USB vs. Firewire

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Fachgebiet:
Busse & Netze
Reihe:
Ergänzungsbroschüren
Grundseminar: USB vs. Firewire
Folgeseminar: ­ Seminarthema: Wichtige Standardschnittstellen auf Kupferleitungsbasis
für PC­ & Mac­Peripheriegeräte
letzte Aktualisierung:
Autor:
Mai 2008
Dipl.­Ing. J. Rudolf
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Inhaltsverzeichnis
1Kurz zur Geschichte.............................................................................................................3
2Architekturen, Funktionsweisen, Vorteile, Nachteile............................................................4
2.1USB...............................................................................................................................4
2.1.1USB 1.0/1.1.............................................................................................................8
2.1.2USB 2.0..................................................................................................................8
2.2Firewire.........................................................................................................................9
2.2.1Firewire_Original..................................................................................................10
2.2.2i.Link.....................................................................................................................10
3Tabellarischer Überblick.....................................................................................................11
Anhang_Quellen............................................................................12
Glossar...........................................................................................13
Bitte beachten Sie, dass diese Seminarunterlage keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Richtigkeit erhebt! Informationsaufnahme, Speicherung und Wiedergabe erfolgen auf eigenes Risiko!
Nichtsdestotrotz habe ich nach bestem Wissen und Gewissen diese Broschüre für meine Kunden und Freunde erstellt, frei zugänglich gemacht und hoffe, ihnen damit geholfen zu haben.
Nuthetal, 2008
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1 Kurz zur Geschichte
Mit Beginn der Rechentechnik kennen wir verschiedenste kupferleitungsbasierte Schnitt­
stellen zwischen den PC's und deren peripheren Geräten. N­ und BNC­Stecker mit Koa­
xialkabeln, Klinkenstecker & ­buchsen mit Mini­Koaxialkabeln, RJ­45 und IVS mit Twisted­
Pair­Leitungen, diverse D­Sub­Varianten, Cen
tro
nics
und Telco mit einfachen Parallel­
drahtleitungen oder ADo8 und TAE mit paarig­leichtverdrillten Telefonleitungen – um nur einige zu nennen. Die zunehmende Zahl von zusätzlichen externen Geräten, die an einen Heimrechner (PC) angeschlossen werden sollten, brachte die Notwendigkeit einer externen Universalschnitt­
stelle mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit. Es gingen u.a. an den Start: –
Apple 1995 mit Firewire (kopiert/implementiert von Sony 1997 mit i.Link) sowie
–
Intel 1996 mit USB. und wurden erfolgreich.
USB
Firewire
Tabelle 1.1: Die Logos im Vergleich
Die Schnittstellen haben viel gemeinsam und sind doch sehr unterschiedlich. Beide wer­
den gebraucht und als Standardschnittstellen für externe Peripheriegeräte benutzt. Nuthetal, 2008
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2 Architekturen, Funktionsweisen, Vorteile, Nachteile
= Beide Schnittstellen haben vieles gemeinsam. So können die Geräte bei laufendem Betrieb an­ bzw. eingesteckt werden. Das Ziehen der Stecker stellt im wesentlichen auch kein Problem dar. Sofern es jedoch Geräte sind, auf die Daten zurückge­
schrieben werden (z.B. externe Festplatten), ist ein ordentliches „Verabschieden“ und „Abmelden“ unbedingt durchzuführen. Abhängig vom Betriebssystem wird dieser Vor­
gang „Aushängen“, „Sicher entfernen“, „Hardware sicher entfernen“ o.ä. genannt.
