USB-Hub - USB hub
Ein USB-Hub ist ein Gerät, das einen einzelnen Universal Serial Bus (USB)-Port auf mehrere erweitert, sodass mehr Ports zum Anschließen von Geräten an ein Hostsystem zur Verfügung stehen, ähnlich wie bei einer Steckdosenleiste . Alle über einen USB-Hub angeschlossenen Geräte teilen sich die Bandbreite, die diesem Hub zur Verfügung steht.
USB-Hubs werden häufig in Geräte wie Computergehäuse , Tastaturen , Monitore oder Drucker eingebaut . Wenn ein solches Gerät über viele USB-Anschlüsse verfügt, stammen diese normalerweise alle von einem oder zwei internen USB-Hubs, anstatt dass jeder Anschluss über eine unabhängige USB-Schaltung verfügt.
Physikalisch getrennte USB-Hubs gibt es in einer Vielzahl von Formfaktoren : von externen Boxen (ähnlich einem Ethernet- oder Netzwerk-Hub ) bis hin zu kleinen Designs, die direkt an einen USB-Port angeschlossen werden können (siehe Bild "Kompaktes Design"). Hubs mit "Kurzkabel" verwenden normalerweise ein integriertes 6-Zoll-Kabel (15 cm), um einen kleinen Hub etwas von der Überlastung der physischen Ports zu entfernen und die Anzahl der verfügbaren Ports zu erhöhen.
Fast alle modernen Laptop-/Notebook- Computer sind mit USB-Anschlüssen ausgestattet, aber ein externer USB-Hub kann mehrere alltägliche Geräte (wie Maus, Tastatur oder Drucker) in einem einzigen Hub zusammenfassen, um das Anschließen und Entfernen aller Geräte in einem Schritt zu ermöglichen.
Einige USB - Hubs kann unterstützen Leistungsabgabe (PD) den Laptop Akku aufzuladen, wenn self-powered und zertifiziert , so zu tun, sondern kann als eine einfache bezeichnet Dockingstation aufgrund der ähnlichen Natur nur um eine Verbindung , die Batterie aufzuladen und Peripheriegeräte anschließen.
Physisches Layout
Ein USB-Netzwerk wird aus USB-Hubs aufgebaut, die stromabwärts mit USB-Ports verbunden sind, die selbst von USB-Hubs stammen können. USB-Hubs können ein USB-Netzwerk auf maximal 127 Ports erweitern. Die USB-Spezifikation verlangt, dass busgespeiste (passive) Hubs nicht mit anderen busgespeisten Hubs in Reihe geschaltet werden.
Je nach Hersteller und Ausführung liegen USB-Anschlüsse oft eng beieinander. Folglich kann das Anschließen eines Geräts an einen Port einen benachbarten Port physisch blockieren, insbesondere wenn der Stecker nicht Teil eines Kabels, sondern integraler Bestandteil eines Geräts wie eines USB-Flash-Laufwerks ist . Eine horizontale Anordnung von horizontalen Buchsen kann leicht herzustellen sein, kann jedoch dazu führen, dass nur zwei von vier Ports verwendbar sind (je nach Steckerbreite).
Port-Arrays, bei denen die Port-Orientierung senkrecht zur Array-Orientierung ist, haben im Allgemeinen weniger Blockierungsprobleme. Externe „Octopus“- oder „Squid“-Hubs (mit jeder Buchse am Ende eines sehr kurzen Kabels, oft etwa 5 cm lang) oder „Stern“-Hubs (mit jedem Anschluss in eine andere Richtung, wie abgebildet ) vermeiden Sie dieses Problem vollständig.
Längenbeschränkungen
USB-Kabel sind für USB 1.1-Geräte mit niedriger Geschwindigkeit auf 3 Meter (10 Fuß) begrenzt. Ein Hub kann als aktiver USB-Repeater verwendet werden, um die Kabellänge auf bis zu 5 Meter (16 Fuß) gleichzeitig zu verlängern. Aktive Kabel (spezielle Ein-Port-Hubs mit eingebetteten Steckern) erfüllen die gleiche Funktion, da sie jedoch ausschließlich über den Bus mit Strom versorgt werden, wären für einige der Segmente wahrscheinlich extern gespeiste USB-Hubs erforderlich.
