Geräte sind zum Beispiel die
seit November 2007 erhältlichen Nokia-Telefone 6500c, N8, C7,
N810, 808 PureView, das Samsung Galaxy S II[11] und andere Android
Smartphones, sowie einige externe Festplatten zum direkten Anschluss
an Digitalkameras.
Logo für USB-HighSpeed-OTG-Geräte
Wireless USB
→ Hauptartikel: Wireless USB
Momentan besetzen zwei Initiativen den Begriff „Wireless USB“. Die
ältere der beiden wurde von dem Unternehmen Cypress initiiert,
mittlerweile ist Atmel als zweiter Chiphersteller auf den Zug
aufgesprungen. Das „Cypress-WirelessUSB“-System ist eigentlich kein
drahtloses USB, sondern eine Technik, um drahtlose Endgeräte zu
bauen, die dann über einen am USB angeschlossenen
Empfänger/Sender (Transceiver) mit dem Computer verbunden sind.
Logo für die zertifizierten Geräte aus dem
Dazu wird eine Übertragungstechnik im lizenzfreien 2,4-GHz-Band
Intel-Wireless-USB-Projekt
benutzt, die Datenrate beträgt bis zu 62,5 kbit/s (neuere Chips von
Cypress erreichen 1 Mbit/s) und ist damit für Eingabegeräte völlig ausreichend, für andere Anwendungen aber oft zu
knapp bemessen.
Das zweite Wireless-USB-Projekt wird von der USB-IF vorangetrieben und ist wesentlich anspruchsvoller, neben
Intel ist auch NEC dabei, entsprechende Chips zu entwickeln. Ziel ist es, eine Technik zu schaffen, mit der die vollen
480 Mbit/s des High-Speed-Übertragungsmodus drahtlos übertragen werden können. Dabei ist eine kurze
Reichweite unter 10 m vorgesehen; die Übertragung soll auf einer Ultrabreitband-Technik basieren. Am 16. Januar
2008 gab die Bundesnetzagentur für die Ultrabreitband-Technik Frequenzbereiche frei.[12] Der dabei für USB
vorgesehene Bereich von 6 bis 8,5 GHz ist jedoch nicht so breit wie von USB-IF spezifiziert, so dass Geräte aus
anderen Ländern eventuell in Deutschland nicht verwendet werden dürfen.[13]
8
Datenraten
USB erlaubt es einem Gerät, Daten mit 1,5 Mbit/s, 12 Mbit/s oder mit
480 Mbit/s zu übertragen; der USB-3.0-Standard ergänzt einen
SuperSpeed-Modus mit 4000 Mbit/s. Diese Raten basieren auf dem
Systemtakt der jeweiligen USB-Geschwindigkeit und stellen die
physikalische Datenübertragungsrate dar. Die Toleranzen werden für
Logo für USB-LowSpeed- oder
„USB 2.0“-Geräte und für die älteren USB-1.0-/1.1-Geräte getrennt
-FullSpeed-zertifizierte Geräte
behandelt. Der tatsächliche Datendurchsatz liegt – durch
Protokoll-Overhead – darunter. Im USB-Standard ist eine maximale theoretische Datenlast bei High-Speed unter
idealen Bedingungen von 49.152.000 Byte/s (Isochronous Mode)[14] beziehungsweise 53.248.000 Byte/s
(Bulk-Mode)[15] angegeben. Dazu kommt die Verwaltung der Geräte, so dass bei aktuellen Systemen für USB 2.0
eine nutzbare Datenrate in der Größenordnung von 320 Mbit/s (40 MB/s) und für USB 3.0 2400 Mbit/s
(300 MB/s)[16] bleibt. Bei älteren Systemen wurde diese durch eine unzureichende Anbindung des USB-Chips an
den Systembus zusätzlich reduziert.
Name
Brutto-Datenrate
Toleranz
USB 3.0
USB 2.0
USB 1.0/1.1
Low Speed
1,5 Mbit/s = 187,5 kByte/s
Full Speed
12 Mbit/s = 1,5 MByte/s
–
± 6 kbit/s
± 30 kbit/s
Hi-Speed
480 Mbit/s = 60 MByte/s
–
± 240 kbit/s
–
–
–
–
SuperSpeed 4000 Mbit/s = 500 MByte/s
– ± 0,75 kbit/s ± 22,5 kbit/s
Bemerkungen
• Die Schreibweise variiert: Low und Full Speed werden mit Leerzeichen getrennt, Hi-Speed mit Bindestrich (und
High wird verkürzt zu Hi), SuperSpeed wird zusammengeschrieben.
• SI-Präfixe sind dezimale Präfixe: 1 kBit = 103 Bit, 1 MBit = 106 Bit, 1 GBit = 109 Bit, gleiches für Byte und Hz.
• USB 1.x und USB 2.0 wird mit der Bruttodatenrate beworben (1,5 MBit/s, 12 MBit/s, 480 MBit/s).
• USB 3.0 wird mit der Bitrate (5 GBit/s) beworben, die Bruttodatenrate beträgt hier 4000 Mbit/s (500 MByte/s).
Die Bitrate hat allerdings keinerlei Auswirkungen außerhalb des physischen Übertragungslayers (OSI Layer 1).
Bei vielen Kodierungen ist sie allerdings größer als die Bitübertragungsrate und wird daher an deren Stelle
angegeben.
• Die theoretisch erzielbare Nettodatenrate liegt um 11,3 Prozent (Bulk-Mode) und 18,1 Prozent (Isochron-Modus)
unter der Bruttodatenrate.
• Real erzielbare Nettodatenraten liegen um mindestens 30 Prozent, meist aber um die 45 Prozent unter der
Bruttodatenrate (reale Messungen an USB 2.0-Systemen).
Wird die Schnittstelle eines Geräts mit „USB 2.0“ angegeben, heißt das
nicht unbedingt, dass dieses Gerät auch die hohe Datenrate von
480 Mbit/s anbietet. Standpunkt der Anbieter ist dabei, dass ein
USB-2.0-kompatibles
Gerät
grundsätzlich
jede
der
drei
Geschwindigkeiten benutzen kann und die 2.0-Kompatibilität in erster
Linie bedeutet, dass die neueste Fassung der Spezifikation eingehalten
wird. 480 Mbit/s dürfen also nur erwartet werden, wenn ein Gerät mit
dem Logo „Certified USB Hi-Speed“ ausgezeichnet ist.
Logo für USB-HighSpeed-zertifizierte Geräte
Die Kommunikation bei USB wird vom Hostcontroller gesteuert, der heute in der Regel auf dem Motherboard eines
Computers verbaut ist. Nur dieser kann Daten von einem Gerät lesen oder zu einem Gerät senden. Ein Gerät darf nur
9
dann Daten zum Hostcontroller senden, wenn es von diesem abgefragt wird. Bei zeitkritischen Datenströmen, wie
etwa bei Mausbewegungen, muss der Hostcontroller von sich aus häufig genug beim Gerät anfragen (Polling), ob es
Daten senden will, um ein Ruckeln zu verhindern.
Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten ist gemäß dem USB-Standard nicht möglich; das wurde erst
durch die Erweiterung USB On-the-go eingeschränkt ermöglicht (die Geräte können hier wahlweise Host oder
Endgerät sein, ein echter bidirektionaler Austausch ist aber trotzdem nicht möglich). Der FireWire-Standard, der für
ähnliche Einsatzzwecke wie USB geschaffen wurde und mit diesem in Konkurrenz steht, bietet im Gegensatz dazu
die Möglichkeit einer Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen Geräten, ohne dass die Steuerung durch einen Host
erforderlich ist. Somit ist mit FireWire etwa der Aufbau eines Netzwerks möglich.
USB 3.0
Im November 2008 stellte das USB Implementers Forum, dem unter
anderem die Unternehmen HP, Microsoft und Intel angehören, die
Spezifikation für USB 3.0 vor. Im SuperSpeed-Modus wird eine Bitrate
von exakt 5 Gbit/s verwendet, was auf Grund der verwendeten
ANSI-8B10B-Kodierung eine Bruttodatenrate von 500 MByte/s
ergibt.[17][18] Die höheren Datenraten werden im Wesentlichen durch
höhere Frequenzen (ca. 8-fach) auf den Datenleitungen möglich. Die
Logo für USB SuperSpeed Geräte
Bruttodatenrate steigt dadurch von 60 MByte/s auf 500 MByte/s. Das
stellt allerdings erheblich höhere Anforderungen an die Kabel. Weitere Gewinne sind durch das verbesserte
USB-Protokoll sowie durch die verwendete Vollduplex-Übertragung möglich.
Die verwendeten Kabel enthalten neben den bisherigen Signal-Adernpaar (D+ und D−) und der Stromversorgung
(GND, VCC) zwei weitere Signal-Adernpaare (SSTX+ und SSTX−, SSRX+ und SSRX−) sowie eine zusätzliche
Masseverbindung (GND). Deshalb sind für USB 3.0 sowohl neue Stecker am Host und an den angeschlossenen
Geräten, als auch neue Kabel notwendig. Die Kabel sind auf Grund der gestiegenen Aderanzahl und der
notwendigen besseren HF-Übertragungseigenschaften (ähnlich wie eSATA oder CAT-5e/6-Kabel) dicker und
weniger flexibel.
zusätzliche Pins bei USB 3.0
Name
Beschreibung
SSTX+ Datenübertragung vom Host zum Gerät
SSTX− mit SSTX+ verdrillt
GND
Masse
SSRX+ Datenübertragung vom Gerät zum Host
SSRX− mit SSRX+ verdrillt
Die Kompatibilität besteht in folgendem Sinne:
• USB-3.0-Kabel können auf Grund der Anbauten nicht mit USB-2.0-Endgeräten benutzt werden – USB 3.0-Typ
B-Stecker sind nicht abwärtskompatibel.
• USB-2.0-Kabel können an USB-3.0-Endgeräten benutzt werden.
• USB-3.0-Kabel können an USB-2.0-Hosts benutzt werden, erfordern dann aber USB-3.0-Endgeräte.
• USB-2.0-Kabel können an USB-3.0-Hosts benutzt werden.
• USB-3.0-Endgeräte können an USB-2.0-Hosts angeschlossen werden. Ggf. gibt es Probleme, wenn diese mehr als
500 mA Strom aufnehmen (USB 3.0 erlaubt bis zu 900 mA, USB 2.0 nur bis 500 mA).
• USB-2.0-Endgeräte können an USB-3.0-Hosts angeschlossen werden.
10
USB-3.0-Übertragungen finden aber nur statt, wenn alle drei Komponenten (Host, Kabel, Endgerät)
USB-3.0-tauglich sind. Ansonsten wird auf USB 2.0 heruntergeschaltet.
Host Kabel Endgerät Geschwindigkeit
Hinweise
3
3
3
3
SuperSpeed möglich
3
2
egal
2
maximal Hi-Speed möglich
egal
2
2
2
maximal Hi-Speed möglich
2
egal
3
2
maximal Hi-Speed möglich; Stromaufnahme beachten!
egal
3
2
–
nicht anschließbar
Mit dem Linux-Kernel ab Version 2.6.31 waren Linux-Distributionen die ersten Betriebssysteme, die USB 3.0
unterstützten.[19]
Weitere Besonderheiten:
• Die bei den bisherigen USB-Standards übliche Reihumabfrage der Geräte (Polling) ist nicht mehr notwendig.
Durch das (mögliche) Entfallen dieses dauernden Pollings und durch neue Befehle können Geräte in die
Energiesparmodi U0 bis U3 geschaltet werden.
• Am USB-3.0-Port stehen mindestens 150 mA Strom (statt 100 mA wie bei USB 2.0) pro Gerät zur Verfügung.
Auf Anforderung können bis 900 mA bereitgestellt werden (USB 2.0 Low Power: 100 mA, USB 2.0 High Power:
500 mA).
• Ältere Treiber sollen weiterverwendbar bleiben. Neuere Versionen sind aber unter Umständen vorteilhaft, etwa
um die neuen Stromsparmodi zu nutzen.
• USB-3.0-Hubs nutzen keinen Transaction Translators wie USB-2.0-Hubs (High Speed). Daher hat man keinen
Gewinn, wenn man mehrere USB-2.0-Geräte über einen USB-3.0-Hub an einen PC anschließt.
• Zu Hubs siehe USB 3.0 und Hubs
Für einen späteren Zeitpunkt ist auch eine Erweiterung des Standards mit Lichtwellenleitern geplant. Anders als
noch bei USB 2.0 dürfen sich Geräte nur dann „USB-3.0-kompatibel“ nennen, wenn sie tatsächlich die
schnellstmögliche Geschwindigkeit (hier SuperSpeed-Modus) anbieten.[16]
Hardware
USB-Stecker und -Kabel
USB-Stecker
USB-Stecker Typ A;
deutlich zu erkennen
sind die voreilenden
äußeren Pins für die
Versorgungsspannung
USB-Stecker
Typ B
USB-Buchse
vom Typ A
(1.0 und 2.0)
Verschiedene USB-Stecker; von
links nach rechts: Typ A, Typ B,
Typ Mini-B 5-polig (Standard),
Typ Miniatur-B 4-polig
(Mitsumi), Typ Miniatur-B
4-polig (Aiptek)
11
USB-Buchsen vom
Typ A auf einer
Hauptplatine
blau: USB 3.0
rot: USB 2.0
(Netzwerkbuchse
darüber)
USB-3.0 Buchse Typ B, Stecker
Typ A, Buchse Typ A und Stack
mit Typ A Buchsen
USB-3.0-Stecker
vom Typ B
USB-3.0-Stecker
Typ A
Micro-B-USB-Stecker (bei
Steckernetzteilen für
Mobiltelefone verbreitet)
USB-3.0-Buchse Typ
Micro-B
USB-3.0-Stecker Typ
Micro-B
USB-3.0-Stecker Mini-B
USB-3.0-Buchse Mini-B
12-V- &
24-V-USB-A-Buchse
samt
hochstromfähigem
vierpoligem
Anschluss
Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs- und vertauschungssicher gestaltet.
In Richtung des Hostcontrollers (Upstream) werden flache Stecker (Typ A „DIN IEC 61076-3-107“) verwendet. Zum
angeschlossenen Gerät hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische
Steckverbinder (Typ B „DIN IEC 61076-3-108“) angeschlossen (vereinzelt und nicht standardkonform auch mit Typ
A-Steckverbindern). Entsprechend den USB 1.0–2.0 Standards besitzen USB Typ A- und Typ B-Verbinder vier
Leitungen plus Schirm. Beide Steckverbinder sollen in einer der drei Farben grau, „natur“ (elfenbeinfarben/weiß)
oder schwarz ausgeführt werden. Mit USB 3.0 kommen neue Varianten der Typ A- und Typ B-Verbinder auf den
Markt (siehe unten).
Seit einiger Zeit sind auch Stecker und Buchsen vom Typ A und B mit Rändelschrauben erhältlich, die ein
Herausrutschen verhindern. Allerdings muss das empfangende Gerät das auch unterstützen. Verschiedene Hersteller
brachten mechanisch inkompatible Ausführungen von USB-Verbindern heraus, die sich jedoch elektrisch nicht von
USB 1.x oder 2.0 unterscheiden. So waren einige IBM Thinkpads mit einem sogenannten „UltraPort“ ausgestattet,
APC führt USB an ihren USVs über 10-polige Modular-Buchsen (10P10C/RJ50), die Microsoft Xbox benutzt
ebenfalls proprietäre USB-Verbinder, und Apple führt USB beim iPod Shuffle über einen Klinkenstecker, der
gleichzeitig als Audioverbinder dient. Diese nicht standardisierten Varianten sind jedoch nicht sehr verbreitet.
Für den industriellen Einsatz gibt es mehrere nicht vom USB-Konsortium standardisierte USB-5-V(olt)-, USB-12V-,
USB-19-V- und USB-24-V-Varianten mit deutlich höheren Strombelastbarkeiten von bis zu 6 A (3 A pro Kontakt)
über insgesamt vier zusätzliche Leitungen, die um 1999 im Rahmen der PoweredUSB- und
PlusPower-Spezifikationen von Firmen wie IBM, Microsoft, NCR und Berg/FCI definiert wurden und zum Teil
lizenzpflichtig sind. Diese Varianten werden insbesondere bei POS-Anwendungen von verschiedenen Herstellern
eingesetzt. Die Steckverbinder führen dabei neben dem USB-Typ-A-Stecker eine unabhängige hochstromfähige
vierpolige Spannungsversorgung. Diese Stecker sind nicht rechteckig, sondern mehr quadratisch (wie zwei Stecker
in einem gemeinsamen Gehäuse, der USB-Teil selbst entspricht mechanisch und elektrisch unverändert USB Typ
A). Mittels einer mechanischen Kodierung wird verhindert, dass zum Beispiel USB-12-V-Stecker versehentlich in
USB-24-V-Buchsen gesteckt werden können. Eine mechanische Arretierung der Stecker in den Buchsen ist ebenfalls
vorgesehen. Zusätzlich wird für diese Stecker eine Farbkodierung empfohlen, naturfarben (teilweise auch gelb) für
5 V (30 W), blaugrün (Pantone Teal 3262C) für 12 V (72 W), rot (Pantone Red 032C) für 24/25 V (144 W) und
seltener violett für 19 V. Kommt keine Farbkodierung zum Einsatz, sollen die Stecker für alle Spannungen größer
5 V schwarz ausgeführt werden, wohingegen grau als alternative Farbe für 5 V in Frage kommt. Für die B-Seite ist
kein spezieller Stecker definiert, es gibt jedoch verschiedene Empfehlungen, teilweise mit unterschiedlichen
HotPlug-Fähigkeiten. Die Bezeichnung für diese industriellen USB-Varianten lautet Retail USB, PoweredUSB, USB
PlusPower oder USB +Power.[20]
Micro- und Mini-USB
Insbesondere für Geräte mit geringerem Platzangebot (digitale Kameras, Mobiltelefone, MP3-Player und andere
mobile Geräte) existieren auch verschiedene kompaktere USB-Steckverbinder. Im USB-2.0-Standard verankert sind
dabei lediglich fünfpolige Mini- und Micro-Varianten (plus Schirm) (auf dem Foto in der Mitte abgebildet), die
gegenüber den normalen USB-Steckverbindern über einen zusätzlichen ID-Pin verfügen.
Zunächst wurde im Jahr 2000 ein trapezförmiger Mini-B-Steckverbinder für die Downstream-Seite definiert, der in
der Farbe Schwarz ausgeführt werden sollte. Bei zukünftigen Geräten sollen Gerätehersteller jedoch auf die
Micro-USB-Verbinder (siehe unten) ausweichen.[21] Auch Mini-A- (in weißer Farbe) und Mini-AB-Steckverbinder
(in Grau) waren für eine gewisse Zeit Teil des Standards und sollten insbesondere in Verbindung mit USB
On-the-Go (OTG) eine Rolle spielen, wurden jedoch im Mai 2007 offiziell zurückgezogen.[22]
Im Januar 2007 wurden mit der Standarderweiterung Micro-USB für USB 2.0 noch kleinere Steckverbinder
vorgestellt, die eine besonders kompakte Bauform der Geräte ermöglichen. Die Micro-USB-Spezifikation kann USB
On-the-Go (OTG) unterstützen, was Verkabelung und Kommunikation auch ohne PC als Host ermöglicht.[23]
Micro-USB-Steckverbinder sollen bei neueren Geräten in naher Zukunft den Mini-Verbinder komplett ersetzen,
lediglich der relativ weitverbreitete Mini-B-Verbinder wird derzeit noch geduldet. Die Micro-USB-Verbinder sind
elektrisch gleichwertig, mechanisch allerdings nicht steckkompatibel, dafür jedoch dank der im Standard geforderten
Edelstahlkrampe deutlich stabiler ausgeführt. Gemäß USB-2.0-Standard gibt es drei Varianten, die genau wie bei
Mini-USB allesamt fünfpolig ausgeführt sind: Micro-A (rechteckige Bauform, für die Host-Seite, Farbe Weiß),
Micro-AB (rechteckige Bauform, für USB-On-the-Go-Geräte, Farbe Grau) und Micro-B (Trapez-Bauform, für die
Geräteseite, Farbe Schwarz). Die Open Mobile Terminal Platform OMTP hat Micro-USB 2007 als
Standardverbinder für den Datentransfer und die Energieversorgung von Mobilfunkgeräten übernommen, in China
müssen Mobiltelefone seitdem mit dieser Schnittstelle ausgestattet werden, um eine Zulassung zu bekommen.[24] Mit
USB 3.0 kommen neue Varianten der Micro-A-, AB- und -B-Steckverbinder auf den Markt (siehe unten).