>< Beide Schnittstellen unterscheiden sich am gravierendsten bei der Gerätezuordnung. Während USB vorrangig für Geräte benutzt wird, die keine 'Eigenständigkeit' haben, verbindet Firewire Geräte, die auch ohne den PC ihre Funktion schon erfüllen. Bsp.: Die Maus 'braucht' den PC, um als Maus wirksam werden zu können >> USB. Die digitale Videokamera dagegen nimmt auf, speichert, zeigt an usw. ­ arbeitet also schon als Videokamera, ohne mit dem PC verbunden worden zu sein >> Firewire. Nun, die Videokamera mit Firewire­Anschluss braucht nicht einmal einen PC – die di­
rekte Verbindung zu einem anderen Firewire­Gerät (z.B. den DVD­Brenner) ist mög­
lich. ... Die Übergänge der Zuordnung zwischen USB und Firewire sind fließend; bspw. gibt es externe Festplatten und digitale Kameras sowohl mit USB­ als auch mit Firewi­
re­Anschlüssen. 2.1 USB
USB – universal serial bus; entwickelt 1996 von Intel;
technische Daten s.a. Punkt „3 Tabellarischer Überblick“;
USB­Anschlüsse sind aktuell an folgenden Geräten zu finden: –
Tastaturen, Mäuse, –
Joysticks, Gameports, –
Drucker, Scanner, –
Digitalkameras, –
Modems, ISDN­Adapter, –
Wechselplatten, CD­ROM, –
Audio­ und MIDI­Geräte, –
Kopierschutz­Adapter, –
Kopfhörer, Headsets u.v.a. Nuthetal, 2008
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Die maximal 127 Einzelgeräte werden in einer Baumstruktur angeschlossen. Abbil­
dung 2.1 zeigt die Architektur – Abbildung 2.2 dazu ein reales Beispiel, wie sie sich umset­
zen kann. Die Verteilung erfolgt durch Hubs. Abbildung 2.1: USB­Architektur
Abbildung 2.2: Umsetzung der USB­Architektur an einem Beispiel
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Standardmäßig werden Steckertypen A und B benutzt – siehe Abbildung 2.3. Steckertyp A dient der Verbindung zum Hub oder PC – Steckertyp B befindet sich mit der zugehörigen Buchse am Endgerät. Da insbesondere die Stecker­A­Typen von außen symmetrisch erscheinen und die Wahrscheinlichkeit des falsch­herum­
Steckens nach Murphey sicher weit über 50% liegt, hier ein Tipp: Das USB­Symbol auf dem Stecker markiert die „Oben“­Seite. Abbildung 2.3: USB­Standard­Stecker und ­Buchsen
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Viele neue mobile Geräte (Handheld, PDA, MP3­Player, Kartenlesegeräte, Kamera ...) bieten physikalisch keinen Platz für die großen Standardstecker, deshalb wurden Mini­
USB­Stecker und ­Buchsen entwickelt und genormt. Abbildung 2.4 zeigt sie im Überblick. Sofern der Hersteller sich an die Norm hält, ist an der Farbe des Innenteils zu erkennen, um welchen Typ es sich handelt: –
Weiß
Mini­A
–
Schwarz Mini­B
–
Grau
Mini­AB
Abbildung 2.4: USB­Mini­Stecker und ­Buchsen
Über die o.g. Stecker/ Buchsen sowie die Kabel – siehe Abbildung 2.5 – wird die Stromversorgung bis 500 mA an 5 V vom Host mitgeliefert. Wenn nun ein PC mit 8 USB­Anschlüssen ausgestattet ist, sollte nicht einfach hochgerechnet werden. Die theoretischen 8 x 0,5 A = 4 A müssen vom Netzteil des Rechners quasi zusätzlich zur Versorgung des Mainboards erbracht wer­
den und sind selten in voller Höhe einge­
plant – der PC sollte ja beim Kauf möglichst billig sein ... Eine Vollauslastung mit USB­
Kaffeemaschinen, USB­Arbeitsplatzbe­
leuchtung, USB­Festplatten usw. kann somit zum Ausfall des Rechners führen. Abhilfe schafft ein USB­Hub. Das kann schon ein zusätzlicher USB­Anschluss am Drucker Abbildung 2.5: USB­Kabelquerschnitt
oder Scanner sein, sofern dieser mit eige­
ner Stromversorgung arbeitet. Nuthetal, 2008
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USB kennt verschiedene Geschwindigkeiten.
2.1.1 USB 1.0/1.1
Mit maximal 1,5 Mbit/s für Lowspeed Peripherals wie Mäuse und Tastaturen oder 12 Mbit/s für so genannte Fullspeed Peripherals wie Drucker und Scanner begann USB. Videoüber­
tragung war damit jedoch nicht möglich. 2.1.2 USB 2.0
Mit bis zu 40facher Geschwindigkeit arbeitet der neuere USB­Standard 2.0. Damit ist Videoübertragung möglich. USB 2.0 ist abwärtskompatibel, d.h. an den USB 2.0­An­
schluss (480 Mbit/s) kann die Maus mit ihrer USB 1.1­Geschwindigkeit (1,5 Mbit/s) pro­
blemlos angeschlossen werden. Die Stecker sind gleich. Nuthetal, 2008
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2.2 Firewire
Firewire – „Feuerdraht“, IEEE 1394; entwickelt 1995 von Apple;
1997 als eigene Marke „i.Link“ von Sony mit Änderungen übernommen;
technische Daten s.a. Punkt „3 Tabellarischer Überblick“;
Typische Firewire­Geräte sind eigenständige Peripheriegeräte jeder Art (meist mit ei­
gener Stromversorgung), die auch untereinander verbunden werden können. Eine Verbin­
dung von PC zu PC über Firewire ist aber ebenso möglich. Die maximal 63 Einzelgeräte werden in einer Peer­to­Peer­Struktur zusammen geschlossen. Abbildung 2.6 zeigt die Architektur – Abbildung 2.7 dazu ein reales Beispiel, wie sie sich um­
setzen kann. Die Verteilung kann zum Erhöhen der Datensicherheit über Repeater, Split
ter
und Bridges erfolgen. Abbildung 2.6: Firewire­Architektur (Peer­to­
Peer)
Abbildung 2.7: Umsetzung der Firewire­Architektur an einem Beispiel
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Abbildung 2.8 zeigt den Aufbau im Kabel. Je zwei verdrillte und abgeschirmte Leitungen sind für Daten und Takt. Zwei weitere Adern dienen der Stromver­
sorgung. Abbildung 2.8: Firewire­Kabelquerschnitt
Firewire kennt verschiedene Steckervarianten. 2.2.1 Firewire_Original
Der Original­Standard IEEE­1394­1995 kennt den 6poligen Stecker – siehe Abbildung 2.9. Es wird hierbei die Stromversorgung bis 1,5 A an 8 ... 40 V mitgeliefert.