Leistung
Ein Bus-powered Hub (passiver Hub) ist ein Hub, der seinen gesamten Strom von der USB- Schnittstelle des Host-Computers bezieht . Es benötigt keinen separaten Stromanschluss. Viele Geräte benötigen jedoch mehr Strom, als diese Methode bereitstellen kann, und funktionieren in diesem Hub-Typ nicht. Es kann wünschenswert sein, einen bus-betriebenen Hub mit externen Festplatten mit eigener Stromversorgung zu verwenden, da die Festplatte möglicherweise nicht herunterfährt, wenn der Computer ausgeschaltet wird oder in den Ruhemodus wechselt, während ein Hub mit eigener Stromversorgung verwendet wird, da der Festplatten-Controller würde weiterhin eine Stromquelle an den USB-Anschlüssen sehen.
Der elektrische Strom eines USB wird in Einheiten von 100 mA bis maximal 500 mA pro Port zugewiesen. Daher kann ein konformer, busgespeister Hub nicht mehr als vier Downstream-Ports haben und insgesamt nicht mehr als vier 100-mA-Stromeinheiten für Downstream-Geräte bereitstellen (da der Hub eine Einheit für sich selbst benötigt). Benötigt ein Gerät mehr Strom, als der Port, an dem es eingesteckt ist, liefern kann, meldet das Betriebssystem dies in der Regel dem Benutzer.
Im Gegensatz dazu bezieht ein Self-Powered Hub (Active Hub) seine Energie von einem externen Netzteil und kann somit jeden Port mit voller Leistung (bis 500 mA) versorgen . Viele Hubs können entweder als betreiben Bus mit Strom versorgt oder selbst angetriebenen Hubs.
Es gibt jedoch viele nicht konforme Hubs auf dem Markt, die sich gegenüber dem Host als selbstversorgt melden, obwohl sie tatsächlich über den Bus mit Strom versorgt werden. Ebenso gibt es viele nicht konforme Geräte, die mehr als 100 mA verbrauchen, ohne dies anzukündigen. Diese Hubs und Geräte ermöglichen mehr Flexibilität bei der Stromnutzung (insbesondere verbrauchen viele Geräte weit weniger als 100 mA und viele USB-Anschlüsse können mehr als 500 mA liefern, bevor sie in die Überlastabschaltung gehen), aber sie machen wahrscheinlich Stromprobleme sind schwerer zu diagnostizieren.
Einige Hubs mit eigener Stromversorgung liefern nicht genug Strom, um eine 500-mA- Last an jedem Port zu betreiben . Viele Hubs mit sieben Ports haben beispielsweise eine Stromversorgung von 1 A, obwohl sieben Ports maximal 7 x 0,5 = 3,5 A plus Strom für den Hub selbst aufnehmen könnten. Designer gehen davon aus, dass der Benutzer höchstwahrscheinlich viele Geräte mit geringem Stromverbrauch anschließen wird und nur ein oder zwei volle 500 mA benötigen . Auf der Verpackung einiger Hubs mit eigener Stromversorgung wird hingegen explizit angegeben, wie viele der Ports gleichzeitig eine 500-mA- Volllast ansteuern können. Die Verpackung eines Hubs mit sieben Ports könnte beispielsweise behaupten, maximal vier Volllast-Geräte zu unterstützen.
Dynamisch betriebene Hubs sind Hubs, die sowohl als busbetriebene als auch als selbstbetriebene Hubs arbeiten können. Sie können automatisch zwischen den Modi wechseln, je nachdem, ob eine separate Stromversorgung verfügbar ist oder nicht. Während das Umschalten von busgespeistem auf self-powered-Betrieb nicht unbedingt sofortige Neuverhandlungen mit dem Host erfordert, kann das Umschalten vom self-powered- auf bus-gespeiste Betrieb dazu führen, dass USB-Verbindungen zurückgesetzt werden, wenn angeschlossene Geräte zuvor mehr Energie angefordert haben, als im Bus verfügbar ist. angetriebener Modus.