Daneben gibt es noch eine ganze Reihe proprietärer, das heißt geräteherstellerspezifische Miniaturbauformen der
Steckverbinder (siehe auch Bild), die zwar in der Regel elektrisch mit USB 2.0 kompatibel sind, jedoch nur über
teilweise schwer erhältliche Adapterkabel mit USB-Komponenten gemäß dem USB-Standard verbunden werden
können. Fälschlicherweise werden jedoch auch diese Steckverbinder häufig als „Mini“-USB bezeichnet, was immer
wieder zu Missverständnissen führt und vermieden werden sollte. Nicht zuletzt deshalb soll der
Micro-USB-Standard hier den Wildwuchs beenden. Verbreitet sind unterschiedlichste Ausführungen mit vier Pins
12
13
(insbesondere Varianten von Mitsumi, Aiptek, Hirose), eine große Zahl von Varianten mit acht Pins (darunter
mehrere inkompatible Varianten, die sich bei Digitalkameras in begrenztem Rahmen auch über Herstellergrenzen
hinweg verbreitet haben), elf Pins (ExtUSB für HTC-Mobiltelefone; kompatibel zu Mini-USB), zwölf Pins (für
verschiedene Olympus-Digitalkameras) und 14 Pins (zwei Varianten für verschiedene Fuji-Finepix-Digitalkameras
und als Nokias Pop-Port für manche Mobiltelefone), die auch noch andere, nicht-USB-spezifische Signale (bei
Digitalkameras z.B. Analog-Video und -Audio) im gleichen Konnektor vereinen.[25]
Im Rahmen des im Jahr 2008 verabschiedeten USB-3.0-Standards wurden weitere sechs Steckverbindertypen mit
zusätzlichen Kontakten definiert:
Diese unterteilen sich in je drei Steckverbinder, die als weitestgehend rückwärtskompatible Erweiterungen der
bisherigen Typ A- und Typ B-Steckverbinder angesehen werden können (genannt: USB 3.0 Standard-A, USB 3.0
Standard-B und USB 3.0 Powered-B) sowie drei kleinere Verbinder, die sich an die bisherigen
Micro-USB-Verbinder anlehnen (genannt: USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-AB und USB 3.0 Micro-B). Zur
eindeutigen Kennzeichnung werden die bisherigen Steckverbinder nun als USB 2.0 Standard-A, USB 2.0
Standard-B, USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-AB und USB 2.0 Micro-B bezeichnet. Zur besseren Unterscheidung
sollen die USB-3.0-Standard-A-Verbinder in der Farbe Blau (Pantone 300C) ausgeführt und gegebenenfalls mit
einem doppelten S-Symbol gekennzeichnet werden.
Spezifikationen
Mögliche Steckkombinationen (mechanisch unterstützt)
Aufnahmetyp
Steckertyp
USB 3.0 Standard-A USB 3.0 Standard-A, USB 2.0 Standard-A
USB 2.0 Standard-A USB 2.0 Standard-A, USB 3.0 Standard-A
USB 3.0 Powered-B USB 3.0 Powered-B, USB 3.0 Standard-B, USB 2.0 Standard-B
USB 3.0 Standard-B USB 3.0 Standard-B, USB 2.0 Standard-B
USB 2.0 Standard-B USB 2.0 Standard-B
(USB 2.0 Mini-AB)
USB 2.0 Mini-B
(USB 2.0 Mini-A, USB 2.0 Mini-B)
USB 2.0 Mini-B
USB 3.0 Micro-AB
USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-B, USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B
USB 2.0 Micro-AB
USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B
USB 3.0 Micro-B
USB 3.0 Micro-B, USB 2.0 Micro-B
USB 2.0 Micro-B
USB 2.0 Micro-B
Geforderte Anzahl an Steckzyklen
Anschlusstyp
Standard
Mindestanzahl der Steckzyklen
USB
USB 1.0-2.0 500×, später 1500×
USB
USB 3.0
Standard Class: 1500×, High Durability Class: 5000×
Mini-USB
USB 2.0
5000×
Micro-USB
USB 2.0-3.0 10000×
Zum Vergleich:
eSATA
5000×
Firewire/IEEE 1394
1500×
14
Abmessungen (in mm) und Kombinationsmöglichkeiten
Stecker
Steckerabmessungen
passende
Buchsen
erlaubte
Kabeltypen
A
A
→ Stecker B
→ Stecker Mini-B
→ Stecker Micro-B
B
B
→ Stecker A
USB 3.0 B
Mini-B
USB 3.0 B → Stecker USB 3.0 A
→ Stecker A
Mini-B
→ Stecker A
Micro-A
Micro-AB → Stecker Micro-B
→ Buchse A (als Adapter)
Micro-B
Micro-B
→ Stecker A
Micro-AB → Stecker Micro-A
Verbreitet haben sich weiterhin 1×4-, 1×5- und 2×2-polige Varianten von Stiftleisten im Rastermaß 2,54 Millimeter
auf PC-Mainboards, ebenso wie Doppel-USB-Verbinder mit 2×4 oder 2×5 Polen im Rastermaß 2,54 mm. Gab es
zunächst mehrere zueinander inkompatible Belegungsvarianten, hat sich im Zuge neuerer
Mainboard-Spezifikationen von Intel inzwischen eine bestimmte 2×5-polige Belegung etabliert, die auch mit
uDOC-Flashmodulen kompatibel ist.
USB-Kabel
In einem USB-Kabel werden vier Adern benötigt. Zwei Adern
übertragen dabei die Daten, die anderen beiden versorgen das
angeschlossene Gerät mit einer Spannung von 5 V. Der
USB-Spezifikation entsprechende Geräte dürfen bis zu 100 mA oder
500 mA aus dem Bus beziehen, abhängig davon, wie viel der Port
liefern kann, an den sie angeschlossen werden. Geräte mit einer
Leistung bis zu 2,5 W können also über den Bus versorgt werden. Je
nach
Kabellänge
muss
der
Querschnitt
der
beiden
Stromversorgungsadern angepasst sein, um den zulässigen
Spannungsabfall einzuhalten; auch daher sind Verlängerungsleitungen
nicht standardgemäß.
USB-Verlängerungskabel (nicht in der
USB-Spezifikation)
Die Kabel müssen je nach Geschwindigkeit unterschiedlich abgeschirmt werden. Kabel, die lediglich der
Spezifikation
low
speed
15
entsprechen, dürfen über keinen B-Stecker verfügen, sondern müssen
fix am Gerät montiert sein oder einen herstellerspezifischen Stecker
verwenden. Sie sind weniger stark abgeschirmt, kommen ohne
verdrillte Adern aus und sind dadurch flexibler als Full/High-Speed
Kabel. Sie sind daher gut für zum Beispiel Mäuse und Tastaturen
geeignet. Die geringe Abschirmung des Kabels kann zu Problemen bei
Geräten mit höheren Geschwindigkeiten führen.
Die Längen von Full-/High-Speed- und Low-Speed-Kabeln vom Hub
zum Gerät sind auf fünf beziehungsweise drei Meter begrenzt. Längere
USB-3.0-Kabel und Kontaktbelegung
Strecken kann man überwinden, indem USB-Hubs zwischengeschaltet
werden. Sogenannte USB-Repeaterkabel entsprechen in ihren
Funktionen einem Bus-Powered Hub (s. u.) mit einem einzigen Downstream-Port und einem fest angeschlossenen
Kabel am Upstream-Port. Da die elektrischen Auswirkungen dieser Kabel im USB-Bus denen eines
Bus-Powered-USB-Hubs mit fünf Meter Kabel entsprechen, sollten bei ihrer Verwendung zusätzlich die
Beschränkungen beim Verschachteln von USB-Hubs beachtet werden.
USB arbeitet mit einem Wellenwiderstand von 90 Ω, direkte Verbindungskabel sollten daher auch in diesem
Wellenwiderstandswert ausgeführt sein. Für die Überbrückung von Längen über 30 Metern werden
USB-Line-Extender angeboten. Diese bestehen aus zwei Komponenten: Einem Base-Modul, das an den Computer
angeschlossen wird, und einem Remote-Modul für den Anschluss des USB-Gerätes. Zur Distanzüberbrückung
zwischen diesen beiden Komponenten werden meist Ethernetkabel oder Lichtleiter eingesetzt. Da sich diese
Line-Extender jedoch immer auf bestimmte, nicht vom Standard vorgeschriebene Verhaltensdetails der
angeschlossenen Geräte verlassen und zudem bei langen Kabelstrecken die Signallaufzeit zu Protokollverletzungen
führt, ist der Einsatz dieser Geräte oft mit Problemen verbunden.
Eine andere Möglichkeit, USB-Geräte weiter entfernt vom Rechner anzuschließen, sind Lösungen, die einen „remote
host“ verwenden, also einen USB-Hostcontroller, der außerhalb des PCs liegt. Dabei geschieht die Kommunikation
zwischen PC und Hostcontroller zum Beispiel über Ethernet. Das Ethernet ersetzt dabei den lokalen Bus, an dem
sonst der Hostcontroller angeschlossen wäre. Auf dem PC muss also nur ein entsprechender Treiber installiert
werden, der die Kommunikation mit dem Hostcontroller übernimmt. Alle Treiber für die USB-Geräte erkennen dann
keinen Unterschied zu einem lokal angeschlossenen Gerät. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist der USB-Server von
Keyspan, oder die USB-Fernanschlussfunktion einer FRITZ!Box.
Farbkodierung und Pinouts
Der USB-Standard legt neben der Belegung der Schnittstelle auch die
Namen der einzelnen Stecker-Pins und die Aderfarbe fest. Die
Nummer eines Stecker-Pins kann in den oben angeführten
Schemazeichnungen abgelesen werden.
USB-Standardstecker Typ A und B. Nicht
maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht
16
USB-Ministecker Typ A und B. Nicht
maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht. Es
gibt noch Mini-AB-Buchsen, die sich
automatisch umschalten. Mini-AB-Buchsen und
Mini-A-Stecker sind aus der Spezifikation
entfernt worden.
Kabelbelegung eines normalen USB-Kabels
Standardstecker
Pin Name
Farbe
Beschreibung
1
VCC
Rot
+5 V
2
D-
Weiß
Data −
3
D+
Grün
Data +
4
GND
Schwarz Masse
Ministecker/Microstecker
Pin Name
Farbe
Beschreibung
1
VCC
Rot
+5 V
2
D-
Weiß
Data −
3
D+
Grün
Data +
4
ID
keine
erlaubt Unterscheidung von Micro-A- und Micro-B-Stecker
Typ A: Masse (OTG-Gerät arbeitet als Host)
Typ B: nicht verbunden (OTG-Gerät arbeitet als Peripherie)
5
GND
Schwarz Masse
17
USB-Hubs
Allgemeines
Ein USB-Hub ist ein USB-Gerät, das das USB-Signal an mehrere Ports
verteilt. Handelsüblich sind USB-Hubs mit bis zu sieben
Downstream-Ports, vereinzelt sind aber inzwischen auch Hubs mit bis
zu 13 Ports zu finden.
Hubs können ihren Strom aus dem Bus selbst beziehen (als
Bus-Powered oder passiver Hub bezeichnet) oder über eine eigene
Stromversorgung verfügen (als Self-Powered oder aktiver Hub
bezeichnet). Die meisten Self-Powered-Hubs werden über ein
Steckernetzteil mit Strom versorgt. Manche Monitore haben auch einen
USB-Hub eingebaut, der über die Stromversorgung des Monitors
mitgespeist wird. Self-Powered-Hubs haben den Vorteil, dass jedes an
sie angeschlossene Gerät bis zu 500 mA Strom beziehen kann. Bei
Bus-Powered-Hubs dürfen der Hub und alle an ihn angeschlossenen
Geräte gemeinsam maximal 500 mA beziehen. Hybride Self- und
Bus-Powered-Hubs sind möglich – der Hub ist dann Self-Powered,
wenn ein Netzteil an ihn angeschlossen ist, ansonsten Bus-Powered.
Bei der Verschachtelung von Hubs werden die Grenzen durch die
maximal 127 möglichen USB-Geräte pro root-hub und durch die
Signallaufzeit festgelegt – jeder Hub erhöht die Laufzeit, die
Verschachtelungstiefe ist auf maximal fünf (Hub-)Ebenen unterhalb
des Hostcontrollers beziehungsweise des Root-Hub begrenzt. Die
maximale Distanz zwischen zwei mit USB verbundenen Geräten liegt
wegen der Beschränkung von 5 m pro USB-Kabel bei 30 m – sechs
Kabel mit je fünf Meter Länge und dazwischen fünf Hubs.
4-Port-USB-Hub mit eigener Stromversorgung
(self powered, Netzteilbuchse rechts)
4-Port-USB-Hub mit Stromversorgung aus dem
Bus (bus powered)
Bei integrierten Bausteinen für USB-Hubs dominiert die Ausstattung mit 4 Ports (das gilt insbesondere für Bausteine
in eher preisgünstigen Hubs). Wird eine größere Anzahl von USB-Anschlüssen benötigt, können mehrere Bausteine
kaskadiert werden. Infolgedessen belegt ein solcher Hub mehrere USB-Adressen und ist gleichbedeutend mit
mindestens zwei hintereinander geschalteten Hubs.
USB 2.0 und Hubs
Low-, Full- und High-Speed-Geräte lassen sich an einem USB-2.0-Host fast beliebig mischen, ohne dass
Geschwindigkeitsnachteile entstehen. Hubs nach dem USB-1.x-Standard können an USB-2.0-Hosts verwendet
werden. Geräte, die direkt oder indirekt an einen solchen Hub angeschlossen werden, können allerdings lediglich die
Geschwindigkeit Full Speed erreichen, also 12 Mbit/s. Ein USB-2.0-Host und ein USB-2.0-Hub kommunizieren
immer mit High Speed, selbst wenn an dem Hub Low- oder Full-Speed-Geräte angeschlossen sind. Es ist Aufgabe
des Hubs, die Daten dieser Geräte in das High-Speed-Protokoll zu verpacken, dazu hat er einen oder mehrere
sogenannte „Transaction Translators“ eingebaut. Die Anzahl der Transaction Translators bestimmt, wie viele
langsame Geräte an einen USB-2.0-Hub angeschlossen werden können, ohne sich gegenseitig auszubremsen. Wird
diese Zahl überschritten, so bricht die Datenrate aller an diesen Host angeschlossenen Low-Speed- und
Full-Speed-Geräte auf Geschwindigkeiten deutlich unter denen eines USB-1.1-Hosts ein; der Durchsatz von
High-Speed-Geräten am selben Hub bleibt jedoch unbeeinflusst. An der Spezifikation des Stromverbrauchs hat sich
bei USB 2.0 im Vergleich zu USB 1.1 nichts geändert.
18
USB 3.0 und Hubs
Unter USB 3.0 gibt es ein neues Hub-Konzept. Hubs bestehen aus zwei Unter-Hubs. Der eine ist speziell für den
neuen SuperSpeed-Modus zuständig, der andere für die bisherigen Geschwindigkeitsmodi (Low-Speed, Full-Speed,
High-Speed). Erst an den Ports werden beide Teile zusammengeführt. Im Dezember 2009 hat das Unternehmen VIA
die ersten Chips für USB-3.0-Hubs vorgestellt. Der VL810 genannte Chip ist mit allen Geschwindigkeitsmodi
kompatibel.[26]
USB-Card-Bus
Der Cardbus-Standard[27] (PC Card Standard 5.0) wurde ursprünglich
für
PCMCIA-Karten
als
Datenspeichermedium
entwickelt,
unterscheidet sich aber vom eigentlichen PCMCIA-Standard durch
eine völlig andere Architektur. Es sind auch Steckkarten mit
CardBus-Controller am Markt erhältlich, die USB in CardBus
umsetzen, so dass USB-Stecker beispielsweise auch an Mobilgeräten
ohne integrierte USB-Schnittstelle verwendet werden können – sie
sind aber auf den 32 Bit breiten CardBus beschränkt. Ein Nachrüsten
bei Computern mit 16-Bit-Bus ist daher nicht möglich.[28] CardBus
wurde vom neueren und leistungsfähigeren ExpressCard-Standard abgelöst.
USB 2.0 CardBus Controller
Software-Architektur
Alle USB-Transaktionen werden durch die USB-Software auf dem Host-Computer realisiert. Das geschieht durch
den jeweiligen USB-Gerätetreiber, der mit seinem Gerät kommunizieren will. Der USB-Bustreiber ist die
Schnittstelle zwischen dem USB-Gerätetreiber und dem USB-Host-Controller.
USB-Bustreiber
Der USB-Bustreiber (USB-Driver) kennt die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen USB-Geräte,
zum Beispiel die Datenmenge pro Frame oder Abstände zwischen den periodischen Zugriffen. Er erkennt diese
Eigenschaften beim Analysieren der Geräte-Deskriptoren während der Konfigurationsphase. Wenn der
USB-Bustreiber ein IRP von einem USB-Gerätetreiber erhält, erzeugt er entsprechend diesem Request einzelne
Transaktionen, die innerhalb des Übertragungsrahmens (Frame) von einer Millisekunde ausführbar sind.
USB-Host-Controller-Treiber
Der Universal-Serial-Bus-Host-Controller-Treiber (host controller driver) organisiert die zeitliche Abfolge der
einzelnen Transaktionen (Scheduling). Dazu baut er eine Folge von Transaktionslisten auf. Jede dieser Listen besteht
aus den noch nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung eines Gerätes, das am Bus angeschlossen ist. Sie
definiert die Reihenfolge der Transaktionen innerhalb des 1-ms-Zeitrahmens. Der USB-Bustreiber kann eine
einzelne Anfrage für einen Datentransfer in mehrere Transaktionen zerlegen. Das Scheduling hängt von einer Reihe
von Einflussfaktoren wie Transferart, Geräteeigenschaften und Busbelastung ab. Der USB-Host-Controller-Treiber
löst die Transaktionen dann über den Root-Hub aus. Dieser setzt der Reihe nach alle Transaktionen um, die in der
aktuellen Liste enthalten sind.
Unterstützung in Betriebssystemen
• Amiga OS4.x unterstützt seit Version 4.0 USB1.1. Seit dem AmigaOS4.1 Update3 unterstützt es auch USB2.0.
• Amiga OS3.x unterstützt standardmäßig kein USB. Lediglich mit Hard- und Software anderer Anbieter
(Poseidon, Sirion, Anaiis) ist eine Anbindung von USB-1.1- und USB-2.0-Geräten möglich (mit breiter
Unterstützung verschiedenster Geräteklassen bei Poseidon). Bei Poseidon kann in Zusammenarbeit mit einer
Flash-Rom-Karte sogar von USB-Massenspeichern gebootet werden. Ab Amiga OS4 wird, je nach Hardware,
USB 1.1 und 2.0 unterstützt (kein USB 2.0 Highspeed, da der EHCI-Treiber noch fehlt). Unter AmigaOS 4
Classic kann jedoch alternativ auch Poseidon eingesetzt werden.