Abbildung 2.9: Firewire­Stecker 6polig
2.2.2 i.Link
Die Sony­Variante des Firewire hat nur einen 4poligen Stecker und liefert keine Stromversorgung mit – siehe Abbildung 2.10.
Die „Oben“­Seite ist bei diesen kleinen Steckern an dem Pfeil zu erkennen. Die herausstehende metal­
lene Abschirmung hat oben die Eindellung. Abbildung 2.10: Firewire­Stecker 4polig (i.Link)
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3 Tabellarischer Überblick
Firewire
IEEE 1394
i.Link
aktuelle max. Daten­
übertragungsraten [Mbit/s]
° 100
° 200
° 400 (IEEE1394a)
USB 2.0
° 1,5 (USB 1.1)
° 12 (USB 1.1)
° 480 (USB 2.0)
Parallele Schnitt­
stellen
Ethernet
° 4 ° 10
° 8,8 (ECP) ° 100 (Fast)
° 10 (EPP) ° 1000
geplante Datenüber­ ° 800 (IEEE1394b)
­ keine Angaben ­
tragungsraten [Mbit/s] ° ~ 3000 (theoretisch)
vernetzbare Geräte
63
127
max. Tiefe der Staffelung [Ebenen]
63, da Daisy­Chain­ 5
Kette
Plug & Play
ja
ja
Hot Plugging
ja
ja
Bus­Power
ja
ja
Busterminierung
nein
nein
Bustyp
seriell
seriell
Kabeltyp
TP (6 Adern: 2 x Power, TP (4 Adern: 2 x 2 x verdrilltes Adernpaar Power, 1 x verdrilltes für Daten)
Adernpaar für Daten)
max. Kabellänge zw. 4,5 m
2 Geräten
5 m
max. Gesamtkabel­
72 m bei 16 Geräten 25 m bei Einsatz länge bis zum letzten in einer Daisy­
von Hubs oder 'ak­
Gerät
Chain­Kette tiven' Kabeln
(sonst bis 100 m)
Stromversorgung
8 .. 40 V; 1,5 A
5 V; 0,5 A
Architektur
Peer­to­Peer
zentraler Host
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Anhang_Quellen
Nomenklatur
Titel
[1] de – Der Elektro­ und Gebäudetechniker USB­ und Firewire­Schnittstelle (1)
:8/2008
[2] de – Der Elektro­ und Gebäudetechniker USB­ und Firewire­Schnittstelle (2)
:9/2008
[3] Begriffslexikon Busse & Netze
:Mai 2008
Jörg Rudolf – bmc
Grundlagen der Datenübertragungstechnik;
Netzanalyse / Netzqualitätsanalyse
[4] http://de.wikipedia.org/wiki/firewire
Firewire
[5] http://de.wikipedia.org/wiki/usb
USB
Tabelle 3.1: Übersicht der Literaturquellen, auf die in diesem Bericht Bezug genommen wird
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Glossar
verwendete Abkürzungen und Begriffe
ADo8
früherer Terminalanschluss mit 8x8 Kodiermöglichkeiten jeweils A ... H
BNC
bayonet navy connector bzw. bayonet neill concelman; kleiner als der N­
Stecker des „Yellow Cables“; wird nicht geschraubt, nur gedreht und rastet mit Federdruck
Bridge
„Brücke“; wird zur Segmentierung mit gleichzeitiger Lasttrennung verwen­
det; Sie leitet nur Datenpakete über die Segment­/Teilnetz­Grenze weiter, die für Empfänger in den anderen Segmenten/Teilnetzen bestimmt sind.
Bus­
Vergabe einer Adresse in einem Bussystem an ein daran angeschlossenes terminierung Gerät (Steckkarte, Maus, Lichtschalter, Mikrofon ...)
