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USB-Hub


Postzeit: 01.09.2021

Ein USB-Hub ist ein Gerät, das einen einzelnen USB-Port (Universal Serial Bus) in mehrere erweitert, sodass mehr Ports verfügbar sind, um Geräte mit einem Hostsystem zu verbinden, ähnlich wie bei einer Steckdosenleiste.Alle über einen USB-Hub verbundenen Geräte teilen sich die für diesen Hub verfügbare Bandbreite.

USB-Hubs werden häufig in Geräte wie Computergehäuse, Tastaturen, Monitore oder Drucker eingebaut.Wenn ein solches Gerät viele USB-Ports hat, stammen sie normalerweise alle von einem oder zwei internen USB-Hubs, anstatt dass jeder Port unabhängige USB-Schaltkreise hat.

Physisch getrennte USB-Hubs gibt es in einer Vielzahl von Formfaktoren: von externen Boxen (die einem Ethernet- oder Netzwerk-Hub ähneln) bis hin zu kleinen Designs, die direkt an einen USB-Anschluss angeschlossen werden können (siehe Bild „Kompaktes Design“).Hubs mit „kurzen Kabeln“ verwenden normalerweise ein integriertes 15-cm-Kabel (6 Zoll), um einen kleinen Hub etwas von der Überlastung physischer Ports zu entfernen und die Anzahl verfügbarer 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 konsolidieren, um das Anschließen und Entfernen aller Geräte in einem Schritt zu ermöglichen.

Einige USB-Hubs unterstützen möglicherweise Power Delivery (PD) zum Laden des Laptop-Akkus, wenn sie mit eigener Stromversorgung betrieben werden und dafür zertifiziert sind, können aber aufgrund der ähnlichen Natur, dass nur eine Verbindung zum Laden des Akkus benötigt wird, als einfache Dockingstation bezeichnet werden und Peripheriegeräte anschließen.

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Physisches Layout

Ein USB-Netzwerk wird aus USB-Hubs aufgebaut, die nachgeschaltet mit USB-Anschlüssen verbunden sind, die selbst von USB-Hubs stammen können.USB-Hubs können ein USB-Netzwerk auf maximal 127 Ports erweitern.Die USB-Spezifikation erfordert, dass busgespeiste (passive) Hubs nicht mit anderen busgespeisten Hubs in Reihe geschaltet werden.

Je nach Hersteller und Design sind USB-Anschlüsse oft eng beieinander.Folglich kann das Einstecken eines Geräts in 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 horizontaler Buchsen kann leicht herzustellen sein, kann jedoch dazu führen, dass nur zwei von vier Ports verwendbar sind (abhängig von der Steckerbreite).

Port-Arrays, bei denen die Port-Orientierung senkrecht zur Array-Orientierung ist, weisen im Allgemeinen weniger Blockierungsprobleme auf.Externe "Octopus"- oder "Squid"-Hubs (mit jeder Buchse am Ende eines sehr kurzen Kabels, oft etwa 5 cm lang) oder "Stern"-Hubs (wobei jeder Port in eine andere Richtung zeigt, wie abgebildet ) vermeiden Sie dieses Problem vollständig.

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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 jeweils bis zu 5 Meter (16 Fuß) Länge zu verlängern.Aktive Kabel (spezielle Stecker-eingebettete Ein-Port-Hubs) erfüllen die gleiche Funktion, da sie jedoch ausschließlich über den Bus mit Strom versorgt werden, wären wahrscheinlich extern mit Strom versorgte USB-Hubs für einige der Segmente erforderlich.

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Leistung

EINbusbetriebener Hub (passiver Hub)ist ein Hub, der seine gesamte Energie aus 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 dieser Art von Hub nicht.Es kann wünschenswert sein, einen busbetriebenen Hub mit selbstversorgten externen Festplatten zu verwenden, da die Festplatte möglicherweise nicht herunterfährt, wenn der Computer ausgeschaltet wird oder in den Ruhemodus wechselt, während ein selbstversorgter Hub seit dem Festplattencontroller verwendet wird würde weiterhin eine Stromquelle an den USB-Anschlüssen sehen.