• AROS enthält seit August 2009 eine quelloffene Portierung von Poseidon, der die alte Implementierung ersetzt.
Es unterstützt OHCI/UHCI (USB 1.1) und EHCI (USB 2.0 Highspeed) sowie die meisten der in Poseidon für
AmigaOS vorhandenen Gerätetreiber. Der Stack liegt (teilweise) im Kernel und es kann damit von
USB-Massenspeichern gebootet werden.
• Atari MiNT unterstützt standardmäßig kein USB, es sind jedoch für MiNT verschiedene Treiber in Entwicklung,
die Add-on-Karten (wie EtherNAT, eine Kombination aus USB- und Ethernet Erweiterung für den Atari Falcon)
unterstützen.
• eComStation als Nachfolger von OS/2 bringt ebenfalls Unterstützung für USB 2.0 mit.
• Der Linux-Kernel unterstützt seit Version 2.2 USB-Controller. Seit der Kernelversion 2.4 sind Treiber für UHCI-,
OHCI- und EHCI-Controller sowie Unterstützung für gängige USB-Endgeräte integriert. Die Unterstützung für
EHCI-Controller in der Kernelversion 2.4 gilt jedoch als fehleranfällig und läuft erst seit Version 2.6 stabil.
Weiterhin existieren sogenannte Gadget-Treiber, damit kann ein Linux-basiertes System, das an einem USB-Host
angeschlossen wird, selbst als USB-Gerät erscheinen, zum Beispiel als Massenspeicher, Netzwerkkarte oder
serielle Schnittstelle. Seit der Version 2.6.31 wird auch USB 3.0 vom Linux-Kernel unterstützt.[29]
• Mac OS unterstützt USB 1.1 ab Mac OS 8.1. Mit der Zeit wurde der Umfang an Geräten, die mit Klassentreibern
unterstützt werden, deutlich erweitert; seit Mac OS 8.5 werden die meisten üblichen Geräteklassen unterstützt.
• Mac OS X unterstützt in allen Versionen USB 1.1 und ab Version 10.2.8 auch USB 2.0. Die aktuelle Version
unterstützt auch USB 3.0.
• Microsoft DOS und kompatible unterstützen USB standardmäßig nicht. USB-Tastaturen und
USB-Massenspeicher sind über die Legacy-Emulation vieler moderner PC-BIOSe dennoch verwendbar, aber
meist nicht Hotplug-fähig. Auch USB-Mäuse funktionieren meist mit für PS/2-Mäuse gedachten Treibern, wenn
der Legacy-Mode aktiviert ist. Für Free-DOS gibt es den „motto hairu“-Treiber, der USB 2.0 zur Verfügung stellt.
Andere Hersteller bieten Spezialtreiber an, die aber viel konventionellen Speicher belegen und deshalb mit vielen
DOS-Programmen nicht kompatibel sind.
• Microsoft Windows 95 hat ab OEM Service Release 2.1 eine rudimentäre Unterstützung von USB 1.0, die jedoch
als fehleranfällig gilt.
• Microsoft Windows 98 unterstützt USB 1.0, ab Windows 98 SE auch USB 1.1. USB 2.0 ist nur mit Treibern von
Chipsatzherstellern möglich.
• Microsoft Windows Me unterstützt USB 1.1. und verfügt als einziges System der 9x-Serie über einen generischen
Gerätetreiber für Massenspeicher. USB 2.0 ist nur mit Treibern von Chipsatzherstellern möglich. Im Gegensatz
zu Windows 98 und 95 ist nach der Installation gerätespezifischer USB-Treiber kein Neustart erforderlich.
• Microsoft Windows NT 4.0 hat keinerlei USB-Unterstützung, von anderen Herstellern sind jedoch
Systemerweiterungen dafür erhältlich. Gerätehersteller testen ihre Produkte selten mit derartigen Erweiterungen,
deshalb gelten diese Systemerweiterungen nur für Spezialfälle als tauglich.
• Microsoft Windows 2000 (SP4), Microsoft Windows XP (ab SP1), Microsoft Windows Server 2003, Microsoft
Windows Vista, Microsoft Windows Server 2008, Microsoft Windows 7 und Microsoft Windows Server 2008 R2
unterstützen USB 1.1 und USB 2.0. und unterstützen generisch von Anfang an Massenspeicher. Weil der
USB-Hostcontroller allerdings manchmal fehlerhaft erkannt wird, raten die meisten Hersteller dazu, die Treiber
des Chipsatzherstellers zu installieren.
19
• Microsoft Windows 8 unterstützt USB 1.0, 1.1, 2.0, 3.0.
• MorphOS wird mit dem Poseidon-USB-Stack ausgeliefert mit voller Unterstützung von UHCI, OHCI und EHCI
(nicht alle Treiber unterstützen isochronen Transfer).
• NetBSD, FreeBSD und OpenBSD unterstützen UHCI, OHCI und EHCI sowie gängige Endgeräte. NetBSD war
1998 das erste freie Betriebssystem mit USB-Unterstützung.
• OS/2 Warp4 unterstützt erst über den Aufrüstpack Warp 4.51 Convenience Pak 1 (vom Dezember 2000) USB
1.1. Dieser ist kostenpflichtig. Treiber-Aktualisierungen auf USB 2.0 sind ebenfalls verfügbar.
• Palm OS unterstützt ab Version 3.2 USB als Kommunikationsplattform für HotSync, ab Palm OS 5 können
(teilweise mit Zusatzprogrammen) auch Modemfunktionen über USB genutzt werden. Bestimmte PDAs (so bei
Sony Clié) können mit der USB-Schnittstelle einen Massenspeicher emulieren.
• QNX unterstützt ab der Version 6 UHCI, OHCI und EHCI, mit separat erhältlichen Treibern ist USB-Support
auch in QNX4 nachrüstbar. Die mitgelieferten Treiber beschränken sich auf den HID-Bootmode, einige RS232und Ethernet-Adapter sowie Massenspeicher.
Bei Betriebssystemen ohne USB-Unterstützung kann das BIOS nach Aktivieren von „USB Legacy Support“ (engl.
etwa „USB-Unterstützung für Altlasten“) in seinen Einstellungen Abhilfe schaffen, dadurch erscheinen
USB-Eingabegeräte wie Mäuse und Tastaturen dem Betriebssystem gegenüber als PS/2-Geräte. Je nach BIOS wird
meist genau ein USB-Laufwerk (wie USB-Stick, USB-Kartenleser, USB-Festplatte, USB-Floppy) eingebunden.
USB-CD/DVD-Laufwerke werden nur dann eingebunden, wenn von ihnen gebootet wird.
Kurioses
Inzwischen sind auch ausgefallene Geräte auf den Markt gekommen, wie beispielsweise USB-Heizplatten, mit denen
etwa eine Kaffeetasse über die USB-Schnittstelle warmgehalten werden kann. Eine weitere „Erfindung“ ist ein
USB-Raketenwerfer, der auf Befehl kleine Schaumstoffraketen abfeuert. Daneben gibt es auch Hardware, wie
USB-Lampen für Notebooks, um die Tastatur zu beleuchten, USB-Tastatur-Staubsauger, USB-Ventilatoren,
USB-Weihnachtsbäume oder beheizbare USB-Handschuhe und USB-Pantoffeln. Des Weiteren ist ein Trend zu
beobachten, USB als standardisierte Spannungsquelle einzusetzen. Namhafte Mobiltelefonhersteller haben sich
darauf geeinigt, Micro-USB als Standard-Gerätebuchse für den Ladekontakt einzusetzen.[30]
Der USB-Standard sieht vor, dass Geräte zunächst im Low Power-Mode (100 mA oder 150 mA) starten und bei
höherem Strombedarf diesen erst vom Host anfordern, bevor sie den normalen Modus schalten. Das können bei USB
2.0 bis zu weiteren 4x 100 mA, bei USB 3.0 bis zu weiteren 5x 150 mA sein. Schlägt diese Anforderung fehl, muss
sich das Gerät abschalten. Die meisten der vorgenannten Spielzeuge verwenden den USB-Anschluss jedoch
ungefragt nur als Spannungsquelle und verstoßen gegen den USB-Standard, indem sie ohne Erlaubnis des Hosts
mehr als 100 mA Strom beziehen. Das könnte im Extremfall den USB-Anschluss des Host beschädigen oder das
Energiemanagement des Rechners durcheinanderbringen, was zu instabilem Verhalten führen kann. Sparsame
2,5"-Notebook-Festplatten können meist mit 2,5 W (500 mA) an einem 2.0 USB-Port mit Adapter betrieben werden,
größere 3,5"-Festplatten jedoch nicht. Weiterhin gibt es sparsame Notebook-CD/DVD/Bluray-Brenner, die am
USB-Port betrieben werden können. Deren Stromaufnahme liegt jedoch insbesondere beim Brennen mit höheren
Geschwindigkeiten mit teilweise permanent über 1000 mA weit außerhalb der USB-Spezifikation.
Mittlerweile gibt es Netzteile, die an einer USB-A-Buchse oder einem Kabel mit Micro-USB-B-Stecker 5 V zur
Verfügung stellen. Der verfügbare Strom ist dabei meist 1000 mA (allgemein zwischen 500 und 2000 mA). Einfache
Geräte stellen einfach eine Spannungsquelle dar, bessere Geräte sind so gebaut, dass sie vom zu ladenden Gerät als
solch ein Netzteil erkannt werden. Dabei gilt die USB-Battery Charging Specification als Referenz (dies ist nicht mit
dem Powermanagement zu verwechseln, das beim Enumeration-Prozess, beim Anstöpseln an einen USB-Host,
stattfindet). Wenn ein Gerät nicht an einem dafür gebauten Netzteil, sondern an einem USB-Host (z. B.
PC/Notebook) geladen wird, werden Befehle bzgl. des Powermanagements während der Enumeration ausgetauscht.
Letzteres ist notwendig, wenn das zu ladende Gerät sich exakt an den USB-Standard hält und nur den Strom
20
entnimmt, der ihm genehmigt wurde. Ein bekannter Vertreter ist das iPhone: Es erkennt, dass es an einem Netzteil
geladen wird, wenn bestimmte Spannungspegel an den Datenleitungen anliegen. An einem Rechner wird stattdessen
über das Powermanagement verhandelt, wie viel Strom das Gerät entnehmen darf.
Ajay Bhatt wurde aus der Gruppe der Entwickler des USB-Standards besonders hervorgehoben, als er in dem
Werbespot Ajay Bhatt - The Real USB Rock Star! des Unternehmens Intel als Rockstar porträtiert wurde.[31][32]
Das wohl kurioseste in Bezug auf ausgefallene USB-Gerät stellt ein Werbespot dar, in dem der Verkauf von Wein
per USB beworben wird.[33]
Literatur
• Hans-Joachim Kelm: USB 2.0. Franzis, Poing 2006, ISBN 3-7723-7965-6.
• Jan Axelson: USB Complete. Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals. 4. Auflage. Lakeview
Research, Madison 2009, ISBN 978-1931448086. (deutsch: USB 2.0 : Handbuch für Entwickler. 3. Auflage.
mitp, Heidelberg 2007 (übersetzt von Gerhard Franken), ISBN 978-3-8266-1690-7.)
• Bernhard Redemann: Steuern und Messen mit USB, Hard- und Softwareentwicklung mit dem FT232, 245 und
2232. Eigenverlag, Berlin 2006, ISBN 3-00-017884-8.
Weblinks
• Der Universal Serial Bus im Detail (Spezifikationen, Technik 1.x und 2.0) - Chaosradio Express - CRE086 USB Podcast vom 29. April 2008 [34] (MP3; 82,8 MB)
• USB verständlich erklärt (1.x und 2.0) [35]
• Tipps zur Nutzung von USB 1.1 und 2.0 [36]
• USB und seine Kabel (1.x und 2.0) [37]
• USB 3.0-Geschwindigkeit getestet [38]
• The USB ID Repository [39] – Eine Datenbank der Anbieter- und Produkt-IDs
• USB 2.0 und 3.0 in zehn Punkten zusammengefasst [40]
• USB-Spezifikationen [41] für Geräteentwickler (engl.)
Einzelnachweise
[1] DVI-Ausgang per USB nachrüsten. (http:/ / www. heise. de/ newsticker/ meldung/ DVI-Ausgang-per-USB-nachruesten-135535. html) Im:
heise online. 5. Juni 2007.
[2] Sven Hesse: USB 3.0 kommt 2009 mit 4,8 Gbit/s angerast. (http:/ / www. allround-pc. com/ news/ hardware/ 2008/ november/
usb-30-kommt-2009-mit-48-gbits-angerast) In: Allround-PC.com. 21. November 2008.
[3] Oliver Ehm: Stromversorgung für den USB-Anschluss. (http:/ / www. com-magazin. de/ praxis/ hardware/
stromversorgung-fuer-den-usb-anschluss-38158. html) Com-Magazin.de, 22. Februar 2012.
[4] USB Voltage Drop and Droop Measurement (PDF; 184kb). (http:/ / www. otdl. com/ VDROOP. PDF) Intel Corporation, 18. November
1996.
[5] Industrie stellt einheitliches Handyladegerät vor http:/ / derstandard. at/ 1296696631540/
Universell-Industrie-stellt-einheitliches-Handyladegeraet-vor derstandard.at Abgerufen am 8. Februar 2011
[6] Stecker rein! – Ein Ladegerät für alle. (http:/ / ec. europa. eu/ enterprise/ sectors/ rtte/ chargers/ index_de. htm)
[7] Approved Class Specification Documents Battery Charging http:/ / www. usb. org/ developers/ devclass_docs Engl.
[9] USB-Spezifikation 2.0 Seite 153
[10] USB Class Codes (http:/ / www. usb. org/ developers/ defined_class). usb.org. 17. November 2009 (englisch).
[11] Samsung Galaxy S II bei samsungmobile.com (http:/ / galaxys2. samsungmobile. com/ html/ specification. html)
[12] Bundesnetzagentur (Hrsg.): Allgemeinzuteilung von Frequenzen für die Nutzung durch Anwendungen geringer Leistung der Ultra-Wideband
(UWB) Technologie. (http:/ / www. bundesnetzagentur. de/ cae/ servlet/ contentblob/ 38210/ publicationFile/ 6675/
UltraWidebandVfg1AendrgVfg17_2008pdf. pdf) (PDF; 94 kB) 2010.
[13] Matthias Kremp: Kappt die Kabel – lieber noch nicht. (http:/ / www. spiegel. de/ netzwelt/ tech/ 0,1518,529416,00. html) In: Spiegel Online.
18. Januar 2008.
[14] USB-Spezifikation 2.0 Seite 46
[15] USB Spezifikation 2.0 Seite 55
21
[16] Benjamin Benz: Pfeilschnell – Die dritte USB-Generation liefert Transferraten von 300 MByte/s. In: c’t. Nr. 22, 2008, S. 212.
[17] Von USB 1.0 bis USB 3.0: Der Siegeszug des Universal Serial Bus. (http:/ / www. player. de/ 2009/ 09/ 25/
von-usb-1-0-bis-usb-3-0-der-siegeszug-des-universal-serial-bus/ ) In: player.de. 25. September 2009.
[18] USB 3.0 ist fertig. (http:/ / www. itespresso. de/ 2008/ 11/ 18/ usb-30-ist-fertig-pcpro/ ) In: PC Professionell. 18. November 2008.
[19] Anika Kehrer: Linux unterstützt USB 3.0. (http:/ / www. linux-community. de/ Internal/ Nachrichten/ Kernel-2. 6.
31-wird-Support-fuer-USB-3. 0-bringen) In: Linux Community. 8. Juni 2009.
[20] PowerdUSB.org (http:/ / www. usbpluspower. org) (englisch
[21] Mobile phones to adopt new, smaller USB connector. (http:/ / www. usb. org/ press/ pressroom/ 2007_01_04_usbif. pdf) In: USB
Implementers Forum. 4. Januar 2007 (englisch, PDF; 128 kB).
[22] Mini-A und Mini-AB-Verbinder zurückgezogen. (http:/ / www. usb. org/ developers/ Deprecation_Announcement_052507. pdf) Mai 2007
(Presseerklärung des USB-IF), PDF.
[23] Kleinere USB-Steckverbindung für Mobilgeräte. (http:/ / www. heise. de/ newsticker/ meldung/ 83237) In: heise online. 5. Januar 2007.
[24] OMTP Local Connectivity Recommendations. Common Charging and Local Data Connectivity. (http:/ / internal. omtp. org/ Lists/
ReqPublications/ Attachments/ 59/ OMTP CCLDC V1. 1 Final. pdf) In: omtp.org. 8. Juni 2010.
[25] Übersicht über verschiedene Nicht-Standard-Miniatur-USB-Steckverbinder (http:/ / www. pccables. com/ usbcameracable. html) (englisch,
Informationsseite eines Adapterkabelherstellers)
[26] Andreas Link: USB 3.0: Alle Infos zum neuen Technologie-Standard. (http:/ / www. pcgameshardware. de/ aid,676309/
USB-30-Alle-Infos-zum-neuen-Technologie-Standard-Update-Verfuegbare-USB-30-Hardware/ Technologie/ Wissen/ ) In: PC Games
Hardware. 25. Januar 2010.
[29] Linux-Kernel 2.6.31 unterstützt USB 3.0. (http:/ / www. golem. de/ 0909/ 69610. html) In: golem.de. 10. September 2009.
[30] Kommission begrüßt Einigung der Industrie auf ein universelles Ladegerät für Mobiltelefone. (http:/ / europa. eu/ rapid/
pressReleasesAction. do?reference=IP/ 09/ 1049& format=HTML& aged=0& language=DE) Presseveröffentlichung der Europäischen Union,
29. Juni 2009.
[31] Ajay Bhatt - The Real USB Rock Star! (http:/ / www. everythingusb. com/ intel-usb-rock-star-16620. html)
[32] Mike Magee: Intel turns USB man into rock star. (http:/ / www. tgdaily. com/ hardware-features/ 42354-intel-turns-usb-man-into-rock-star)
In: TG Daily. 7. Mai 2009.
[33] http:/ / www. youtube. com/ watch?v=lfWf-7skaU8
[34] http:/ / meta. metaebene. me/ media/ cre/ cre086. mp3
[35] http:/ / www. sprut. de/ electronic/ interfaces/ usb/ usb. htm
[36] http:/ / www. usb-infos. de
[37] http:/ / www. hardware-bastelkiste. de/ usb. html
[38] http:/ / www. tweakpc. de/ hardware/ infos/ sonst/ usb_30/ s01. php
[39] http:/ / www. linux-usb. org/ usb-ids. html
[40] http:/ / stick-test. de/ 10-dinge-die-sie-ueber-usb-und-insb-usb-3-0-wissen-sollten
[41] http:/ / www. usb. org/ developers/ docs/
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22
Bei der seriellen Datenübertragung werden digitale Daten bitweise hintereinander übertragen. Im Gegensatz hierzu
werden bei der parallelen Datenübertragung mehrere Bits auf einmal (d.h. gleichzeitig) übertragen, wobei die Bitund Bytereihenfolgen beim Empfänger dieselbe sein muss wie beim Sender. Für die serielle Übertragung sind
verschiedene serielle Schnittstellen normiert.