Centronics
Drucker­Schnittstelle; bisheriger Stecker am Drucker
D­Sub...
Subminiatur­Stecker/Trapezsteckverbinder mit der Stiftzahl 9, 15, oder 25 für serielle und parallele Schnittstellen sowie den VGA­Ausgang (Bild­
schirm), den Game­Port und die AUI­Schnittstelle in Ethernet­Netzen
Daisy­Chain
Verkettung von Geräten in Reihe; eine typische Anwendung aus den Anfängen der Rechnentechnik war/ist SCSI
ECP
extended capabilities port; Modus der parallelen Schnittstelle eines Com­
puters; ECP wurde von Hewlett Packard und Microsoft entwickelt, um die Kommunikation mit Druckern und Scannern zu verbessern.
EPP
enhanced parallel port; Modus der parallelen Schnittstelle eines Compu­
ters; Die Spezifikationen stammen von Intel, Xircom und Zenith Data Systems. EPP verwendet man vor allem für Netzwerkadapter, externe Datenträger und zum Anschluss von Druckern.
Ethernet
Spezifikation für ein LAN, die in den 70er Jahren gemeinsam von den Fir­
men Xerox, Intel und DEC entwickelt wurde; arbeitet nach CSMA/CA­ bzw. CSMA/CD­Verfahren (Kollisionsverfahren, daher der Name „Ethernet“ = „Äther­Netz“); Ethernet wurde im Jahre 1983 genormt: IEEE 802.3
Firewire
„Feuerdraht“; Schnittstelle zum Anschluss von 'intelligenten', teilweise auch eigenständig arbeitenden Peripheriegeräten (Kamera, Kühlschrank, DVD­
Recorder, Festplatte, PC, Soundsystem) an den Host (PC) bzw. zum Ver­
binden untereinander ohne PC
Host
gegenüberliegender, zugehöriger Rechner
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Hot Plugging Die Einbindung des an­/ein­zusteckenden Gerätes in das Rechnersystem passiert bei laufendem Betrieb. Hub
"Nabe", „Radnabe“, "Mittelpunkt"; Verbindungspunkt zwischen datenaus­
tauschenden Rechnern; auch genannt: Sternkoppler bzw. Konzentrator
IEEE
institute for electric and electronic engineers (New York) ­ sprich: "Ei Triple­
I"; Normierungsgremium u.a. für Netzwerkstandards, z.B. IEEE 802.11 für Wireless LAN oder IEEE 802.3 für Ethernet Interface
Schnittstelle; besteht meist aus Hardware und zugehörigem Protokoll
Peer­to­Peer direkte Zusammenschaltung zweier Gleichrangiger
Plug & Play
i.S.v.: (an­/ein­)stecken und benutzen
Protokoll
Gesamtheit der Anweisungen und Regeln mit Bezug auf die Hardware zum Schreiben der passenden Software, um einen Vorgang definiert ablaufen zu lassen
Repeater
„Wiederholer“; stellt die Signalform wieder her und verstärkt dabei das Signal
RJ­45
Standard­Stecker für Twisted­Pair­Verkabelung, z.B. im derzeit üblichen LAN (Fast Ethernet); 8polig, meist ohne Schirm, daher dann nur bis 20 MHz nutzbar
SCSI
small computer system interface [ˈskʌzi]; standardisierte parallele Schnitt­
stelle für die Verbindung und Datenübertragung zwischen Peripheriegerä­
ten und dem Computer­Bus. Im Vergleich zu ATA/ATAPI ist ein wesentli­
ches Merkmal von SCSI die Möglichkeit, mehr als zwei Geräte anschließen zu können, z.B. 7 oder 15. Ein Abschlusswiderstand ist erforderlich. Splitter
„Verzweiger“, Schnittstellenvervielfacher; arbeitet wie ein kleiner Ringlei­
tungsverteiler
TAE
Telekommunikations­Anschluss­Einheit; Steckdose zum Anschluss von Endgeräten (Analogtelefon, ISDN­Anlage, DSL­Modem/Router) an das Te­
lekommunikationsnetz­Netz; typische Variante in Wohnungen: TAE6­NFN
Telco
Zwischenadapter für aktive Netzwerkkomponenten zum Verteiler, z.B. mit RJ­45
TP
siehe: Twisted­Pair Twisted­Pair
verdrillte Kupferkabel­Paar(e); Zweidrahtleitung in 4 verschiedenen Schir­
mungsvarianten; Grundlage für viele Netzwerke wie Ethernet, Firewire, Nuthetal, 2008
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USB
USB
universal serial bus; Schnittstelle zum Anschluss von Peripheriegeräten, z.B. Maus, Tastatur, Scanner, an einen Host (PC)
Tabelle 3.2: Abkürzungs­ und Begriffsverzeichnis
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