Der elektrische Strom eines USB wird in Einheiten von 100 mA bis zu einem maximalen Gesamtwert von 500 mA pro Port zugewiesen.Daher kann ein konformer busbetriebener 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 Stromeinheiten, als der angeschlossene Anschluss liefern kann, meldet das Betriebssystem dies in der Regel dem Benutzer.
Im Gegensatz dazu ist AHub mit eigener Stromversorgung (aktiver Hub)bezieht seine Energie aus einem externen Netzteil und kann somit jeden Port mit voller Leistung (bis zu 500 mA) versorgen.Viele Hubs können entweder als busbetriebene oder selbstversorgte Hubs betrieben werden.
Es gibt jedoch viele nicht konforme Hubs auf dem Markt, die sich gegenüber dem Host als selbstversorgt ausgeben, 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 zwar 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 werden es wahrscheinlich schaffen Stromprobleme schwerer zu diagnostizieren.

Einige Hubs mit eigener Stromversorgung liefern nicht genug Strom, um eine 500-mA-Last an jedem Port zu treiben.Beispielsweise haben viele Hubs mit sieben Ports eine Stromversorgung von 1 A, obwohl sieben Ports tatsächlich maximal 7 x 0,5 = 3,5 A ziehen könnten, plus Strom für den Hub selbst.Designer gehen davon aus, dass der Benutzer höchstwahrscheinlich viele Geräte mit geringem Stromverbrauch anschließen wird und nur ein oder zwei volle 500 mA benötigen.Andererseits steht auf der Verpackung mancher Hubs mit eigener Stromversorgung explizit, wie viele der Ports gleichzeitig eine 500-mA-Volllast treiben können.Beispielsweise könnte die Verpackung eines Hubs mit sieben Ports behaupten, maximal vier Volllastgeräte zu unterstützen.
Naben mit dynamischer Stromversorgungsind Hubs, die sowohl als Bus-powered als auch als self-powered Hubs arbeiten können.Sie können automatisch zwischen den Modi wechseln, je nachdem, ob eine separate Stromversorgung verfügbar ist oder nicht.Während das Umschalten vom Bus- zum Bus-betriebenen Betrieb nicht unbedingt sofortige Neuverhandlungen mit dem Host erfordert, kann das Umschalten vom Bus- zum Bus-betriebenen Betrieb dazu führen, dass USB-Verbindungen zurückgesetzt werden, wenn angeschlossene Geräte zuvor mehr Strom angefordert haben, als im Bus verfügbar ist. angetriebener Modus.

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Geschwindigkeit

Damit Hochgeschwindigkeitsgeräte (USB 2.0) im schnellsten Modus betrieben werden können, müssen alle Hubs zwischen den Geräten und dem Computer Hochgeschwindigkeits-Hubs sein.High-Speed-Geräte sollten auf Full-Speed ​​(USB 1.1) zurückgreifen, wenn sie an einen Full-Speed-Hub angeschlossen sind (oder an einen älteren Full-Speed-Computerport angeschlossen sind).Während Hochgeschwindigkeits-Hubs mit allen Gerätegeschwindigkeiten kommunizieren können, wird der Verkehr mit niedriger und voller Geschwindigkeit kombiniert und durch einen Transaktionsumsetzer vom Hochgeschwindigkeitsverkehr getrennt.Jeder Transaktionsübersetzer trennt den Verkehr mit niedrigerer Geschwindigkeit in seinen eigenen Pool, wodurch im Wesentlichen ein virtueller Bus mit voller Geschwindigkeit erstellt wird.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 Full-Speed-Geräte mit hoher Bandbreite verbindet.

Es ist eine wichtige Überlegung, dass USB 2.0 in der Umgangssprache (und häufig im Produktmarketing) als Synonym für Hochgeschwindigkeit verwendet wird.Da jedoch die USB 2.0-Spezifikation, die High-Speed ​​einführte, 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 gekennzeichnet werden USB 2.0-Gerät.Daher arbeiten nicht alle USB 2.0-Hubs mit hoher Geschwindigkeit.