Serielle Datenübertragung kommt häufig zur Anwendung, wenn große Entfernungen den Einsatz einer parallelen
Verbindung aufgrund der dabei auftretenden Synchronisationsschwierigkeiten oder der hohen Kosten als
impraktikabel erscheinen lassen, oder wenn eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit nicht unbedingt erforderlich ist.
Durch den Einsatz hoher Taktraten und anderer Techniken können Daten jedoch inzwischen auch seriell schnell
übertragen werden, so dass serielle Übertragung aufgrund der niedrigeren Kosten zunehmend auch für kurze
Distanzen genutzt wird (so geschehen z.B. bei PCI-Express).
Begriffserklärungen
Masse (GND-Verbindungen)
Fließt über das Massekabel ein Strom, entsteht durch die galvanische Kopplung ein Spannungsabfall, der das
Nutzsignal stört.
single-ended (unbalanced)
Bei einer single-ended Übertragung hat der Empfänger als Bezugspotential GND (in der Hoffnung, dass es
beim Sender genauso ist). Werden die Signale über Leitungspaare geschickt, indem jedes Leitungspaar aus
Schirm (meist GND) und Innenleiter (z. B. Datenleitung) wie bei Koaxialleiter besteht. Hier spricht man
trotzdem von unbalanced transmission, weil der Schirm den Innenleiter vor äußeren Einflüssen schützt aber
nicht umgekehrt.
Differentielle (balanced) Übertragung
Hier wird im Empfänger von 2 gleichwertigen Leitungen das Differenzsignal gebildet um das Nutzsignal
zurückzugewinnen. Gleichtaktstörungen heben sich somit heraus. Kleinere Potentialverschiebungen stören
nicht die Übertragung.
Asynchron
Bei der asynchronen Datenübertragung wird nur dann ein Datenstrom zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt,
wenn Daten anfallen z. B. Tastendruck auf einen Terminal. Daraus folgt, dass alle gesendeten Daten
Synchronisationsinformationen benötigen (z. B. Start-Bit, bekannte Baudrate, Stop-Bit, siehe RS232). Durch
das Startbit wird eine Quasi-Synchronisation von Sender und Empfänger erzeugt. Werden viele gleiche Bits
übertragen z. B. viele Nullen, hat der Empfänger keine Möglichkeit mehr, sich auf den Sender zu
synchronisieren, außer durch seine hoffentlich gleiche interne Taktrate (Baudrate).
Synchron
Bei der synchronen Datenübertragung werden die Daten kontinuierlich gesendet und der Empfänger kann sich
durch geeignete Kanalcodierung auf die Sendergeschwindigkeit in gewissen Grenzen synchronisieren.
Spezielle Synchronisations-Bits für jedes einzeln gesendete Datum sind dann nicht mehr nötig. Die
Übertragung wird in Summe effizienter. Die Nutzdaten sind quasi in einem nicht abreißenden
Informations-Strom eingebettet.
23
Übertragungsmedien
Als Medium der seriellen Datenübertragung wird meist eine
elektrische Leitung verwendet, ebenso ist aber auch Glasfaser,
drahtlose Verbindung (Funkübertragung) oder ein anderes Medium
denkbar. Häufig werden auch Daten seriell gespeichert wie z. B.
magnetisch bei Magnet-Bändern oder der Festplatte oder optisch bei
der CD/DVD (nur ein Kopf pro Plattenoberfläche).
Die serielle Datenübertragung wurde immer dann angewendet, wenn
das Übertragungsmedium (z. B. auf möglichst wenig Einzelleiter)
begrenzt ist oder einen Kostenfaktor darstellt. Grundsätzlich geht das
Leitung für die serielle Datenübertragung
auf Kosten der Übertragungskapazität. Ist die Übertragungskapazität
wichtiger, bot sich früher die parallele Datenübertragung an (siehe auch Bus-Systeme) z. B. PCI-Bus. Aufgrund der
Fortschritte in der Halbleitertechnik gibt es mittlerweile derart schnelle kostengünstige Seriell-Parallelwandler, z. B.
UART (Universeller Asynchroner Receiver Transmitter) genannt, dass beispielsweise der Verkabelungsaufwand bei
paralleler Datenübertragung immer mehr ins Gewicht fällt. Denn bei immer höheren Übertragungsraten wird es bei
der parallelen Datenübertragung immer schwieriger den sogenannte Clock-Skew und das Übersprechen auf die
benachbarte Leitung klein genug zu halten.
Taktversatz
Bei synchroner serieller Datenübertragung kann auf einer Extra-Leitung ein Takt (sog. „Clock“- oder Takt-Signal)
gesendet werden um zu signalisieren, wann ein Bit auf der Datenleitung anliegt. Der Einsatz einer zusätzlichen
Leitung kann jedoch zu Problemen führen: Der Taktversatz (englisch clock skew) beschreibt aufgrund nicht
identischer Leitungsparameter einen Zeitversatz, welcher die Einzelsignale nicht mehr gleichzeitig am Empfänger
ankommen lässt. Es ergeben sich Laufzeitunterschiede, die erst abgewartet werden müssen, bis das nächste Datum
übertragen werden kann. Dies begrenzt u. A. die maximal erreichbare Übertragungsrate. Auf Leiterplatten mit hohen
Datenraten versucht man durch mäanderförmige Leitungen den Taktversatz zu minimieren. Die Ursachen für den
Taktversatz sind i.d.R. physikalischer Natur, und hängen unter anderem mit der Leitungslänge,
Temperaturschwankungen, Materialfehlern oder kapazitiver Kopplung zusammen.
Merkmale
Im folgenden werden einige Begriffe oder Merkmale aufgezählt, die grundsätzlich jedem seriellen
Übertragungsstandard zuzuordnen sind. Des Weiteren wird zwischen Eigenschaften der physikalischen Schnittstelle
Hardware und den Protokollen unterschieden.
• Differentielle (balanced) Übertragung oder nur eine Datenleitung (single-ended)? (siehe Symmetrische
Signalübertragung und siehe unten)
• RZ-Code z. B. Manchester-Code oder NRZ-Code?
• gleichspannungsfrei oder mit Gleichanteil? (siehe NRZ)
• galvanische Trennung? (siehe NRZ oder allg. Galvanische Trennung)
• Datum in Form von Strom, Spannung, Phase, etc. übertragen? (siehe Modulationsarten)
• asynchrone oder synchrone Datenübertragung (siehe unten)
• Punkt zu Punkt Verbindung (P2P) oder Multipoint (serieller Bus)
• Bidirektional oder unidirektional
• halbduplex oder vollduplex
• Hard- oder Software-Handshake
• Übertragungsfehlerbehandlung: Parität, CRC, Hamming-Distanz, etc. (siehe Kodierungstheorie)
24
25
• Bei Datenbussen Arbitrierung: Prioritätensteuerung über Token, CSMA, etc.
• Arbitrierung: Multimaster oder Masterslave
• Echtzeitfähigkeit: z. B. bei Feldbussen erforderlich
Es gibt verschiedene Standards zu seriellen Schnittstellen, über welche eine serielle Übertragung erfolgen kann.
Literatur
• Karl-Dirk Kammeyer: Nachrichtenübertragung. 4. Auflage. Vieweg + Teubner, 2008, ISBN 978-3-8351-0179-1.
RS-232
RS-232 ist ein Standard für eine bei Computern oft vorhandene serielle
Schnittstelle, die in den frühen 1960ern von einem US-amerikanischen
Standardisierungskomitee eingeführt wurde.
Anwendung
Mainframes und Text-Terminals wurden früher unter Zuhilfenahme
von Modems durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über die
Telefonleitung zusammengeschlossen. Die Übertragung der Daten bei
beiden Systemen erfolgte sequenziell. Durch den ursprünglichen
Verwendungszweck bedingt weist die Schnittstelle einige
Asymmetrien bei der Definition der Steuerleitungen auf, die bei den
später üblich gewordenen Anwendungen in völlig anderen Bereichen
zu Verschaltungsproblemen führen können.
DB-25 Verbinder wie im RS-232 Standard
beschrieben
Stecker 9-polig D-Sub
Amerikanische Norm
Die aktuelle amerikanische Version heißt offiziell (ANSI EIA/)
TIA-232-F und ist aus dem Jahr 1997.[1] Die in den USA und Europa
übliche Bezeichnung ist RS-232 (RS steht dabei für Radio Sector,
womit die ursprünglich zuständige Abteilung der Behörde gemeint ist,
wird aber oft als Recommended Standard gelesen). Zur Frage der
korrekten Bezeichnung siehe den Abschnitt Kennzeichnung von
Standards bei EIA – Electronic Industries Alliance.
Buchse 9-polig D-Sub
Der COM-Port am PC ist eine RS-232 und nach
dem ATX-Standard blaugrün markiert.
RS-232
26
Definition
EIA-232 definiert die Verbindung
zwischen
dem
Terminal
(Datenendeinrichtung (DEE), engl.
data terminal equipment (DTE)) und
dem
Modem
(Datenübertragungseinrichtung (DÜE),
engl. data communication equipment
(DCE)), was Timing, Spannungspegel,
Protokoll
und
Stecker
betrifft.
Allgemein sind die Parameter unter
Serielle Datenübertragung erläutert.
Prinzipskizze zur Verbindung zweier PCs mittels Modem über das Telefonnetz:
EIA-232-Verbindungen werden hierbei jeweils zwischen PC und Modem eingesetzt
Weitere Übertragungsstandards wie
RS-422, RS-485 findet man im Artikel
Serielle Schnittstelle.
• Die Übertragung erfolgt in Wörtern.
Verbindung zweier Datenstationen (Beschriftung in deutscher Terminologie)
Ein Wort entspricht dabei je nach
Konfiguration fünf bis neun Bits, in
dem dann ein einzelnes Zeichen kodiert ist. Meistens erfolgt die Kodierung gemäß ASCII. Häufig kommen auch
(ASCII-)Steuercodes für die Ansteuerung eines Terminals wie VT100 zum Einsatz, diese sind im
RS232-Standard jedoch nicht definiert. Üblich ist daher, sieben bzw. acht Datenbits zu übertragen. Jedoch ist
beispielsweise auch (nach Anpassung der Signalpegel) die Verarbeitung des 5-bit-Fernschreib-Codes möglich.
• Eine EIA-232-Verbindung arbeitet (bit-)seriell mit je einer Datenleitung für beide Übertragungsrichtungen. Das
heißt, die Bits werden nacheinander auf einer Leitung übertragen, im Gegensatz zur parallelen Datenübertragung.
Die dafür nötige Seriell-Parallel-Wandlung geschieht meistens in sog. UARTs (entweder als integriertes Modul in
einem Mikrocontroller oder als Einzelbaustein).
• Obwohl es zahllose andere serielle Schnittstellenarten gibt wird die EIA-232 traditionell „serielle Schnittstelle“
genannt, weil sie früher speziell im PC-Bereich die einzig übliche war.
• Die Datenübertragung erfolgt asynchron, es existiert also kein gemeinsamer Takt. Jeder Teilnehmer kann bei
freier Leitung, zu jedem beliebigen Zeitpunkt, vollständige Datenwörter übertragen. Die Synchronisation in der
Übertragung erfolgt durch den Empfänger als sogenannte Wortsynchronisation, also am Anfang durch die
Signalflanke des Startbits.
Die Synchronisation des Empfängers geschieht mit dem Start der Übertragung auf der Datenleitung, da das
Stopp-Bit bzw. der Ruhezustand auf der Leitung den inversen Pegel zum Start-Bit aufweist. Der Empfänger
synchronisiert sich so in die Mitte der einzelnen Datenbits und tastet die folgenden Bits des Datenwortes mit
seiner eigenen Bitrate ab.
Damit das funktioniert, dürfen die Bitraten von Sender und Empfänger nur einige Prozent voneinander
abweichen. Jedes übertragene Wort muss somit von einem Startbit (logischer Wert 0) eingeleitet und mit
mindestens einem Stopp-Bit (logischer Wert 1) abgeschlossen werden. Das Stopp-Bit ist kein Bit im eigentlichen
Sinne, sondern bezeichnet die Mindestlänge der Pause bzw. des Ruhezustands. Daher können zwischen zwei
Wörtern beliebig viele Stopp-Bits vorliegen, auch nichtganzzahlige Werte wie 1,5 Stopp-Bits. Damit ist gemeint,
dass die Mindestdauer der Pause der Zeitdauer von 1,5 Bitzellen entspricht. Der Grund liegt darin, dass manche
UARTs zwischen den Empfang zweier Wörter eine etwas längere Pause von mehr als einer Bitdauer benötigen.
Zwischen Start- und Stopp-Bit(s) werden die eigentlichen Nutzdaten (Datenbits) über die Taktzeit unverändert
(NRZ-codiert) übertragen.
RS-232
• EIA-232 ist eine Spannungsschnittstelle (im Gegensatz z. B. zu einer Stromschnittstelle). Die binären Zustände
werden durch verschiedene elektrische Spannungspegel realisiert.
Für die Datenleitungen (TxD und RxD) wird eine negative Logik verwendet, wobei eine Spannung zwischen
−3 V und −15 V (ANSI/EIA/TIA-232-F-1997) eine logische Eins und eine Spannung zwischen +3 V und +15 V
eine logische Null darstellt. Signalpegel zwischen −3 V und +3 V gelten als undefiniert.
Bei den Steuerleitungen (DCD, DTR, DSR, RTS, CTS und RI) wird der aktive Zustand durch eine Spannung
zwischen +3 V und +15 V dargestellt, der inaktive Zustand durch eine Spannung zwischen −3 V und −15 V. Zu
beachten ist jedoch, dass die hier angegebenen (und mehrheitlich benutzten) Bezeichnungen für die
Steuerleitungen im Original-Standard so nicht vorkommen. Dort sind lediglich gewisse Schaltungen beschrieben,
die diesen Bezeichnungen zwar zugeordnet werden können, im Standard aber anders benannt sind.
Die oben angegebenen Spannungen beziehen sich auf die Empfänger (Eingänge). Bei den Sendern (Ausgänge)
muss die Spannung mindestens +5 V bzw. −5 V an einer Last von 3…7 kΩ betragen, um genügend Störabstand
zu gewährleisten. Üblich ist die Verwendung von +12 V und −12 V.
• Als Steckverbindung wurden nach der ursprünglichen Norm 25-polige D-Sub-Stecker für DTE und -Buchsen für
DCE benutzt. Da viele der 25 Leitungen reine Drucker- bzw. Terminal-Steuerleitungen aus der
elektromechanischen Ära sind, die für die meisten Verbindungen mit moderneren Peripheriegeräten nicht benötigt
werden, haben sich heute 9-polige D-Sub-Stecker und Buchsen etabliert, welche häufig DB-9 genannt werden
oder korrekter DE-9. Diese waren beim IBM PC/AT ursprünglich als reine Notlösung zum Platzsparen eingeführt
worden (damals ging es darum, den Stecker zusammen mit einer ebenfalls verkleinerten Centronics-Schnittstelle
auf einer Steckkarte unterzubringen). Der 9-polige Stecker ist daher auch nicht in der RS-232-Norm zu finden,
sondern im Standard EIA/TIA-574. Für die EIA-232-Datenübertragung werden selten auch noch andere
Konnektoren benutzt wie z. B. Modular 8P8C (unkorrekterweise oft als RJ-45 bezeichnet, spezifiziert in EIA/TIA
561) oder komplett firmenspezifische.
• Zur Vermeidung von Datenverlusten muss der Empfänger die Datenübertragung anhalten können, wenn keine
weiteren Daten mehr verarbeitet werden können. Dieser sogenannte Handshake kann auf zwei Arten realisiert
werden, entweder softwareseitig über bestimmte Steuercodes oder über spezielle Leitungen
(Hardware-Handshake).
• Beim Software-Handshake sendet der Empfänger zur Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den
Sender. Entsprechend werden für die Datenübertragung lediglich drei Leitungen (RxD, TxD und Gnd)
benötigt, aber diese Art Handshake ist nur dann möglich, wenn die beiden Steuercodes in den Nutzdaten nicht
vorkommen. Beim Xon/Xoff-Protokoll sendet der Empfänger zur Steuerung des Datenflusses spezielle
Zeichen an den Sender (Xon = 11h und Xoff = 13h).
• Beim Hardware-Handshake signalisieren sich die beiden Geräte über zusätzliche Steuerleitungen ihren
jeweiligen Status. Ein Minimal-Interface mit Hardware-Handshake besteht beispielsweise aus fünf Leitungen
(TxD, RxD, GND, RTS und CTS).
• Grundsätzlich ist eine Vollduplex-Verbindung möglich, da für Sendung und Empfang getrennte Datenleitungen
zur Verfügung stehen.
• Im Standard ist auch eine 25-polige Variante mit zwei unabhängigen Datenkanälen (jeweils mit Sende- und
Empfangsleitungen) spezifiziert, die in der Praxis jedoch sehr selten anzutreffen ist.
• Spezielle Bitraten oder Paritätsverfahren sind im Standard nicht festgelegt.
Der Standard legt keine Bitraten fest, obwohl erwähnt wird, dass er für Übertragungsraten bis 20.000 bit/s gedacht
ist. Übliche UARTs die in Verbindung mit der RS-232 verwendet werden, unterstützen Übertragungsraten von 115,2
kbit/s und mehr. Um ein definiertes Übertragungsverhalten zu erreichen, schreibt die Norm eine maximale
Flankensteilheit am Sender und eine (von der Bitrate abhängige) minimale Flankensteilheit im Übergangsbereich
−3 V … 3 V am Empfänger vor.
27
RS-232
28
Leitungslänge und Übertragungsrate
Ersatzschaltbild Kabel (längshomogene Leitung)
Maximalwerte
max. Baud max. Länge
2.400
900 m
4.800
300 m
9.600
152 m
19.200
15 m
57.600
5m
115.200
<2 m
Da wegen der verwendeten Spannungsübertragung die Spannung am Empfänger mit zunehmender Leitungslänge
(wegen des größer werdenden elektrischen Leitungswiderstandes und der Kabelkapazität) abnimmt, ist die
Leitungslänge begrenzt.
Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Laufzeit des Signals. Da eine EIA-232-Schnittstelle am Leitungsende nicht
mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden kann (zu große Verlustleistung), gibt es unweigerlich
Leitungsreflexionen. Mit zunehmender Übertragungsrate und Kabellänge stören die Reflexionen immer mehr die
Datenübertragung. Die Norm verlangt, dass die Flankensteilheit am Sender den Wert 30 V/µs nicht überschreiten
darf, womit die Auswirkungen der Reflexionen begrenzt werden. Empfängerseitig wird durch einen Schmitt-Trigger
wieder ein Rechtecksignal mit sehr hoher Flankensteilheit hergestellt.
Ein weiterer Aspekt ist, dass die Signalübertragung nicht differentiell, sondern asymmetrisch (single-ended bzw.
unbalanced) erfolgt. Das zu übertragende Signal beinhaltet einen Gleichspannungsanteil und ist deshalb relativ
empfindlich auf Gleichtaktstörungen. Solche Störungen können z. B. durch induktive Einkopplung in die Schleife
RxD-Gnd entstehen. Weil sich alle Signale auf das gleiche Gnd-Signal beziehen, kann ein Strom auf der
TxD-Leitung einen Spannungsabfall auf der Gnd-Leitung erzeugen, welcher zu einer Potentialverschiebung
zwischen den beiden Kommunikationspartnern führt und beispielsweise auf der RxD-Leitung gesehen wird und
Störungen verursacht.
Laut ursprünglichem Standard ist eine Kabelkapazität von max. 2500 pF zulässig, was bei Standardkabeln einer
Kabellänge von max. 15 m (50 Fuß) entspricht. Mit Kabeln, welche eine besonders niedrige Kapazität aufweisen
(beispielsweise UTP CAT-5 Kabel mit 55 pF/m), lassen sich konform zur Definition 45 m erreichen. Die
nebenstehende Tabelle gibt Erfahrungswerte von Texas Instruments wieder.