Geschwindigkeit
Damit Hochgeschwindigkeitsgeräte (USB 2.0) im schnellsten Modus betrieben werden können, müssen alle Hubs zwischen den Geräten und dem Computer mit Hochgeschwindigkeit arbeiten. High-Speed-Geräte sollten auf Full-Speed (USB 1.1) zurückfallen, wenn sie an einen Full-Speed-Hub angeschlossen (oder an einen älteren Full-Speed-Computeranschluss) angeschlossen werden. Während Hochgeschwindigkeits-Hubs mit allen Gerätegeschwindigkeiten kommunizieren können, werden langsamer und voller Datenverkehr kombiniert und durch einen Transaktionsübersetzer vom Hochgeschwindigkeitsverkehr getrennt . Jeder Transaktionsübersetzer trennt Verkehr mit niedrigerer Geschwindigkeit in seinen eigenen Pool, wodurch im Wesentlichen ein virtueller Bus mit voller Geschwindigkeit entsteht. Einige Designs verwenden einen einzigen Transaktionsübersetzer (STT), während andere Designs mehrere Übersetzer (MTT) haben. Mehrere Übersetzer zu haben, ist ein erheblicher Vorteil, wenn man mehrere Geräte mit hoher Bandbreite und voller Geschwindigkeit verbindet.
Es ist eine wichtige Überlegung, dass USB 2.0 in der gängigen Sprache (und oft im Produktmarketing) als Synonym für Hochgeschwindigkeit verwendet wird. Da jedoch die USB 2.0-Spezifikation, mit der High-Speed eingeführt wurde, die USB 1.1-Spezifikation enthält, sodass ein USB 2.0-Gerät nicht mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden muss, kann jedes konforme Full-Speed- oder Low-Speed-Gerät weiterhin als USB 2.0-Gerät. Daher arbeiten nicht alle USB 2.0-Hubs mit hoher Geschwindigkeit.
USB 3.0 ist die dritte Hauptversion des Universal Serial Bus (USB)-Standards für die Verbindung von Computern und elektronischen Geräten. Neben anderen Verbesserungen fügt USB 3.0 die neue Übertragungsrate hinzu, die als SuperSpeed USB (SS) bezeichnet wird und Daten mit bis zu 5 Gbit/s (625 MB/s ) übertragen kann, was etwa 10 Mal schneller ist als der USB 2.0- Standard. Herstellern wird empfohlen, USB 3.0-Anschlüsse von ihren USB 2.0-Gegenstücken zu unterscheiden, indem sie Blau (Pantone 300C) für die Standard-A-Buchsen und -Stecker und durch die Initialen SS verwenden .
USB 3.1 , veröffentlicht im Juli 2013, ist der Nachfolgestandard, der den USB 3.0-Standard ersetzt. USB 3.1 behält die bestehende SuperSpeed- Übertragungsrate bei und gibt ihm das neue Label USB 3.1 Gen 1 , während es einen neuen SuperSpeed + -Übertragungsmodus namens USB 3.1 Gen 2 definiert, der Daten mit bis zu 10 Gbit/s über den bestehenden USB-Typ übertragen kann. A- und USB-C- Anschlüsse (1250 MB/s, doppelt so schnell wie USB 3.0).
USB 3.2 , veröffentlicht im September 2017, ersetzt den USB 3.1-Standard. Es behält die bestehenden USB 3.1 SuperSpeed- und SuperSpeed+ -Datenmodi bei und führt zwei neue SuperSpeed+ -Übertragungsmodi über den USB-C- Anschluss im Zwei-Lane-Betrieb mit Datenraten von 10 und 20 Gbit/s (1250 und 2500 MB/s) ein.
Protokoll
Jeder Hub hat genau einen Upstream-Port und mehrere Downstream-Ports. Der Upstream-Port verbindet den Hub (direkt oder über andere Hubs) mit dem Host. An die Downstream-Ports können andere Hubs oder Geräte angeschlossen werden. Während der normalen Übertragung sind Hubs im Wesentlichen transparent: Daten, die von ihrem Upstream-Port empfangen werden, werden an alle Geräte gesendet, die an ihre Downstream-Ports angeschlossen sind (bildlich beschrieben in der USB 2.0-Spezifikation in Abbildung 11-2, Hub-Signalisierungskonnektivität). Von einem Downstream-Port empfangene Daten werden im Allgemeinen nur an den Upstream-Port weitergeleitet. Auf diese Weise wird das, was vom Host gesendet wird, von allen Hubs und Geräten empfangen, und was von einem Gerät gesendet wird, wird vom Host, aber nicht von den anderen Geräten empfangen (eine Ausnahme ist die Wiederaufnahme der Signalisierung). Das Downstream-Routing wurde in USB 3.0 durch das Hinzufügen von Point-to-Point-Routing geändert: Eine im Paketheader gesendete Routenzeichenfolge ermöglicht es einem USB 3.0-Host, ein Downstream-Paket nur an einen einzelnen Zielport zu senden, wodurch Überlastung und Stromverbrauch verringert werden.
