Wie funktioniert ein USB-Hub?

Es hat alles mit Schlichtung zu tun. Jedes System, das die Verbindung mehrerer Geräte erfordert, muss auf irgendeine Weise bestimmen können, wer wann sprechen soll. Je nach Anwendung gibt es erwartungsgemäß unterschiedliche Schemata.

Ein allgemeines Beispiel: Beim Netzwerken haben wir viele Knoten, die alle miteinander sprechen. Dies geschieht, indem jeder Knoten eine Adresse (z. B. IP-Adresse) hat, und wenn ein Knoten mit einem anderen Knoten sprechen möchte, sendet er ein Paket an diese Adresse. Sie haben dann Geräte wie Router, die an mehreren Ports eingehende Pakete entgegennehmen und an den richtigen Port weiterleiten. Die Arbitrierung erfolgt unter Verwendung von Speicher zum Speichern von Paketen, bis der Zielport frei ist.

Nun zu USB. Dies ist tatsächlich viel einfacher als ein Netzwerk, da nicht alle Knoten gleich sind. Sie haben zwei Arten, einen Host und einen Endpunkt. Es gibt immer nur einen Host, aber es können viele Endpunkte sein. In diesem Fall ist die Schlichtung viel einfacher, da nur der Host-Port nach Belieben sprechen darf. Endpunkte dürfen nur sprechen, wenn sie vom Host dazu aufgefordert werden , und der Host spricht immer nur mit jeweils einem Endpunkt.

Bei Host->Endpunkt-Paketen leiten die USB-Hubs einfach die Anfrage vom Host an alle Endpunkte weiter. Da alle Endpunkte eine Adresse haben, wird nur derjenige, an den die Anfrage adressiert wurde, irgendetwas damit machen (z. B. antworten), alle anderen werden das Paket ignorieren.

Bei Endpunkt->Host-Paketen sendet der Host zuerst ein Paket an einen bestimmten Endpunkt nach Adresse, um zu sagen: "Sie können jetzt sprechen", und dann muss dieser Endpunkt sofort eine Antwort senden. Da immer nur ein Endpunkt sprechen darf, leitet der USB-Hub das Paket einfach von dem Port weiter, der auf eine Anfrage vom Host antwortet.

In Bezug darauf, wie der Host herausfindet, welche Geräte angeschlossen sind und wie Endpunkte ihre Adresse erhalten, wird dies durch Aufzählung erreicht.

Alle Host- und Hub-Ports haben Pulldown-Widerstände (15 kOhm) auf den Leitungen D+ und D-. Diese versetzen die Datenleitungen dieses Ports in einen bekannten Zustand, wenn kein Gerät angeschlossen ist, ein Zustand, in dem der Port überhaupt keine Daten über die D+/D-Leitungen sendet.

Wenn ein Gerät angeschlossen ist, macht es sich selbst bekannt, indem es entweder die Datenleitung D+ (volle Geschwindigkeit) oder D- (niedrige Geschwindigkeit) mit einem 1,5-kOhm-Widerstand an VCC anschließt. Dies löst ein Aufzählungsereignis aus. Der Port beginnt dann mit der Konfiguration des Geräts und der Zuweisung einer Adresse. Wenn Sie zwei Geräte gleichzeitig anschließen, werden sie einzeln aufgelistet .

Wenn keine Hubs vorhanden sind, spricht der Host einfach mit dem neuen Gerät und richtet es ein. Wenn Hubs im System vorhanden sind, meldet der Hub, dass das neue Gerät angeschlossen ist . Wenn ein Hub meldet, dass ein neues Gerät angeschlossen ist, weist der Host den Hub an, das neue Gerät zurückzusetzen und die Kommunikation zu starten. Während des Zurücksetzens erhält der Endpunkt eine Standardadresse von 0 (*). Der Host kann dann unter Verwendung der Standardadresse mit dem Endpunkt kommunizieren und ihn mit einer eindeutigen Nicht-Null-Adresse konfigurieren, die es ihm ermöglicht, zu wissen, wann mit ihm gesprochen wird.

(*) Da immer nur ein Gerät gleichzeitig aufgezählt wird, ist die Adresse 0 immer eindeutig für das neu angeschlossene Gerät.

Sie fragen sich dann vielleicht: "Nun, wie kann ich dann mehrere Geräte gleichzeitig sprechen lassen?". Angenommen, Sie haben eine Maus, eine Tastatur und ein Flash-Laufwerk, die alle an denselben USB-Hub angeschlossen sind. Wir alle wissen, dass Sie Ihre Maus und Tastatur gleichzeitig verwenden und gleichzeitig Dateien auf/von Ihrem Flash-Laufwerk kopieren können, aber wenn nur ein Gerät gleichzeitig sprechen kann, wie kann das möglich sein?

Nun, es läuft alles auf die Tatsache hinaus, dass die paar hundert Millisekunden, die Ihr Gehirn braucht, um zu bemerken, dass Sie eine Taste gedrückt haben und erwarten, dass der Bildschirm aktualisiert wird, für den Computer eine Ewigkeit sind. Eine USB 2.0-Schnittstelle kann mit bis zu 480 Mbit/s laufen (USB 3.1 kann mit bis zu 10 Gbit/s laufen!), was bedeutet, dass der Host, obwohl er immer nur mit einem Endpunkt kommuniziert, so schnell zwischen ihnen wechselt, wie Sie können nicht sagen, es tut es.

USB-Host: „Hey, Maus an Port 1, sagen Sie mir, ob Sie umgezogen sind. Ok, Tastatur an Port 2, haben Sie irgendwelche Tastendrücke zu melden? Jetzt sind Sie da auf Port 3, Flash-Laufwerk, speichern Sie diese Daten für mich. Sonst noch jemand, mit dem ich reden muss? Nein, ok, Maus auf Port 1, sag mir, ob du umgezogen bist …“

Mensch: „Oh schau, der Computer hat bemerkt, dass ich gerade meine Maus bewegt, eine Taste auf meiner Tastatur gedrückt und ein Bild auf den USB-Stick kopiert habe, alles gleichzeitig!“

Das Hostgerät verfolgt, welche Endpunktadressen verwendet werden, und sendet Pakete nacheinander oder nach Bedarf (dh wenn das Betriebssystem Zugriff auf ein bestimmtes Gerät anfordert) an jeden. Obwohl nicht alles gleichzeitig geschieht, ist die Schlichtung so schnell, dass der Computer-Haustiermensch den Unterschied nicht erkennen kann.

Kürzere Antwort: Der Host sendet Daten, die an ein bestimmtes Gerät adressiert sind (das vorläufig "aufgezählt" wurde), eine Transaktion nach der anderen, sequentiell. Der Hub sendet alle Pakete an alle Geräte. Ein Gerät antwortet nur auf Transaktionen, die an es adressiert sind. Das ist alles, was für HS-Geräte gilt.

Bei FS- und LS-Geräten ist der Vorgang etwas komplizierter. Es verwendet "Transaktionsübersetzer", die in jedem Hub für jeden Port eingebaut sind und sogenannte "Split-Transaktionen" in LS- oder FS-Verkehr übersetzen.