Die Probleme der gegenseitigen Beeinflussung über Gnd, fehlender Abschlusswiderstand etc. lassen sich durch eine
differentielle Übertragung wie bei RS-485, LVDS etc. beheben.
RS-232
29
Verkabelung und Stecker
Um zwei Geräte über die serielle Schnittstelle zu verbinden, müssen
die „hörenden“ mit den „sprechenden“ Leitungen verbunden werden.
Bei Terminals bzw. Rechnern (DTE – data terminal equipment) sind
„sprechende“ Leitungen TxD, RTS und DTR, „hörende“ Leitungen sind
RxD, CTS, DSR, DCD und RI. Bei Modems (DCE – data
circuit-terminating equipment) ist es genau umgekehrt; es gibt die vom
Terminal „gesprochenen“ Signale an die Gegenseite weiter und muss
daher auf diese „hören“, andersherum werden die von der Gegenseite
„gehörten“ Signale zum Terminal „weitergesagt“.
• Handelt es sich um eine Verbindung von Terminal bzw. Rechner
(DTE) (meistens mit Stecker) zu einem Modem (DCE) (meistens
mit Buchse), ist ein 1:1-Kabel nötig.
Pinbelegung des DE-9-Steckers (9-pol., male),
wie er normalerweise am DTE vorhanden ist
Pinbelegung der DE-9-Buchse (9-pol., female),
wie sie normalerweise am DCE vorhanden ist
• Handelt es sich dagegen um eine Verbindung zweier Geräte
gleichen Typs (z. B. zweier PCs), so sind die Leitungen zu kreuzen.
Ein solches Kabel nennt man Nullmodem-Kabel, da kein Modem (also '0 Modems') eingesetzt wird. Aufgrund des
unsymmetrisch definierten Satzes von Steuersignalen und deren zum Teil recht freizügiger Verwendung gibt es
jedoch nicht DAS gekreuzte Kabel schlechthin, das immer funktioniert. Ein Kabelende, das für den Anschluss an
ein DTE-Gerät ausgelegt ist, kann evtl. an einem DCE-Gerät einen Kurzschluss verursachen (der im Normalfall
laut V.28-Spezifikation keinen Hardware-Schaden nach sich ziehen darf, aber in der Praxis bereits vorgekommen
ist).
• Durch einen Loopback-Stecker bzw. -Buchse wird das serielle Sendesignal eines Gerätes direkt zum Empfangsteil
des gleichen Gerätes geführt. Anwendung findet ein solches loopback device u. a. bei der Entwicklung von
Kommunikationsprogrammen. Falls auch die Steuerleitungen „geloopt“ werden, ist auch hier zu beachten, dass je
nach Typ des Gerätes (DTE oder DCE) die Steuersignale DCD und RI jeweils beide entweder Eingang oder
Ausgang sind und keinen eindeutig vordefinierten „Gegenüber“ haben. Sie müssen daher geeignet verschaltet
werden, damit keine Kurzschlüsse zwischen Ausgängen oder undefinierte Eingangspegel entstehen.
Die praktische Identifizierung von DTE- und DCE-Geräten ist durch Messung des Ruhepegels (Spannung zwischen
GND und TxD bzw. RxD, unterschiedliche Belegung 9- und 25-poliger Kabel beachten) möglich. Manche modernen
Geräte erkennen unbeschaltete Anschlüsse und schalten zwecks Energieeinsparung die Ausgangstreiber ab. In
diesem Fall muss den vermutlichen Ausgängen durch einen geeigneten Widerstand zwischen Signalanschluss und
GND ein angeschlossenes Gegenüber vorgegaukelt werden.
Messung
zwischen
DTE
DCE
GND und TxD −3 … −15 V ca. 0 V
GND und RxD ca. 0 V
−3 … −15 V
Die Namen und Beschreibungen der wichtigsten Signalleitungen orientieren sich an der ursprünglichen Verwendung
der Schnittstelle. Mit „Gegenstelle“ ist in dieser Tabelle nicht die Gegenseite (beim klassischen Verwendungszweck
diejenige am anderen Ende der Telefonleitung) gemeint, sondern der lokale Partner des DTE (also im klassischen
Fall ein DCE (Modem)). Die Leitungsbezeichnungen sind sowohl bei DTE (PC) als auch bei DCE (Modem) die
gleichen und aus der Sicht des DTE formuliert, aber die Eigenschaft des Anschlusses (Eingang bzw. Ausgang) ist
jeweils unterschiedlich.
RS-232
Abkürzung
30
Name
Beschreibung
Pin-Nr. Pin-Nr. Pin-Nr.
25-pol. 9-pol.
RJ45
Richtung
beim DTE
(z. B. PC)
Richtung
beim DCE
(z. B.
Modem)
Common
Ground
Gemeinsame Abschirmmasse (nicht Datenmasse)
1
—
—
—
—
TxD, TX,
TD
Transmit
Data
Leitung für ausgehende (von DTE gesendete) Daten
(negative Logik).
2
3
3
Ausgang
Eingang
RxD, RX,
RD
Receive
Data
Leitung für eingehende (von DTE zu empfangende) Daten
(negative Logik).
3
2
6
Eingang
Ausgang
RTS
Request to „Sendeanforderung“; Ein High-Pegel an diesem Ausgang
Send
signalisiert, dass DTE Daten senden möchte
4
7
1
Ausgang
Eingang
CTS
Clear to
Send
„Sendeerlaubnis“; Ein High-Pegel an diesem Eingang ist ein
Signal der Gegenstelle, dass sie Daten von DTE
entgegennehmen kann
5
8
8
Eingang
Ausgang
DSR
Data Set
Ready
Ein High-Pegel an diesem Eingang ist ein Signal der
Gegenstelle, dass sie im Prinzip einsatzbereit ist (aber nicht
notwendigerweise auch empfangsbereit, siehe CTS)
6
6
7
Eingang
Ausgang
GND
Ground
Signalmasse. Die Signalspannungen werden gegen diese
Leitung gemessen.
7
5
4
—
—
DCD, CD,
RLSD
(Data)
Carrier
Detect
Mit einem High-Pegel an diesem Eingang signalisiert die
Gegenstelle, dass sie einlaufende Daten auf der Leitung
erkennt (dem Namen nach ist das die
Modulationsträger-Erkennung) und an DTE weitergeben
möchte
8
1
—
Eingang
Ausgang
DTR
Data
Terminal
Ready
Mit einem High-Pegel an diesem Ausgang signalisiert DTE
20
seine Betriebsbereitschaft an die Gegenstelle. Damit kann die
Gegenstelle, z. B. ein Modem, aktiviert oder auch
zurückgesetzt werden. Üblicherweise antwortet die
Gegenstelle mit einem High-Pegel auf DSR
4
2
Ausgang
Eingang
RI
Ring
Indicator
Ein High-Pegel an diesem Eingang signalisiert dem
DTE-Gerät, dass ein Anruf ankommt, d.h. dass jemand eine
Datenverbindung aufzubauen wünscht, („ring“ ist engl. für
„klingeln“; besonders bei Telefonen und im übertragenen
Sinne auch bei Modems). Siehe auch: Rufton.
9
—
Eingang
Ausgang
weitere Standards
Farbkennung der Leitungen
22
RS-232
31
Pin
Farbe
1
braun
2
rot
3
orange
4
gelb
5
grün
6
blau
7
violett
8
grau
9
schwarz
• RJ45: Verbinder nach diesem Standard kommen häufig bei Netzwerkkomponenten wie Switches, Routern oder
Firewalls mit folgender Farbcodierung der TP-Kabel vor:
1 (orange-weiß)
2 (orange)
3 (grün-weiß)
4 (blau)
6 (grün)
7 (braun-weiß)
8 (braun)
• V.24: Der ITU-Standard (1964) definiert über 50 Schnittstellenleitungen. Die EIA-232-Schnittstelle benutzt
davon 22.
• V.28: Der ITU-Standard (1972) beschreibt elektrische Eigenschaften einer Schnittstelle, die sehr oft zusammen
mit der V.24 benutzt wird.
• DIN 66020-1: Die weitgehend übernommene deutsche Industrienorm der V.24.
• ISO 2110: Definition der Mechanik eines Steckverbinders.
Literatur
• Burkhard Kainka: Messen, Steuern, Regeln über die RS 232-Schnittstelle, m. CD-ROM. 7. Auflage. Franzis
Verlag, 1997, ISBN 978-3-7723-6058-9.
• Joe Campbell: V 24 / RS-232 Kommunikation. (6313 736). 4. Auflage. Sybex-Verlag GmbH, 1984, ISBN
978-3-8874-5075-5.
Quellen
[1] Document bei TIA (http:/ / standardsdocuments. tiaonline. org/ tia-232-f. htm)
Weblinks
• Diverse RS232-Steckerbelegungen und Kabel (http://www.lammertbies.nl/comm/cable/de_RS-232.
html#pins)
• Viele verschiedene RS232-Steckerbelegungen (englisch) (http://www.arcelect.com/rs232.htm)
• Viele RS232-Verkabelungen (englisch) (http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.
html)
RS-232
•
•
•
•
•
•
•
32
Tutorial und 16550-Programmierung (UART) (englisch) (http://byterunner.com/16550.html)
UART 16550 (Register) (englisch) (http://jamesthornton.com/freebsd/articles/serial-uart/)
UART-Programmierung RS-232/V.24 (http://www.adontec.com/ainfo/rs232de.pdf) (PDF-Datei, 148 kB)
Einführung in RS-232 (http://www.sprut.de/electronic/interfaces/rs232/rs232.htm)
Die serielle Schnittstelle – Grundlagen (http://www.hsg-kl.de/faecher/inf/netze/material/bitfuerbit.html)
RS232-Schnittstelle – Hintergrundinformationen (http://wut.de/e-8wwww-16-apde-000.php)
Application Note von Texas Instruments, u. a. mit Übersicht über Timing-Anforderungen und Hinweisen zur
Abschätzung der erreichbaren Kabellänge (PDF, englisch; 131 kB) (http://focus.ti.com/lit/an/slla037a/
slla037a.pdf)
EIA-485
EIA-485, auch als RS-485 bezeichnet, ist ein Schnittstellen-Standard für digitale leitungsgebundene, differentielle,
serielle Datenübertragung. Aufgrund der symmetrischen Signalübertragung ist EIA-485 durch eine hohe Toleranz
gegenüber elektromagnetischen Störungen gekennzeichnet.
Allgemeines
EIA-485 benutzt ein Leitungspaar, um den invertierten und einen
nichtinvertierten Pegel eines 1-Bit-Datensignals zu übertragen. Am
Empfänger wird aus der Differenz der beiden Spannungspegel das
ursprüngliche Datensignal rekonstruiert. Das hat den Vorteil, dass sich
Gleichtaktstörungen nicht auf die Übertragung auswirken und somit
die Störsicherheit vergrößert wird. Im Gegensatz zu EIA-232 sind so
wesentlich längere Übertragungsstrecken und höhere Taktraten
möglich. Gegenüber dem EIA-422-Standard besitzen die Sender durch
einen integrierten Widerstand kurzschlussfeste Ausgangsstufen, so
dass auch ein Gegensenden zweier Sender nicht zu Defekten führt. An
einem Adernpaar dürfen außerdem mehrere Sender und mehrere
Empfänger angeschlossen sein ('Multipoint').
Im Gegensatz zu anderen Bussen sind bei EIA-485 nur die elektrischen
Schnittstellenbedingungen
definiert.
Das
Protokoll
kann
anwendungsspezifisch gewählt werden. Deshalb werden sich
EIA-485-Geräte unterschiedlicher Applikationen oder Hersteller
i. Allg. nicht verstehen. Sollen Daten transportiert werden, bedient man
sich zur Zeichenübertragung oft des Universal Asynchronous Receiver
Transmitter-Protokolls (UART), bekannt von RS-232-Schnittstellen.
Meist werden hier acht gleichwertige Bits pro Rahmen übertragen.
Schaltbild eines EIA-422/EIA-485-Receivers
Schaltbild eines EIA-422/EIA-485-Transmitters
EIA-485
33
Standard
Namensgebend ist die Electronic Industries Alliance (EIA), die ihre Standards früher mit der Bezeichnung RS für
Radio Sector herausgab. Mit der Erweiterung auf Fachgebiete über die Radiotechnik hinaus blieb zwar das Präfix
erhalten, war aber offiziell keine Abkürzung mehr. Heute wird RS meist als Recommended Standard gelesen. Der
Standard wird inzwischen von der Telecommunications Industry Association (kurz TIA) verwaltet, hat die
Bezeichnung TIA-485-A und den Titel Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced
Digital Multipoint Systems (ANSI/TIA/EIA-485-A-98) (R2003). Der letzte Teil der Bezeichnung besagt, dass der
Standard im Jahr 2003 ohne technische Änderungen bestätigt wurde.
Technik
Die beiden symmetrischen Leitungen der EIA-485-Schnittstelle arbeiten mit einem Differenz-Spannungspegel von
mindestens +/-200 mV. Der Sender eines typischen 485-Bausteins verwendet eine Brückenschaltung, somit
entspricht der Signalpegel beim Sender der Betriebsspannung des Treibers, z. B. +/- 5 V. Im Gegensatz zur
massebezogenen EIA-232-Schnittstelle oder zur alten TTY-Stromschnittstelle der Fernschreiber ist durch den
symmetrischen Aufbau der Signalleiter ein 485-Empfänger gegenüber Gleichtaktstörung weitgehend unempfindlich.
Sie benutzt in der Regel nur ein Adernpaar und wird halbduplex betrieben, mit zwei Adernpaaren ist aber auch
Vollduplexbetrieb möglich. Die Verbindung ist multipointfähig, das heißt es können bis zu 32 Teilnehmer (oder Unit
Loads, eine hypothetische Lastgröße) an den EIA-485-Bus angeschlossen werden. Es existieren
Transceiverbausteine, die 1/2, 1/4 oder sogar nur 1/8 Unit Load darstellen. Diese Bausteine haben dann gegenüber
einem normalen Transceiver einen doppelten, vierfachen oder achtfachen Eingangswiderstand. Damit können
Netzwerke mit bis zu 256 Teilnehmern (1/8 Unit Load) aufgebaut werden. Üblicherweise werden Kabellängen bis zu
1,2 km und Übertragungsraten bis 10 MBit/s unterstützt, wobei die maximale Übertragungsrate nur bei
Leitungslängen bis zu 12 m erreicht wird. Die tatsächlich mögliche maximale Netzwerkgröße und die maximale
Übertragungsrate sind außerdem stark vom Aufbau des Netzwerks abhängig. Insbesondere Sterntopologien sollten
aufgrund der dabei entstehenden langen Stichleitungen vermieden werden, vorteilhaft ist der Aufbau in Kettenform
(Daisy Chain).
Da die EIA-485-Schnittstelle ein Bussystem (im Gegensatz zur
Punkt-zu-Punkt-Verbindung bei EIA-232) darstellt, sollten die
Leitungsenden (zumindest bei größeren Leitungslängen bzw. größeren
Übertragungsraten) abgeschlossen werden. In der Regel wird ein
passiver Abschluss durch Verbinden der Signalleitungen über jeweils
einen 120-Ω-Widerstand an den beiden Busenden verwendet. Ein
optionales Bias-Netzwerk vermeidet undefinierte Buspegel bei
inaktiven Leitungstreibern. Ansonsten bleibt der Empfänger bei
undefiniertem Bus im Zustand des zuletzt aktiven Logikwertes, der
aber durch starke Störpegel hin und her kippen kann.
Bei großen Leitungslängen kann es durch den Spannungsabfall zu
größeren Potentialdifferenzen zwischen den Busteilnehmern kommen,
die die Kommunikation behindern. Das kann durch Mitführen der
Masseleitung verbessert oder durch galvanische Trennung
(Optokoppler) vermieden werden.
Abschlusswiderstand mit Bias-Netzwerk
EIA-485 spezifiziert nur die elektrischen Eigenschaften des Interfaces, es definiert kein Protokoll und auch keine
Steckerbelegung.
Deshalb
EIA-485
34
existiert keine einheitliche Pinbelegung eines EIA-485-Steckers, so
dass bei Verwendung verschiedener EIA-485-Geräte immer die
Dokumentation des Gerätes beachtet werden muss. Beim Profibus, der
auf der EIA-485-Norm basiert, werden beispielsweise die Pins 3 und 8
von 9-poligen D-Sub-Steckern und -Dosen für die Datenleitung
benutzt.
Signalverlauf mit Bias-Netzwerk
Weite Verbreitung hat EIA-485 auch im Kassenbereich, wo von IBM Drucker und andere Peripheriegeräte über
proprietäre Steckverbindungen verbunden werden.
Die in der Veranstaltungstechnik zur Lichtsteuerung verwendete DMX-Schnittstelle basiert auf EIA-485.
Übersicht über die wichtigsten Spezifikationen
Parameter
Wert
Anzahl Empfänger
32 Empfänger
Maximale Leitungslänge
1200 m
Maximale Datenübertragungsrate
12 Mbps
Gleichtakt-Eingangsspannung
−7 bis +12 V
Eingangswiderstand des Empfängers
12 kΩ (1 Unit Load)
Eingangsempfindlichkeit des Empfängers ±200 mV
DI DE
Y Z
H
H
H L
UID ≥ 0,2 V
L
H
L
H
L H
0,2 V > UID > −0,2 V
L
n. def.
x
L
Z Z
UID ≤ −0,2 V
L
L
x
H
Z
Open
L
n. def
A−B
RE
RO
Die nicht invertierte Leitung wird meist mit A oder + oder ..P (positiv) gekennzeichnet, die invertierte mit B, − oder
..N. Bei 2 Busleitungen wäre das z.B. + und − oder RXTX-P und RXTX-N, bei 4 Busleitungen entsprechend TX+,
TX−, RX+, RX−. Masse ist z.B. SG für Signal Ground.[1]
EIA-485 und EIA-422
Aufgrund der großen Ähnlichkeit werden EIA-485 und EIA-422 oft synonym verwendet, EIA-422 wird als
Untermenge des EIA-485-Standards angesehen. Beide Standards sind aber nicht zu 100 % miteinander kompatibel.
EIA-485-Bauteile können zwar ohne Probleme in EIA-422-Netzwerken verwendet werden, aber nicht umgekehrt.
Wichtige Unterschiede sind:
• EIA-422-Bauteile besitzen in der Regel keinen Driver-Enable, mit dem der Sender abgeschaltet werden kann. In
einem Netzwerk mit mehreren Treibern können EIA-422-Bauteile deshalb nicht eingesetzt werden, da es sonst
dazu kommen kann, dass zwei Treiber gegeneinander treiben. EIA-422-Bauteile sind nicht dagegen geschützt.
• Bei EIA-422-Bauteilen, die doch über einen Driver-Enable verfügen, reicht die Treiberstärke nicht aus, um ein an
beiden Enden terminiertes Netzwerk zu treiben.
EIA-485
• Die Gleichtakt-Spannungsfestigkeit ist bei EIA-422-Treibern nicht so groß wie bei den EIA-485-Empfängern.
Wenn in Netzen mit mehreren Treibern Gleichtakt-Spannungen bzw. Offsets auftreten, die für den Empfänger
noch erlaubt sind, können die maximal zulässigen Spannungen am Treiber schon überschritten sein.
In einem EIA-485-Netzwerk sollten EIA-422-Bauteile deshalb nur als Empfänger eingesetzt werden. Dabei muss
aber noch beachtet werden, dass ein EIA-422-Empfänger mit seinem 4 kΩ Eingangswiderstand 3 Unit Loads
entspricht.