Hubs sind nicht transparent, wenn es um Statusänderungen von Downstream-Ports geht, wie z. B. das Einfügen oder Entfernen von Geräten. Insbesondere wenn ein Downstream-Port eines Hubs den Status ändert, wird diese Änderung in einer Interaktion zwischen dem Host und diesem Hub behandelt; wobei alle Hubs zwischen dem Host und dem "geänderten Hub" als transparent fungieren.
Zu diesem Zweck hat jeder Hub einen einzelnen Interrupt-Endpunkt "1 IN" (Endpunktadresse 1, Hub-zu-Host-Richtung), der verwendet wird, um Änderungen im Status der Downstream-Ports zu signalisieren. Wenn jemand ein Gerät anschließt, erkennt der Hub die Spannung entweder an D+ oder D- und signalisiert dem Host das Einstecken über diesen Interrupt-Endpunkt. Wenn der Host diesen Interrupt-Endpunkt abfragt, erfährt er, dass das neue Gerät vorhanden ist. Es weist dann den Hub (über die Standardsteuerleitung) an, den Port zurückzusetzen, an dem das neue Gerät angeschlossen war. Durch dieses Zurücksetzen nimmt das neue Gerät die Adresse 0 an, und der Host kann dann direkt mit ihm interagieren; Diese Interaktion führt dazu, dass der Host dem Gerät eine neue Adresse (nicht Null) zuweist.
Transaktionsübersetzer
Jeder USB 2.0-Hub, der einen höheren Standard als USB 1.1 (12 Mbit/s) unterstützt, übersetzt mithilfe eines sogenannten Transaktionsübersetzers (TT) zwischen dem niedrigeren Standard und dem höheren Standard . Wenn beispielsweise ein USB 1.1-Gerät an einen Port eines USB 2.0-Hubs angeschlossen ist, erkennt der TT automatisch die USB 1.1-Signale und übersetzt sie im Uplink in USB 2.0. Das Standarddesign ist jedoch, dass alle Geräte mit niedrigerem Standard denselben Transaktionsübersetzer verwenden und somit einen Engpass erzeugen, eine Konfiguration, die als Einzeltransaktionsübersetzer bekannt ist . Folglich wurden Multitransaktionsübersetzer (Multi-TT) geschaffen, die mehr Transaktionsübersetzer bereitstellen, sodass Engpässe vermieden werden. Beachten Sie, dass USB 3.0-Hubs derzeit keine Transaktionsübersetzung in Supergeschwindigkeit für USB 2.0-Geräte durchführen.
Elektronisches Design
Die meisten USB-Hubs verwenden einen oder mehrere integrierte Controller (ICs), von denen mehrere Ausführungen von verschiedenen Herstellern erhältlich sind. Die meisten unterstützen ein Hub-System mit vier Ports, aber auch Hubs mit 16-Port-Hub-Controllern sind in der Industrie erhältlich. Der USB-Bus ermöglicht sieben kaskadierende Reihen von Ports. Der Root-Hub ist die erste Ebene und die letzten Geräte befinden sich auf der siebten Ebene, sodass Hubs im Wert von 5 Ebenen zwischen ihnen liegen. Die maximale Anzahl der Benutzergeräte wird um die Anzahl der Hubs reduziert. Bei 50 angeschlossenen Naben beträgt die maximale Anzahl 127 − 50 = 77.
Inverse Hubs oder Sharing-Hubs (KVM)
Ebenfalls erhältlich sind "Sharing-Hubs", die praktisch das Gegenteil eines USB-Hubs darstellen und es mehreren PCs ermöglichen, (normalerweise) auf ein einziges Peripheriegerät zuzugreifen. Sie können entweder manuell, praktisch eine einfache Umschaltbox, oder automatisch sein und einen Mechanismus enthalten, der erkennt, welcher Computer das Peripheriegerät verwenden möchte, und entsprechend umschaltet. Sie können nicht mehr als einem PC gleichzeitig Zugriff gewähren. Einige Modelle haben jedoch die Möglichkeit, mehrere Peripheriegeräte separat zu steuern (z. B. zwei PCs und vier Peripheriegeräte, die den Zugriff separat zuweisen). Einfachere Schalter neigen dazu, automatisch zu sein, und diese Funktion bringt sie im Allgemeinen auch zu einem höheren Preis. Moderne „ Tastatur-, Video- und Maus “-Switches (KVM) können zudem oft USB-Geräte zwischen mehreren Computern teilen.