USB 3.0ist 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 ​​bezeichnet wirdUSB (SS), das Daten mit bis zu 5 Gbit/s (625 MB/s) übertragen kann, was etwa 10-mal schneller ist als der USB 2.0-Standard.Es wird empfohlen, dass Hersteller USB 3.0-Anschlüsse von ihren USB 2.0-Pendants unterscheiden, indem sie Blau (Pantone 300C) für die Standard-A-Buchsen und -Stecker[4] und 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 vorhandene SuperSpeed-Übertragungsrate bei und gibt ihm die neue Bezeichnung 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 vorhandenen 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 mit zweispurigem Betrieb mit Datenraten von 10 und 20 Gbit/s (1250 und 2500 MB/s) ein.

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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).Daten, die von einem Downstream-Port empfangen werden, 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 empfangen, aber nicht von den anderen Geräten (eine Ausnahme ist die Fortsetzungssignalisierung).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 einzigen 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 seinen 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 Spannung entweder an D+ oder D- und signalisiert dem Host über diesen Interrupt-Endpunkt das Einstecken.Wenn der Host diesen Interrupt-Endpunkt abfragt, erfährt er, dass das neue Gerät vorhanden ist.Anschließend weist es den Hub (über die Standard-Steuerleitung) 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.

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Transaktionsübersetzer

Jeder USB 2.0-Hub, der einen höheren Standard als USB 1.1 (12 Mbit/s) unterstützt, übersetzt mithilfe eines sogenannten Transaktionsumsetzers (TT) zwischen dem niedrigeren Standard und dem höheren Standard.Wenn beispielsweise ein USB 1.1-Gerät an einen Anschluss an einem USB 2.0-Hub angeschlossen ist, erkennt der TT die USB 1.1-Signale automatisch und übersetzt sie auf dem Uplink in USB 2.0.Das Standarddesign sieht jedoch vor, dass alle Geräte mit niedrigerem Standard denselben Transaktionsumsetzer gemeinsam nutzen und somit einen Engpass erzeugen, eine Konfiguration, die als Einzeltransaktionsumsetzer 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 Transaktionsumsetzung in Super-Speed ​​für USB 2.0-Geräte durchführen.

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Elektronisches Design

Die meisten USB-Hubs verwenden einen oder mehrere integrierte Controller (ICs), von denen mehrere Designs von verschiedenen Herstellern erhältlich sind.Die meisten unterstützen ein Vier-Port-Hub-System, aber auch Hubs mit 16-Port-Hub-Controllern sind in der Industrie erhältlich.Der USB-Bus ermöglicht sieben kaskadierende Portebenen.Der Root-Hub ist die erste Ebene, und die letzten Geräte befinden sich auf der siebten Ebene, sodass sich Hubs im Wert von 5 Ebenen dazwischen befinden.Die maximale Anzahl der Endgeräte reduziert sich um die Anzahl der Hubs.Bei 50 angeschlossenen Hubs beträgt die maximale Anzahl 127 − 50 = 77.

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Inverse oder Sharing-Hubs (KVM)

Ebenfalls erhältlich sind "Sharing-Hubs", die praktisch das Gegenteil eines USB-Hubs sind und es mehreren PCs ermöglichen, (normalerweise) auf ein einzelnes Peripheriegerät zuzugreifen.Sie können entweder manuell, praktisch eine einfache Schaltbox, 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 Fähigkeit, mehrere Peripheriegeräte separat zu steuern (z. B. zwei PCs und vier Peripheriegeräte, wobei der Zugriff separat zugewiesen wird).Einfachere Schalter sind in der Regel automatisch, und diese Funktion bringt sie im Allgemeinen auch zu einem höheren Preis.Moderne "Tastatur-, Video- und Maus"-Switches (KVM) können USB-Geräte häufig auch zwischen mehreren Computern teilen.


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