Unterschied zu EIA-232
Die inzwischen veraltete Schnittstelle EIA-/RS-232 (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) hat im Gegensatz zu den neueren
Standards EIA-/RS-422 (ein Sender, mehrere Empfänger) und EIA-/RS-485 (mehrere Sender, mehrere Empfänger)
andere Pegelverhältnisse. Während die RS-232 nur nahezu pseudo-differentiell konzipiert ist (Signalreferenz ist für
alle Signale in beide Richtungen GND), ist EIA-485 klar differentiell konzipiert. Um die Intermodulation zwischen
den verschiedenen bidirektionalen Signalen der RS-232 tolerieren zu können, vergrößerte man bei RS-232 Hub und
Schaltschwellen. Entsprechende Schnittstellen-IC für RS-232 (z. B. MAX232) realisieren dafür eine zusätzliche,
integrierte Hilfsspannungserzeugung (z. B. +/- 12 Volt).
Bei den neueren Schnittstellen (EIA-422, EIA-485) erkannte man hingegen, dass die Qualität einer symmetrischen
Signalübertragung völlig unabhängig von der Höhe der Schaltschwelle (Mittenpotential) ist. Legt man die
Schaltschwelle einfach mittig zwischen VDD und GND (+5 Volt gegen 0 Volt), wird mit gewöhnlichen
BiCMOS-Bausteinen eine der EIA-232 überlegene Übertragungsqualität erreicht.
Während die Minimalform von RS-232 aus einem Sendesignal TX, einem Empfangssignal RX sowie einer Masse
(GND) bestehen kann, kommt RS-485 mit zwei Signalen A und B aus, die gemeinsam im Gegentakt einmal in die
eine und andernmal in die andere Richtung Daten transportieren. Die daraus resultierende Gefahr des
Gegen-Sendens zweier Partner bedingt einen geringfügig höheren schaltungstechnischen Aufwand.
Diesem Nachteil stehen gravierende Vorteile gegenüber. Einerseits entfällt bei RS-422/-485 die Erzeugung positiver
und negativer Hilfsspannungen komplett, damit sinkt der Bauelementeaufwand erheblich, andererseits gestatten die
nun kleineren Signalhübe eine erhebliche Reduktion der Verlustleistung, da eine Anpassung an den (vom Signalhub
unabhängigen) Wellenwiderstand der Leitung stets erforderlich ist. Als Nebeneffekt entsteht bei gleichem
Verschiebungsstrom (
) zusätzlich ein Geschwindigkeitsgewinn, bei geringerem Hub und gleicher
Flankensteilheit hat der Pegel schneller den Endwert erreicht. Damit kann die übertragbare Datenrate bzw.
Entfernung trotz verminderter Verlustleistung erheblich gesteigert werden.
Da Gegensenden auch schon bei Zweipunkt-Verbindungen per Kommunikationsprotokoll vermieden werden muss,
impliziert RS-485 faktisch die Möglichkeit, ohne schaltungstechnischen Mehraufwand Multipunkt-Netze zu bilden.
Einzelnachweise
[1] http:/ / www. rn-wissen. de/ index. php/ RS485 RS485 im Roboternetz Wiki
Weblinks
•
•
•
•
Elektronik-Projekt (http://www.wiki.elektronik-projekt.de/mikrocontroller/rs485_bus)
RoboterNetz RS485 (http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/RS485)
Kolter Elektronik - Schnittstellen (http://www.pci-card.com/schnittstellen.html)
Standards betreffend TIA/EIA-485-A bei TIA (englisch) (http://www.tiaonline.org/standards/catalog/search.
cfm?standards_criteria=TIA/EIA-485-A)
• RS485-Grundlagen (http://www.wut.de/e-6wwww-11-apde-000.php)
35
36
Das Serial Peripheral Interface (kurz SPI) ist ein von Motorola entwickeltes Bus-System mit einem sehr lockeren
Standard für einen synchronen seriellen Datenbus (Synchronous Serial Port), mit dem digitale Schaltungen nach
dem Master-Slave-Prinzip miteinander verbunden werden können. Ein ähnliches Bus-System existiert von National
Semiconductor und nennt sich Microwire.
Grundlagen
Einfacher SPI-Bus mit nur einem SPI-Master und
Slave.
Eigenschaften
• Drei gemeinsame Leitungen, an denen jeder Teilnehmer
angeschlossen ist:
SDO (englisch Serial Data Out) bzw. MISO oder SOMI
(englisch Master in, Slave out)
SDI (englisch Serial Data In) bzw. MOSI oder SIMO
(englisch Master out, Slave in)
SCK (englisch Serial Clock) bzw. SCLK, wird vom
Master ausgegeben
• Eine oder mehrere mit logisch-0 aktive Chip-Select-Leitungen,
welche alle vom Master gesteuert werden und von denen je eine
Leitung pro Slave vorgesehen ist. Diese Leitungen werden je nach
Anwendung unterschiedlich mit Bezeichnungen wie SS, CS oder
STE für Slave Select, Chip Select bzw. Slave Transmit Enable
bezeichnet, oft noch in Kombination mit einer Indexnummer zur
Unterscheidung. Es gibt auch spezielle Anwendungen, bei denen
sich mehrere Slaves eine Leitung teilen, siehe Bild 1.
Bild 1: SPI-Verbindung durch Kaskadierung der
Slaves
• Vollduplexfähig
• Viele Einstellmöglichkeiten, beispielsweise mit welcher Taktflanke
ausgegeben bzw. eingelesen wird, Wortlänge, Übertragung MSB
oder LSB zuerst.
• Unterschiedliche Taktfrequenzen bis in den MHz-Bereich zulässig.
Bild 2: SPI-Sternverbindung
• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Audio- und Messanwendungen,
zur Datenübertragung zwischen Mikrocontrollern.
Viele Einstellungsmöglichkeiten sind unter anderem deshalb erforderlich, weil sich die Spezifikation für den
SPI-Bus in vielen Dingen nicht konkret festlegt und deshalb verschiedene, zueinander inkompatible Geräte
existieren. So ist häufig für jeden angeschlossenen Schaltkreis eine eigene Konfiguration des steuernden
Mikrocontrollers (Master des SPI-Bus) erforderlich.
37
Viele Mikrocontroller (z. B. die meisten AVR) erlauben eine In-System-Programmierung (kurz ISP) über den
SPI-Bus.
Protokollablauf und Einstellmöglichkeiten
Es können theoretisch beliebig viele
Teilnehmer an den Bus angeschlossen
werden, wobei es immer genau einen
Master geben muss. Er ist derjenige,
der das Clock-Signal an SCK erzeugt
und festlegt, mit welchem Slave er
kommunizieren will. Das geschieht
über die Leitung "Slave Select". Wird
sie gegen Masse gezogen, wird der
jeweilige Slave aktiv, "lauscht" an
MOSI und legt seine Daten im Takt
von SCK an MISO. Es wird somit ein
Byte vom Master zum Slave und ein
anderes Byte vom Slave zum Master
transportiert.
Bild 3: Datenübertragung bei verschiedenen Einstellungen von CPOL und CPHA
Ein Protokoll für die Datenübertragung wurde von Motorola zwar nicht festgelegt, doch haben sich in der Praxis vier
verschiedene Modi durchgesetzt. Diese werden durch die Parameter Clock Polarität (CPOL) und Clock Phase
(CPHA) festgelegt. Bei CPOL=0 ist der Clock Idle Low, bei CPOL=1 ist der Clock Idle High. CPHA gibt nun an,
bei der wievielten Flanke die Daten übernommen werden sollen. Bei CPHA=0 werden sie bei der ersten Flanke
übernommen, nachdem SS auf Low gezogen wurde, bei CPHA=1 bei der zweiten. Somit werden die Daten bei
CPOL=0 und CPHA=0 mit der ersten Flanke übernommen, die nur eine High-Flanke sein kann. Bei CPHA=1 wäre
es die zweite, also eine Low-Flanke. Bei CPOL=1 ist das ganze folglich genau andersherum, bei CPHA=0
Low-Flanke und bei CPHA=1 High-Flanke.
Zu beachten ist noch, dass der Slave bei CPHA=0 seine Daten schon beim Runterziehen von SS an MISO anlegt,
damit der Master sie beim ersten Flankenwechsel übernehmen kann. Bei CPHA=1 werden die Daten vom Slave erst
beim ersten Flankenwechsel an MISO gelegt, damit sie beim zweiten Flankenwechsel vom Master übernommen
werden können. Der Master hingegen legt seine Daten immer zum gleichen Zeitpunkt an, meist kurz nach der
Low-Flanke von SCK.
Mit jeder Taktperiode wird ein Bit übertragen. Beim üblichen Bytetransfer sind also 8 Taktperioden für eine
vollständige Übertragung nötig. Es können auch mehrere Bytes hintereinander übertragen werden, wobei nicht
festgelegt ist, ob zwischen jedem Byte das SS-Signal kurz wieder auf High gezogen werden muss. Eine Übertragung
ist beendet, wenn das Slave-Select-Signal endgültig auf High gesetzt wird.
Modes
Für die verschiedenen Konstellationen existiert auch die Bezeichnung Modes, die die nachfolgende Tabelle auflistet.
38
Mode CPOL CPHA
0
0
0
1
0
1
2
1
0
3
1
1
Weblinks
• SPI - Serial Peripheral Interface [1], Grundlagenartikel von Martin Schwerdtfeger
Quellennachweise
[1] http:/ / www. mct. de/ faq/ spi. html
39
GPIB/IEEE
IEC-625-Bus
IEC-625-Bus ist die internationale Normbezeichnung für einen externen parallelen Datenbus, der vorrangig zur
Verbindung von Messgeräten und Peripheriegeräten wie Plottern und Druckern mit einem Computer eingesetzt wird,
wobei bis zu 15 Geräte angeschlossen werden können. Die maximale Geschwindigkeit der Standardausführung
beträgt 1 MByte/s.
Andere Bezeichnungen
GPIB, GP-IB
General Purpose Interface Bus, auch General Purpose
Instrumentation Bus
HP-IB™
Hewlett-Packard Interface Bus
IEEE-488, IEEE488, IEEE-60488, (paralleler) IEC-Bus
IEEE Standard 488
IEEE Standard 60488
ANSI MC 1.1
ANSI Standard MC 1.1
IEEE-488 Stecker und Buchse
Geschichte
Der Bus wurde in den 1960er Jahren von der Firma Hewlett-Packard
(HP) als HP-IB[1] entwickelt, und von dieser in den 1970er Jahren zur
IEEE-Standardisierung eingereicht. 1975 erfolgte die Standardisierung
als IEEE-488-1975. 1978 wurde der Standard überarbeitet und als
IEEE-488-1978 veröffentlicht (später umbenannt zu IEEE 488.1, 2004
umbenannt zu IEEE 60488.1:2004). HP-IB entspricht diesem Standard.
ANSI übernahm den Standard als ANSI Standard MC 1.1. Die IEC
übernahm den Standard als IEC-625.
1987 verabschiedete das IEEE eine Ergänzung, IEEE 488.2 (alias
IEEE 60488.2:2004), die den Originalstandard erweitert, nicht ersetzt.
Der Originalstandard definierte keine Datenübertragungsprotokolle
GPIB-Controller als ISA-Steckkarte für den PC
oder Gerätekommandos. Um den Wildwuchs von Herstellerlösungen
einzudämmen, wurde 1990 IEEE 488.2 um die standardisierte
Kommandosprache SCPI erweitert. Viele Geräte erfüllen auch heute noch nicht den IEEE488.2-Standard.
Schnellere Varianten sind z. B. als HS488 bekannt, der 2003 als IEEE 488.1-2003 standardisiert wurde. Ältere
Geräte sind jedoch teilweise nicht in der Lage, das HS488-Protokoll zu verarbeiten. Bei einer Mischbestückung muss
IEC-625-Bus
40
das daher entsprechend berücksichtigt werden.
Grundsätzlicher Aufbau
Der Bus ist ein paralleler 8-Bit-Bus, mit dem bis zu 15 Geräte verbunden werden können. Zwar können 30 Geräte
adressiert werden, die physische Spezifikation gestattet jedoch nur den Anschluss von 15 Geräten pro Bus. Der Bus
enthält 16 Signalleitungen, davon acht Datenleitungen, drei zur Steuerung der Datenübertragung (handshake), und
fünf Signale zum Bus-Management.
Jedem angeschlossenen Gerät muss einmal von Hand eine der 30 möglichen Adressen zugewiesen werden.
Klassischerweise erfolgt das am Gerät mit einem DIP-Switch. Manche Geräte erlauben es auch, die Adresse in der
Firmware des Gerätes einzustellen.
Von den angeschlossenen Geräten darf zu einem Zeitpunkt maximal eines Daten senden (das Gerät, das zuvor als
talker definiert wurde), allerdings können die Daten zu mehreren der anderen angeschlossenen Geräte gesendet
werden, da alle nicht-sendenden Geräte gleichzeitig vom Bus lesen dürfen (genaugenommen müssen aktiv lesende
Geräte zuvor als listener definiert werden).
Durch ein 3-Phasen-Handshake (Bereit/Daten gültig/Daten akzeptiert) bestimmt das langsamste Gerät am Bus die
Geschwindigkeit der Übertragung. Daher ist es ungünstig, Geräte mit deutlich unterschiedlichen Geschwindigkeiten
an einem Bus zu mischen, es sei denn, der Geschwindigkeitsverlust kann toleriert werden.
Der Standard definiert verschiedene logische Funktionen von Geräten (z. B. Source Handshake (SH), Acceptor
Handshake (AH), Service Request (SR), oder Control (C), wobei eine nachgestellte Ziffer die implementierte
(Sub-)Funktionalität angibt (0 = keine Funktion). Auf Geräten bzw. in Handbüchern sind diese "Fähigkeiten"
(capabilities) der Schnittstelle in zusammengefasster Form angegeben, z. B. "SH1 AH1 T6 L4 SR0 RL1 PP0 DC1
DT0 C0". Der Bus benötigt im Gegensatz zu Standards wie Universal Serial Bus (USB) nicht unbedingt einen
Controller. So kann z. B. ein auf talk only eingestelltes Messgerät direkt mit einem auf listen only eingestellten
Drucker zur Protokollierung verbunden werden.
IEEE-488-1 definiert nur die Übertragung von Daten, nicht die Kommandos zum Steuern von Peripheriegeräten.
Dafür wird ein zusätzliches Protokoll benötigt, z. B. verwendet HP ein Protokoll names CS-80 (Command Set 80)
für die eigene Peripherie.
Bus-Signale
Gruppe
Daten
Handshake
Signalname
Bezeichnung
Beschreibung
DIO1–DIO8 Daten
NRFD
Not Ready for
Data
Listeners teilen mit diesem Signal mit, dass sie das Datenbyte auf DIO1-8 noch nicht verarbeitet
haben.
DAV
Data Valid
Die Daten auf DIO1-DIO8 sind gültig. Dieses Signal wird vom Talker eine kurze Zeit nach dem
Anlegen der Daten aktiviert.
NDAC
Not Data
Accepted
Mit NDAC teilen die Listener mit, dass sie das Datenbyte auf den DIO-Leitungen noch nicht
verarbeitet haben.
IEC-625-Bus
41
ATN
Attention
ATN zeigt an, dass die Datenleitungen ein Kommandobyte (z. B. Adresse) enthalten. Wird zusammen
mit EOI für Parallelabfragen (parallel poll) verwendet.
EOI
End or Identify
Wird zusammen mit dem letzten Byte einer Nachricht aktiviert, um deren Ende anzuzeigen.
IFC
Interface Clear
Der Systemcontroller kann mit dieser Leitung den Bus zurücksetzen und sich als aktiver Controller
etablieren.
REN
Remote Enable
Wird vom Controller aktiviert, um den Remote-Modus der Busteilnehmer freizugeben. Wird REN
deaktiviert, gehen alle Teilnehmer zurück in den Lokalmodus.
SRQ
Service Request Busteilnehmer können über dieses Signal dem aktiven Controller mitteilen, dass sie bedient werden
wollen – etwa die Funktion einer Interrupt-Leitung bei einem Mikroprozessor.
Protokoll
Steckverbindungen
IEEE-488
IEEE-488 verwendet 24-polige Centronics-Stecker (offizieller Name:
"Micro Ribbon Connector"), vielfach als Stecker-Buchse-Kombination
an beiden Kabelenden ausgeführt.
Der komplette Bus ist bei diesen Kombinationen zur Buchse
durchgeschleift. Dort kann dann wiederum ein identischer Stecker
angeschraubt werden. Die Stecker sind somit "stapelbar", wobei die
Anzahl der aufeinander gesteckten Steckverbinder aus mechanischen
Gründen üblicherweise auf 4 beschränkt ist. Zur Fixierung der Stecker
existieren sowohl metrische (M3.5×0,6) als auch zöllige
Halteschrauben, die untereinander nicht zusammenpassen. Gemäß
Konvention wird die (heute überwiegend anzutreffende) metrische
Variante schwarz, die zöllige dagegen silberfarben ausgeführt. In der
IEEE-488-Einzelstecker
Praxis ermöglicht dieses Stecksystem eine flexible Busverkabelung.
Sowohl eine sternförmige als auch eine linear angeordnete Verkabelung ist möglich, auch Mischformen sind
zulässig.
Kontaktbelegung:
+\
| ---\
|
---+
DIO1
| 1 13 |
DIO2
| 2 14 |
DIO3
| 3 15 |
DIO4
| 4 16 |
EOI
| 5 17 |
DAV
| 6 18 |
NRFD
| 7 19 |
NDAC
| 8 20 |
IFC
| 9 21 |
SRQ
| 10 22 |
ATN
| 11 23 |
SHIELD | 12 24 |
|
---+
DIO5
DIO6
DIO7
DIO8
REN
GND (verdrillt
GND (verdrillt
GND (verdrillt
GND (verdrillt
GND (verdrillt
GND (verdrillt
Signal GND
mit
mit
mit
mit
mit
mit
DAV)
NRFD)
NDAC)
IFC)
SRQ)
ATN)
IEC-625-Bus
42
| ---/
+/
IEC-625
Der IEC-625-Bus verwendet 25-polige D-Sub-Stecker. Diese Variante wurde erst durch den IEC-Standard
eingeführt und konnte sich gegen den etablierten 24-poligen Stecker nach IEEE-488 am Markt nicht durchsetzen.
Platinensteckverbindung
Commodore führte die Steckverbindung am Computer vielfach als
kostengünstige, aber auf Grund der fehlenden Zugentlastung
unpraktische Platinensteckverbindung aus. Diese ist so belegt, dass ein
24-poliger Standardstecker per Flachbandkabel direkt angeschlossen
werden kann:
Platinenkerbe
|
Platinenkerbe
|
1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2
= = = = = = = = = = = =
###### ################### #########
= = = = = = = = = = = =
A B C D E F H J K L M N
1
2
3
4
5
6
7
8
-
DIO1
DIO2
DIO3
DIO4
EOI
DAV
NRFD
NDAC
Commodore CBM610 mit
IEEE-488-Platinensteckverbindung (rechts)
9
10
11
12
A
B
C
D
-
IFC
SRQ
ATN
GND
DIO5
DIO6
DIO7
DIO8
E
F
H
J
K
L
M
N
-
REN
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
DIN-Stecker nach DIN 41524
Ebenfalls von Commodore gab es eine proprietäre serielle Variante des Busses unter der Bezeichnung CBM-Bus, bei
der runde DIN-Stecker nach DIN 41524 verwendet wurden.
Anwendung
Der Bus ist heute in Laboratorien zur Steuerung und Kontrolle von
Messgeräten noch weit verbreitet. Jedoch ist er nicht auf diese
Verwendung beschränkt, er ist ein general purpose (für allgemeine
Verwendung vorgesehener) Bus, der lange Zeit auch als
Standard-Anschluss für Plotter und Drucker diente. Auch
Massenspeicher, von Disketten-Laufwerken über Bandlaufwerke bis
hin zu Festplatten, wurden über IEEE-488 angeschlossen, z. B. bei
HP-Workstations der 1970er und 1980er Jahre.
GPIB-Schnittstelle am Datenerfassungsgerät
Der Commodore PET/CBM besaß diesen Bus ebenfalls und nutzte ihn
vor allem für Diskettenlaufwerke und Drucker. Die späteren Commodore-8-Bit-Modelle vom VC-20 bis zum C128
verwendeten die proprietäre serielle Variante CBM-Bus.
IEC-625-Bus
43
Weblinks
• http://www.zock.com/8-Bit/D_IEEE488.HTML (IEEE-488 bei
Commodore)
GPIB-Schnittstelle an einem
5,25-Zoll-Floppylaufwerk Commodore SFD1001
•
•
•
•
•
http://www.hit.bme.hu/people/papay/edu/GPIB/tutor.htm (GPIB-Tutorial, Englisch)
http://www.interfacebus.com/Design_Connector_GPIB.html (GPIB-Tutorial, Englisch)
http://linux-gpib.sourceforge.net/(Linux-Treiber für zahlreiche GPIB-Karten)
http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/280 (Die Zukunft von GPIB)
http://wut.de/e-3wwww-10-apde-000.php (Hintergrundinformationen in Deutsch)
Einzelnachweise
[1] US Patent 5327121 (http:/ / www. freepatentsonline. com/ 5327121. html)
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4438949-8 (http://d-nb.info/gnd/4438949-8)
44
EtherCAT/Ethernet
EtherCAT
EtherCAT ist ein von der Firma Beckhoff initiiertes Echtzeit-Ethernet. Das in IEC-Standard IEC61158 offengelegte
Protokoll eignet sich für harte wie weiche Echtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik.
Die Schwerpunkte der Entwicklung von EtherCAT lagen auf kurzen Zykluszeiten (≤ 100 µs), niedrigem Jitter für
exakte Synchronisierung (≤ 1 µs) und niedrigen Hardwarekosten.
Seit der Veröffentlichung 2003 existiert die mittlerweile größte Industrial Ethernet und Feldbus EtherCAT
Technology Group als eine Vereinigung von Interessenten, Herstellern und Anwendern (Dezember 2012: mehr als
2200 Mitglieder aus 56 Ländern). Die Mitglieder tragen in technischen Arbeitskreisen (Technical Working Groups)
zur Weiterentwicklung der Technologie bei.
EtherCAT Eigenschaften
Funktionsprinzip
Der vom Master versendete Standard Ethernet Frame (gemäß IEEE 802.3) wird nicht wie bei anderen Industrial
Ethernet Lösungen in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiterkopiert.
Die EtherCAT Slave-Geräte entnehmen die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm das Gerät durchläuft.
Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Dabei wird ein Rahmen nicht vollständig
empfangen, bevor er verarbeitet wird, sondern die Bearbeitung wird so früh wie möglich begonnen. Das Versenden
erfolgt ebenso mit einem minimalen Versatz von wenigen Bitzeiten.
SVG Animation, um sich das Funktionsprinzip von EtherCAT anzusehen[1]
Protokoll
Versendet wird das für Prozessdaten optimierte EtherCAT Protokoll innerhalb eines Standard Ethernet Frames unter
Verwendung eines eigenen Ethertypes (0x88A4). Das EtherCAT Telegramm kann aus mehreren Subtelegrammen
(EtherCAT Kommandos) bestehen, die jeweils einen Speicherbereich des bis zu 4 Gigabyte großen logischen
Prozessabbildes bedienen.
Die datentechnische Reihenfolge ist dabei unabhängig von der physikalischen Reihenfolge der Teilnehmer im Netz,
es kann wahlfrei adressiert werden. Broadcast, Multicast und Querkommunikation zwischen Slaves sind möglich.
EtherCAT
45
Topologie
Das Übertragungsverfahren des EtherCAT beruht auf den Voll-Duplex Eigenschaften von Ethernet. Auf der
Verkabelungsebene ermöglicht EtherCAT eine große Vielfalt von Topologien wie Linie, Baum, Ring, Stern und
deren Kombinationen. Damit verknüpft sind unterschiedliche Kommunikationseigenschaften wie
Leitungsredundanz, Hot Connect von Segmenten, Gerätetausch bei laufendem Netzwerk oder auch
Master-Redundanz mit Hot Stand-by.
Durch die Kombination von Topologievarianten mit verschiedenen Netzwerkarchitekturen wie etwa unterlagerten
oder benachbarten Steuerungssystemen mit durchgängiger Synchronisation ergeben sich damit viele Möglichkeiten.
So benötigt man auch keine zusätzlichen Switches.
Die Fast-Ethernet-Physik erlaubt eine Leitungslänge von maximal 100 m zwischen zwei Teilnehmern, der E-Bus
(LVDS) ist nur bei modularen Geräten als physikalische Schicht vorgesehen. Für jede Leitungsstrecke kann die
Signalvariante individuell ausgewählt werden. Bei größeren Entfernungen oder für vollständige galvanische
Trennung zwischen zwei Slaves kommen Lichtwellenleiter zum Einsatz. Mit Monomodefaser können bis zu 20 km
zwischen zwei Teilnehmern überbrückt werden. Da bis zu 65535 Teilnehmer je Netzwerksegment angeschlossen
werden können, ist die gesamte Netzausdehnung nahezu unbeschränkt.
Synchronisierung
Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn räumlich verteilte Prozesse
gleichzeitige Aktionen erfordern, z. B. wo mehrere Servo-Achsen gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen
sollen.
Der leistungsfähigste Ansatz zur Synchronisierung ist der exakte Abgleich verteilter Uhren. Dabei wird die Uhrzeit
der Haupt-Uhr via EtherCAT zu den Neben-Uhren übertragen und diese laufzeitkompensiert nachgeregelt. Bei
EtherCAT ist die Haupt-Uhr in einem Slave-Gerät, so dass auch hierfür keine spezielle Hardware im Master
erforderlich ist. Die Synchronisationsgenauigkeit ist dabei deutlich unter 1 µs, bei 300 Teilnehmern und 120 m
Leitungslänge wurden Abweichungen von ± 20 ns erzielt.
Performance
Aufgrund der Hardware-Integration im Slave und DMA-Zugriff auf die Netzwerkkarte im Master erfolgt die
gesamte Protokollbearbeitung in Hardware und ist damit unabhängig von der Laufzeit des Protokollstacks, der
CPU-Performance oder Software-Implementierung.
Prozessdaten
Update-Zeit
256 verteilte digitale E/A
11 µs – 0,01 ms
1000 verteilte digitale E/A
30 µs
200 analoge E/A
50 µs bei 20 kHz
100 Servoachsen, je 8 Byte Ein- und Ausgangsdaten
alle 100 µs
1 Feldbus Master Gateway (1486 Byte Eingangs- und 1480 Byte Ausgangsdaten) 150 µs
Die Bandbreitenausnutzung wird maximiert, da nicht für jeden Teilnehmer und jedes Datum stets ein eigener
Rahmen benötigt wird. Damit ergeben sich extrem kurze Zykluszeiten von ≤ 100 µs. Durch die Nutzung der
Voll-Duplex Eigenschaften von 100BASE-TX können effektive Datenraten von über 100 Mbit/s (> 90 Prozent
Nutzdatenrate von 2×100 MBit/s) erreicht werden.
Das EtherCAT Technologieprinzip ist skalierbar und nicht an 100 Mbit/s gebunden. Eine zukünftige Erweiterung auf
Gigabit-Ethernet ist möglich, bisher aber nicht in Vorbereitung, weil die EtherCAT-Performance auch bei
100 Mbit/s kein Problem darstellt.
EtherCAT
Diagnose
Die schnelle und präzise Erkennung von Störungen ist eine von vielen Diagnoseeigenschaften, die EtherCAT bietet.
Bitfehler in der Übertragung werden durch die Auswertung der CRC-Prüfsumme zuverlässig erkannt: das 32 Bit
CRC-Polynom weist eine minimale Hamming-Distanz von 4 auf. Neben der Bruchstellenerkennung und
-lokalisierung erlauben Protokoll, Übertragungsphysik und Topologie des EtherCAT Systems eine individuelle
Qualitätsüberwachung jeder einzelnen Übertragungsstrecke. Die automatische Auswertung der entsprechenden
Fehlerzähler ermöglicht die exakte Lokalisierung kritischer Netzwerkabschnitte.
Mehr dazu siehe Punkt Monitoring weiter unten.
EtherCAT Anbindungsentwicklung für CANopen und Sercos-Geräte
Die Geräteprofile beschreiben die Anwendungs-Parameter und das funktionale Verhalten der Geräte, einschließlich
der geräteklassenspezifischen Zustandsmaschinen. Es werden die folgenden Softwareschnittstellen für bestehende
Geräteprofile angeboten. Eine herstellerseitige Migration vom bisherigen Feldbus zu EtherCAT durch Anpassen der
Firmware und der Hardware wird somit deutlich erleichtert.[2]
CAN application protocol over EtherCAT (CoE)
CANopen™-Geräte- und Applikationsprofile stehen für eine große Vielfalt von Geräteklassen und Anwendungen
zur Verfügung: Angefangen von den E/A-Baugruppen über Antriebe (z. B. Antriebsprofil CiA 402 genormt als IEC
61800-7-201/301), Encoder (CiA 406), Proportionalventile und Hydraulikregler (CiA 408), bis hin zu
Anwendungsprofilen. EtherCAT ersetzt dann CAN.
Servodrive-Profile over EtherCAT (SoE)
SERCOS interface™ gilt als leistungsstarke Echtzeit-Kommunikationsschnittstelle insbesondere für anspruchsvolle
Motion Control Anwendungen. Das SERCOS-Profil für Servoantriebe und die Kommunikationstechnologie sind in
der IEC 61800-7 genormt. In dieser Norm ist auch das Mapping des SERCOS Servodrive-Profils auf EtherCAT
enthalten (IEC 61800-7-304).
Andere Protokolle
Ethernet over EtherCAT (EoE)
Beliebige Ethernetgeräte können innerhalb des EtherCAT-Segment via sogenannter Switchports angeschlossen
werden. Die Ethernet Frames werden durch das EtherCAT Protokoll getunnelt, wie es bei den Internet Protokollen
üblich ist (z. B. TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL), etc.). Das EtherCAT Netzwerk ist dabei für die Ethernet Geräte voll
transparent und die EtherCAT-Echtzeiteigenschaften werden nicht beeinträchtigt.
File Access over EtherCAT (FoE)
Dieses an TFTP angelehnte, sehr einfache Protokoll ermöglicht den Zugriff auf beliebige Datenstrukturen im Gerät.
Damit ist z. B. ein einheitlicher Firmware Upload auf Geräte möglich - unabhängig davon, ob diese TCP/IP
unterstützen.
Safety over EtherCAT (FSoE)
Parallel zur EtherCAT-Entwicklung wurde auch ein feldbusunabhängiges Safety-Protokoll entwickelt, das für
EtherCAT als "Safety over EtherCAT" (FSoE = Fail Safe over EtherCAT) zur Verfügung steht. Damit lässt sich
funktionale Sicherheit mit EtherCAT realisieren. Protokoll und Implementierung sind vom TÜV zertifiziert und
erfüllen das Safety Integrity Level 3 nach IEC 61508. Safety over EtherCAT ist seit 2010 in IEC 61784-3-12
international genormt.
46
EtherCAT
Dabei verursacht Safety over EtherCAT keine Einschränkung bezüglich Übertragungsgeschwindigkeit und
Zykluszeit, da EtherCAT als einkanaliges Kommunikationsmedium genutzt wird. Das Transportmedium wird dabei
als „Black Channel“ betrachtet und nicht in die Sicherheitsbetrachtung mit einbezogen.
Monitoring
Da EtherCAT Standard Ethernet Frames nach IEEE 802.3 verwendet, eignet sich jedes handelsübliche Ethernet
Monitor Tool zur Beobachtung der EtherCAT Kommunikation. Zusätzlich gibt es kostenlose Parser-Software für
Wireshark[3] (ehemals Ethereal, ein Open Source Monitoring Tool) und den Microsoft Netzwerk Monitor, mit der
mitgeschnittener EtherCAT Datenverkehr komfortabel aufbereitet und zur Anzeige gebracht wird.
Integration
Über Gateways lassen sich bestehende Netze wie CANopen, DeviceNet und Profibus nahtlos in die
EtherCAT-Umgebung integrieren und bieten darüber hinaus einen stolperfreien Migrationspfad vom klassischen
Feldbus zu EtherCAT. Damit werden bestehende Investitionen geschützt.
Dank der Performance von EtherCAT wird dabei mit ausgelagerten Feldbusmastern genauso schnell kommuniziert
wie mit den klassischen, über PCI oder andere Rückwandbusse angebundenen Karten. Da dezentrale
Feldbusschnittstellen zu kürzeren Ausdehnungen der Feldbusse führen, lassen sich diese häufig sogar noch mit
höheren Baudraten betreiben als dies bei der klassischen Architektur möglich gewesen wäre.
Implementierung
Master
Master lassen sich als Software-Lösung auf beliebigen Ethernet MACs implementieren. Es gibt Code von
verschiedenen Herstellern und für unterschiedliche Betriebssysteme, darunter mehrere Open Source Projekte (siehe
Links).
Es wird aufgrund des verlagerten Mappings in die Slave-Hardware keine großen Anforderungen an die
CPU-Leistung des Master gestellt, dieser erhält die Daten bereits als fertig sortiertes Prozessabbild.
Slave
Im Gegensatz zum Standard-Ethernet werden die EtherCAT-Frames von den Slaves im Durchlauf bearbeitet. Dies
führt dazu, dass auf der Slave-Seite Hardware-integrierte EtherCAT Slave Controller (ESC) eingesetzt werden
müssen. ESC sind als ASICs ausgeführt oder auf FPGA-Basis implementiert. Seit Anfang 2012 sind auch erste
Standard-Mikroprozessoren mit EtherCAT Slave Schnittstelle auf dem Markt.[4]
Für einfache Geräte ist kein zusätzlicher Mikrocontroller erforderlich. Bei komplexeren Geräten ist die
Kommunikations-Performance bei EtherCAT nahezu unabhängig von der Leistungsfähigkeit des verwendeten
Controllers. Die Anforderungen an den Mikrocontroller werden daher von der lokalen Anwendung vorgegeben, z. B.
der Antriebsregelung.
47
EtherCAT
Anwendungen
Steuerung und Regelung
Zur Steuerung und Regelung physikalischer Prozesse ist eine hohe Datenintegrität, Datensicherheit und Synchronität
erforderlich. EtherCAT wurde speziell für diese Anwendungen entworfen und erfüllt alle Anforderungen für schnelle
Regelungen.
Messsysteme
Moderne Messsysteme zeichnen sich durch Vielkanaligkeit, Synchronität und Genauigkeit aus. Durch die
Protokolleigenschaften von EtherCAT wird ein effizienter synchroner Datendurchsatz garantiert. Die durch Ethernet
gegebenen Netzwerkeigenschaften ermöglichen ein Messnetzwerk mit verteilten Messmodulen.
Nutzerorganisation: EtherCAT Technology Group
Die EtherCAT Technology Group wurde 2003 gegründet und ist bezüglich der Anzahl ihrer Mitglieder heute die
größte Industrial Ethernet Nutzerorganisation weltweit.
Sie bietet ihren Mitgliedern Implementierungsunterstützung und Schulungen an, veranstaltet Plug-Fests (sogenannte
Interoperabilitätstests) und treibt die Entwicklung und Verbreitung der Technologie mit Hilfe der Mitglieder und
Büros in Deutschland, China, Japan, Korea und den USA voran.
In der ETG finden sich Endanwender aus unterschiedlichen Branchen, Maschinenhersteller und Anbieter von
leistungsfähiger Steuerungstechnik zusammen, um die EtherCAT-Technologie zu unterstützen und zu fördern. Die
Branchenvielfalt gewährleistet, dass EtherCAT für vielfältige Anwendungen optimal vorbereitet ist. Die
Systempartner sorgen mit ihrem qualifizierten Feedback für die einfache Integration der Hardware- und
Softwarebausteine in alle erforderlichen Geräteklassen.
Das unter Mithilfe von ETG Mitgliedern entwickelte Conformance Test Tool stellt die Interoperabilität und
Protokollkonformität der EtherCAT-Geräte sicher.
Internationale Normung
EtherCAT ist seit 2005 IEC Norm. Die EtherCAT Technology Group ist offizieller Normungspartner der IEC
Arbeitsgruppen für digitale Kommunikation.
Die Integration in die Internationalen Standards IEC 61158 (Protokolle und Dienste) und IEC 61784-2
(Kommunikationsprofile für die spezifischen Geräteklassen) ist erfolgt. In der IEC 61800-7 (Antriebsprofile und
-kommunikation) ist EtherCAT als Kommunikationstechnologie für das SERCOS- und das CANopen-Antriebsprofil
genormt. Auch in ISO 15745-4 (Gerätebeschreibung mit XML) ist EtherCAT enthalten.
Seit September 2007 ist EtherCAT zudem SEMI-Standard: die E54.20 beschreibt den Einsatz der Technologie in
Halbleiter- und Flachdisplay-Fertigungsanlagen.
48
EtherCAT
Literatur
• IEC 61158: Industrial communication networks – Fieldbus specifications
• IEC 61784-2: Industrial communication networks – Profiles, Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time
networks based on ISO/IEC 8802-3
• IEC 61784-3: Industrial communication networks – Profiles, Part 3: Functional safety fieldbuses
• IEC 61800-7: Adjustable speed electrical power drive systems
• ISO 15745-4: Industrial automation systems and integration
• Klaus Kafka,: Ein Erfahrungsbericht über die verschiedenen Realtime Ethernet Systeme. In: Günther
Brandenburg (Hrsg.): SPS IPC DRIVES 2006: Fachmesse & Kongress 28.–30. Nov. 2006, Nürnberg.
VDE-Verlag, Berlin / Offenbach 2006, ISBN 978-3-8007-2994-4
Weblinks
•
•
•
•
EtherCAT Technology Group [5]
Open Source EtherCAT Master Library für Linux, PREEMPT_RT oder Xenomai [6]
Open Source EtherCAT Master für Linux/Real Time Kernel [7]
Semiconductor Equipment and Materials International [8]
Einzelnachweise
[1] Es wird eventuell folgendes Plugin (http:/ / www. adobe. com/ svg/ viewer/ install/ ) benötigt.
[2] EtherCAT – the Ethernet Fieldbus, Abschnitt CAN application layer over EtherCAT (CoE) (http:/ / www. ethercat. org/ en/ technology.
html#3. 9. 1) (englisch/japanisch/chinesisch)
[3] Wireshark (http:/ / www. wireshark. org/ )
[4] White Paper: EtherCAT® on Sitara™ AM335x ARM® Cortex™-A8 Microprocessors (http:/ / www. ti. com/ lit/ wp/ spry187c/ spry187c.
pdf) (PDF; englisch; 620 kB)
[5] http:/ / www. ethercat. org/
[6] http:/ / soem. berlios. de/
[7] http:/ / www. etherlab. de/
[8] http:/ / www. semi. org/
49
50
PXI
PCI eXtensions for Instrumentation
PCI eXtensions for Instrumentation, kurz PXI, wurde von National Instruments ins Leben gerufen und ist eine
Weiterentwicklung der Standards PCI und CompactPCI (cPCI) für die Mess- und Automatisierungstechnik.
Mittlerweile bieten mehr als 50 Hersteller Produkte für dieses Bussystem an. Der Standard wird von der PXI
Systems Alliance, kurz PXISA, verwaltet.
Ein PXI-System besteht aus einem Gehäuse mit Einschubplätzen für 4,
8 oder mehr Module. Ein Modul ist der sogenannte Controller, also die
Einheit mit Prozessor, Festplattenlaufwerk, Speicher usw. Neben dem
Controller können dann weitere Module wie Datenerfassungskarten
mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen, Module zur
Bilderfassung oder Motorensteuerung usw. eingebaut werden.
Zusätzlich zum Datenbus (kompatibel zu PCI) enthält ein PXI-System
noch weitere Busse zum synchronen Takten und Triggern mehrerer
Einsteckkarten (Messgeräte).
Weblinks
• PXI Systems Alliance [1]
Quellennachweise
[1] http:/ / www. pxisa. org
PXI-System mit Einschubplätzen
Universal Serial Bus Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?oldid=119955633 Bearbeiter: -Benni-, -jha-, 0815mondo, 1-1111, 2sd, 4Frankie, 9of17, A.Heidemann, A.Savin,
ALpHatheONE, AQ, Abutoum, Achim Raschka, AchimP, Adornix, Afrank99, Agash C, Ahellwig, Aka, Akkakk, Alex42, Alexander.stohr, Alnilam, Alvanx, Andim, AndreasFahrrad,
AndreasPrang, Andreasklug, Anneke Wolf, Appaloosa, Arma, Armin P., Arnulf zu Linden, Arzach, Asb, Asgar, Ataub2qf, Ath, Avoided, BK, BK-Master, BLueFiSH.as, Backsideficker,
BambooBeast, Baumanns, Bauruine, Ben-Zin, Benjamin Rommel, Benji, Berliner76, Bernard Ladenthin, Bernhard Wallisch, Berthold Werner, Bholliger, Bibermaus, Binter, Björn Bornhöft,
Blaubahn, Blaufisch, Blootwoosch, Boonekamp, Braunbaer87, Brazzy, Buchexperte, Bugert, Burns, Cancun, Captaingrog, Carminox, Carolyn67, Cat, CedricBLN, CenterMan, Cepheiden,
Chaddy, CherryX, Chicken1303, Chillvie, Chjb, ChristophK, Church of emacs, Claaser, Clemensfranz, Cljk, Cm256, Cointel, Complex, Conan174, Controlling, Conversion script,
Cookiemonster, Corrigo, Corsair bs, Cottbus, Cutnyakdhien, Cvf-ps, Cyper, D, D-Kuru, D0ktorz, D235, DaB., Dagobert666, Dahlmann, Daniel5Ko, Dannys9, Dansei, Dantor, Dapeda, DasBee,
Deadlyhappen, Delta82, Dem Zwickelbert sei Frau, Denniss, Der Messer, Der kleine grüne Schornstein, Der.Traeumer, DerGraueWolf, DerHerrMigo, DerHexer, DerSchnüffler, Diba, Dickbauch,
DiplomBastler, Dishayloo, Diwas, Djangothebest, Doctor B, Don Magnifico, Dr.G, Dschen, DuMonde, Duschgeldrache2, E3c2d6ec0ca59f4588b8bb5cb621cfa6, Easy Israel, Ebcdic, EcceNux,
Echoray, Echtner, Edvjacob, EinKonstanzer, Elborn, Elderas, Engie, Ennimate, Enomil, Ephraim33, Erdbeerquetscher, ErhardRainer, Ernst Schwartz, Ersthelfer, Euphoriceyes, Exoport, Exxu,
FBE2005, Fabian Bieker, Farin12, Faxel, Feierfrosch, Feliz, Fgb, Filzstift, Fkoch, Flominator, Florian Adler, Fomafix, Frank Klemm, Fristu, FritzG, Frog23, Fubar, Fxp, G, GDK, GMLSX,
GNosis, GT1976, Garnichtsoeinfach, Georg Slickers, George Animal, GeroZ, Giftmischer, Goldenbird, Graf Matzerath, Grapelli, Grille Chompa, Grindinger, Grip99, Gromobir, Gronau, Gruß
Tom, Guillermo, Gunnar.offel, Gunther, Gurt, HBR, HaSee, HaeB, Haendy-freak, Hagis3, Hajue59, Hans B., Hans Haase, Henri97, HenrikHolke, Hephaion, HerrVorragend, Heurik, Hilarmont,
Hofres, HolgM, Horst Gräbner, Howwi, Hthole, Hubi, Hukukçu, Hundehalter, Hunding, Hutschi, Hypersim, INM, Ibis12, Igge, Ilion, Improve, In dubio pro dubio, Informatica, Inkowik,
Invisigoth67, Ishidro, Iste Praetor, It-bill, Itti, Itu, J-g-s, J. H. Traven, JFKCom, Jackalope, Jackson, Jailbird, Jasper Perky, Jed, Jergen, Jjeka, JoBa2282, Jodoform, Johnny Controletti, Jom,
Jonathan Groß, Joscha, Joschi71, Jpp, JuTa, K0nze, KAI42, Kai11, Kam Solusar, Karl Gruber, Karl-Henner, Ketterer, Keykiller, Keymaster, Keysinger, Kh555, Kibert, Kirschblut, Kixotea, Kku,
Kleinigkeiter, Kniekel, Konrad Stein, Kopoltra, Korinth, Krawi, Krischan111, Krje, Kubieziel, Kurt Jansson, LKD, LabFox, Landydoc, Lars Beck, Lars Trebing, Laza, Leider, Leipnizkeks,
LiQuidator, LivingShadow, Locusta, Lofote, Lucia Clemens, Lurchi5, Löschfix, M-sch, MIL, Manecke, ManfredEP, Marc-André Aßbrock, Marcus Schätzle, Markus Bärlocher,
MarkusHagenlocher, Marsupilami, Martin Bahmann, Martin Homuth-Rosemann, Martin schulte, Martin-vogel, Martinlo64, Masr, Matgoth, Matt1971, MatzUp, Mbutscher, Mc-404, McB, Mdo,
Mediocrity, MichaelFrey, Michaelsy, Micwil, Migra, Mijobe, Mikenolte, Mikue, Misery, Mist, Mistmano, Mnh, MovGP0, Mr. Anderson, MrBurns, Mrsurrender, Much89, Musik-chris, N-regen,
NSX-Racer, Naddy, Nameless23, Nd, Necrophorus, NiTenIchiRyu, Nicor, Niemand, Nierskiesel, Nightflyer, Nightwish62, Nightwish79, NilsSchneider, Nirazul, NobbiP, Nobody perfect,
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A "Secondary Section" is a named appendix or a front-matter section of the Document that deals exclusively with the relationship of the publishers or authors of the Document to the Document's overall subject (or to related matters)
and contains nothing that could fall directly within that overall subject. (Thus, if the Document is in part a textbook of mathematics, a Secondary Section may not explain any mathematics.) The relationship could be a matter of
historical connection with the subject or with related matters, or of legal, commercial, philosophical, ethical or political position regarding them.
The "Invariant Sections" are certain Secondary Sections whose titles are designated, as being those of Invariant Sections, in the notice that says that the Document is released under this License. If a section does not fit the above
definition of Secondary then it is not allowed to be designated as Invariant. The Document may contain zero Invariant Sections. If the Document does not identify any Invariant Sections then there are none.
The "Cover Texts" are certain short passages of text that are listed, as Front-Cover Texts or Back-Cover Texts, in the notice that says that the Document is released under this License. A Front-Cover Text may be at most 5 words, and a
Back-Cover Text may be at most 25 words.
A "Transparent" copy of the Document means a machine-readable copy, represented in a format whose specification is available to the general public, that is suitable for revising the document straightforwardly with generic text editors
or (for images composed of pixels) generic paint programs or (for drawings) some widely available drawing editor, and that is suitable for input to text formatters or for automatic translation to a variety of formats suitable for input to
text formatters. A copy made in an otherwise Transparent file format whose markup, or absence of markup, has been arranged to thwart or discourage subsequent modification by readers is not Transparent. An image format is not
Transparent if used for any substantial amount of text. A copy that is not "Transparent" is called "Opaque".
Examples of suitable formats for Transparent copies include plain ASCII without markup, Texinfo input format, LaTeX input format, SGML or XML using a publicly available DTD, and standard-conforming simple HTML,
PostScript or PDF designed for human modification. Examples of transparent image formats include PNG, XCF and JPG. Opaque formats include proprietary formats that can be read and edited only by proprietary word processors,
SGML or XML for which the DTD and/or processing tools are not generally available, and the machine-generated HTML, PostScript or PDF produced by some word processors for output purposes only.
The "Title Page" means, for a printed book, the title page itself, plus such following pages as are needed to hold, legibly, the material this License requires to appear in the title page. For works in formats which do not have any title
page as such, "Title Page" means the text near the most prominent appearance of the work's title, preceding the beginning of the body of the text.
A section "Entitled XYZ" means a named subunit of the Document whose title either is precisely XYZ or contains XYZ in parentheses following text that translates XYZ in another language. (Here XYZ stands for a specific section
name mentioned below, such as "Acknowledgements", "Dedications", "Endorsements", or "History".) To "Preserve the Title" of such a section when you modify the Document means that it remains a section "Entitled XYZ" according
to this definition.
The Document may include Warranty Disclaimers next to the notice which states that this License applies to the Document. These Warranty Disclaimers are considered to be included by reference in this License, but only as regards
disclaiming warranties: any other implication that these Warranty Disclaimers may have is void and has no effect on the meaning of this License.
2. VERBATIM COPYING
You may copy and distribute the Document in any medium, either commercially or noncommercially, provided that this License, the copyright notices, and the license notice saying this License applies to the Document are reproduced
in all copies, and that you add no other conditions whatsoever to those of this License. You may not use technical measures to obstruct or control the reading or further copying of the copies you make or distribute. However, you may
accept compensation in exchange for copies. If you distribute a large enough number of copies you must also follow the conditions in section 3.
You may also lend copies, under the same conditions stated above, and you may publicly display copies.
3. COPYING IN QUANTITY
If you publish printed copies (or copies in media that commonly have printed covers) of the Document, numbering more than 100, and the Document's license notice requires Cover Texts, you must enclose the copies in covers that
carry, clearly and legibly, all these Cover Texts: Front-Cover Texts on the front cover, and Back-Cover Texts on the back cover. Both covers must also clearly and legibly identify you as the publisher of these copies. The front cover
must present the full title with all words of the title equally prominent and visible. You may add other material on the covers in addition. Copying with changes limited to the covers, as long as they preserve the title of the Document
and satisfy these conditions, can be treated as verbatim copying in other respects.
If the required texts for either cover are too voluminous to fit legibly, you should put the first ones listed (as many as fit reasonably) on the actual cover, and continue the rest onto adjacent pages.
If you publish or distribute Opaque copies of the Document numbering more than 100, you must either include a machine-readable Transparent copy along with each Opaque copy, or state in or with each Opaque copy a
computer-network location from which the general network-using public has access to download using public-standard network protocols a complete Transparent copy of the Document, free of added material. If you use the latter
option, you must take reasonably prudent steps, when you begin distribution of Opaque copies in quantity, to ensure that this Transparent copy will remain thus accessible at the stated location until at least one year after the last time
you distribute an Opaque copy (directly or through your agents or retailers) of that edition to the public.
It is requested, but not required, that you contact the authors of the Document well before redistributing any large number of copies, to give them a chance to provide you with an updated version of the Document.
4. MODIFICATIONS
You may copy and distribute a Modified Version of the Document under the conditions of sections 2 and 3 above, provided that you release the Modified Version under precisely this License, with the Modified Version filling the role
of the Document, thus licensing distribution and modification of the Modified Version to whoever possesses a copy of it. In addition, you must do these things in the Modified Version:
•
A. Use in the Title Page (and on the covers, if any) a title distinct from that of the Document, and from those of previous versions (which should, if there were any, be listed in the History section of the Document). You may use
the same title as a previous version if the original publisher of that version gives permission.
B. List on the Title Page, as authors, one or more persons or entities responsible for authorship of the modifications in the Modified Version, together with at least five of the principal authors of the Document (all of its principal
authors, if it has fewer than five), unless they release you from this requirement.
•
C. State on the Title page the name of the publisher of the Modified Version, as the publisher.
•
D. Preserve all the copyright notices of the Document.
•
E. Add an appropriate copyright notice for your modifications adjacent to the other copyright notices.
•
F. Include, immediately after the copyright notices, a license notice giving the public permission to use the Modified Version under the terms of this License, in the form shown in the Addendum below.
•
G. Preserve in that license notice the full lists of Invariant Sections and required Cover Texts given in the Document's license notice.
•
H. Include an unaltered copy of this License.
•
I. Preserve the section Entitled "History", Preserve its Title, and add to it an item stating at least the title, year, new authors, and publisher of the Modified Version as given on the Title Page. If there is no section Entitled
"History" in the Document, create one stating the title, year, authors, and publisher of the Document as given on its Title Page, then add an item describing the Modified Version as stated in the previous sentence.
•
J. Preserve the network location, if any, given in the Document for public access to a Transparent copy of the Document, and likewise the network locations given in the Document for previous versions it was based on. These
may be placed in the "History" section. You may omit a network location for a work that was published at least four years before the Document itself, or if the original publisher of the version it refers to gives permission.
•
K. For any section Entitled "Acknowledgements" or "Dedications", Preserve the Title of the section, and preserve in the section all the substance and tone of each of the contributor acknowledgements and/or dedications given
therein.
•
L. Preserve all the Invariant Sections of the Document, unaltered in their text and in their titles. Section numbers or the equivalent are not considered part of the section titles.
•
M. Delete any section Entitled "Endorsements". Such a section may not be included in the Modified Version.
•
N. Do not retitle any existing section to be Entitled "Endorsements" or to conflict in title with any Invariant Section.
•
O. Preserve any Warranty Disclaimers.
If the Modified Version includes new front-matter sections or appendices that qualify as Secondary Sections and contain no material copied from the Document, you may at your option designate some or all of these sections as
invariant. To do this, add their titles to the list of Invariant Sections in the Modified Version's license notice. These titles must be distinct from any other section titles.
You may add a section Entitled "Endorsements", provided it contains nothing but endorsements of your Modified Version by various parties--for example, statements of peer review or that the text has been approved by an organization
as the authoritative definition of a standard.
You may add a passage of up to five words as a Front-Cover Text, and a passage of up to 25 words as a Back-Cover Text, to the end of the list of Cover Texts in the Modified Version. Only one passage of Front-Cover Text and one of
Back-Cover Text may be added by (or through arrangements made by) any one entity. If the Document already includes a cover text for the same cover, previously added by you or by arrangement made by the same entity you are
acting on behalf of, you may not add another; but you may replace the old one, on explicit permission from the previous publisher that added the old one.
The author(s) and publisher(s) of the Document do not by this License give permission to use their names for publicity for or to assert or imply endorsement of any Modified Version.
•
5. COMBINING DOCUMENTS
You may combine the Document with other documents released under this License, under the terms defined in section 4 above for modified versions, provided that you include in the combination all of the Invariant Sections of all of
the original documents, unmodified, and list them all as Invariant Sections of your combined work in its license notice, and that you preserve all their Warranty Disclaimers.
The combined work need only contain one copy of this License, and multiple identical Invariant Sections may be replaced with a single copy. If there are multiple Invariant Sections with the same name but different contents, make the
title of each such section unique by adding at the end of it, in parentheses, the name of the original author or publisher of that section if known, or else a unique number. Make the same adjustment to the section titles in the list of
Invariant Sections in the license notice of the combined work.
Lizenz
55
In the combination, you must combine any sections Entitled "History" in the various original documents, forming one section Entitled "History"; likewise combine any sections Entitled "Acknowledgements", and any sections Entitled
"Dedications". You must delete all sections Entitled "Endorsements".
6. COLLECTIONS OF DOCUMENTS
You may make a collection consisting of the Document and other documents released under this License, and replace the individual copies of this License in the various documents with a single copy that is included in the collection,
provided that you follow the rules of this License for verbatim copying of each of the documents in all other respects.
You may extract a single document from such a collection, and distribute it individually under this License, provided you insert a copy of this License into the extracted document, and follow this License in all other respects regarding
verbatim copying of that document.
7. AGGREGATION WITH INDEPENDENT WORKS
A compilation of the Document or its derivatives with other separate and independent documents or works, in or on a volume of a storage or distribution medium, is called an "aggregate" if the copyright resulting from the compilation
is not used to limit the legal rights of the compilation's users beyond what the individual works permit. When the Document is included in an aggregate, this License does not apply to the other works in the aggregate which are not
themselves derivative works of the Document.
If the Cover Text requirement of section 3 is applicable to these copies of the Document, then if the Document is less than one half of the entire aggregate, the Document's Cover Texts may be placed on covers that bracket the
Document within the aggregate, or the electronic equivalent of covers if the Document is in electronic form. Otherwise they must appear on printed covers that bracket the whole aggregate.
8. TRANSLATION
Translation is considered a kind of modification, so you may distribute translations of the Document under the terms of section 4. Replacing Invariant Sections with translations requires special permission from their copyright holders,
but you may include translations of some or all Invariant Sections in addition to the original versions of these Invariant Sections. You may include a translation of this License, and all the license notices in the Document, and any
Warranty Disclaimers, provided that you also include the original English version of this License and the original versions of those notices and disclaimers. In case of a disagreement between the translation and the original version of
this License or a notice or disclaimer, the original version will prevail.
If a section in the Document is Entitled "Acknowledgements", "Dedications", or "History", the requirement (section 4) to Preserve its Title (section 1) will typically require changing the actual title.
9. TERMINATION
You may not copy, modify, sublicense, or distribute the Document except as expressly provided for under this License. Any other attempt to copy, modify, sublicense or distribute the Document is void, and will automatically terminate
your rights under this License. However, parties who have received copies, or rights, from you under this License will not have their licenses terminated so long as such parties remain in full compliance.
10. FUTURE REVISIONS OF THIS LICENSE
The Free Software Foundation may publish new, revised versions of the GNU Free Documentation License from time to time. Such new versions will be similar in spirit to the present version, but may differ in detail to address new
problems or concerns. See http:/ / www. gnu. org/ copyleft/ .
Each version of the License is given a distinguishing version number. If the Document specifies that a particular numbered version of this License "or any later version" applies to it, you have the option of following the terms and
conditions either of that specified version or of any later version that has been published (not as a draft) by the Free Software Foundation. If the Document does not specify a version number of this License, you may choose any version
ever published (not as a draft) by the Free Software Foundation.
ADDENDUM: How to use this License for your documents
To use this License in a document you have written, include a copy of the License in the document and put the following copyright and license notices just after the title page:
Copyright (c) YEAR YOUR NAME.
Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2
or any later version published by the Free Software Foundation;
with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts.
A copy of the license is included in the section entitled
"GNU Free Documentation License".
If you have Invariant Sections, Front-Cover Texts and Back-Cover Texts, replace the "with...Texts." line with this:
with the Invariant Sections being LIST THEIR TITLES, with the
Front-Cover Texts being LIST, and with the Back-Cover Texts being LIST.
If you have Invariant Sections without Cover Texts, or some other combination of the three, merge those two alternatives to suit the situation.
If your document contains nontrivial examples of program code, we recommend releasing these examples in parallel under your choice of free software license, such as the GNU General Public License, to permit their use in free
software.

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