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Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, umfassend einen Host und ein Gerät und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kommunikationssystems.
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Ein Universal Serial Bus (USB) Kommunikationssystem umfasst einen Host und ein Gerät, welche über vier parallele Leiter, die die Versorgungsspannung VCC, die Masse GND und die Datenleitungssignale D+ und D– führen, verbunden sind. Es gibt keine eigene Leitung für ein Taktsignal. Statt dessen wird ein „non-return to zero invert” (NRZI) benutzt, um den Datenleitungen D+ und D– ein Taktsignal aufzukodieren. Um das Taktsignal zu dekodieren, benötigt das USB-Gerät einen genauen Quarzkristalloszillator. Allerdings müssen die Oszillatoren kalibriert werden, wodurch sich die Testzeit für das USB-Gerät verlängert. Des Weiteren stellt der Einsatz von derartigen Oszillatoren bei USB-Geräten, die nur eine kleine verfügbare Fläche haben, wie z. B. einer Smartcard oder einer Integrated Circuit Card, eine Herausforderung dar. In USB-Geräten, in welchen ein Oszillator aufgrund von Platzbeschränkungen nicht implementiert werden kann, werden Taktrückgewinnungsschaltungen benutzt, um das Taktsignal aus den übertragenen Daten abzuleiten. Allerdings werden zum Erzeugen der erforderlichen sehr genauen Taktsignale aus dem USB-Datenstrom komplexe Schaltungen mit analogen Teilen und digitalen Teilen, die digital signal processing(DSP)-Fähigkeiten aufweisen, benötigt. Des Weiteren haben derartige Taktrückgewinnungsschaltungen eine hohe Leistungsaufnahme, was insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen, wie z. B. einer USB-Subscriber Identity Module(SIM)-Karte eine Herausforderung darstellt.
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In
US 6,557,754 B2 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Dual-Modus Karte und eines entsprechenden Lesegeräts beschrieben.
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In
US 2002/0103944 A1 wird eine Anordnung mit einem Mikroprozessor zur Verwendung in einer Chipkarte beschrieben, wobei die Chipkarte mehrere Schnittstellen unterschiedlichen Typs aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Taktsignal für das USB-Gerät zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kommunikationssystem, welches einen Host mit einem Oszillator und einem Gerät mit einem USB-Funktionskern umfasst. Der Oszillator im Host ist mit dem USB-Funktionskern im Gerät gekoppelt, wobei der Host und das Gerät das gleiche Taktsignal benutzen, so dass sie synchron arbeiten. Das Gerät benutzt den Oszillator im Host und braucht daher keinen eigenen Oszillator oder eine Taktrückgewinnungsschaltung.
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In einer Weiterbildung umfasst der Host eine USB-Kommunikationseinheit, welche an den Oszillator gekoppelt ist. Das Gerät umfasst einen USB-Transceiver. Die Host USB-Kommunikationseinheit ist über eine Gruppe von Kontakten mit dem Geräte USB-Transceiver verbunden. Der Host und das Gerät benutzen das gleiche Taktsignal des Oszillators, sodass sie sie synchron arbeiten. Auf diese Weise werden asynchrone Schnittstellen vermieden, die entstehen, wenn ein gesonderter Oszillator oder eine Taktsignalrückgewinnungsschaltung in dem Gerät benutzt werden und die zu einer größeren elektromagnetischen Beeinflussung (EMI) führen. Eine komplexe Schaltung zum Überwinden der Asynchronizität ist nicht erforderlich.
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In einer Weiterbildung entspricht die Gruppe der Kontakte dem ISO-7816-3-Standard. Dieser Standard wird häufig in Integrated Circuit Cards (ICC) oder Smartcards benutzt.
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In einer Weiterbildung ist der Oszillator durch die Taktkontaktfläche (CLK) der ISO-7816-3-Kontakte gekoppelt. Gemäß dem ISO-7816-3-Standard wird einer der acht zur Verfügung stehenden Kontakte zum Übertragen eines Taktsignals benutzt, welcher in dem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, um ein Taktsignal für die USB-Kommunikation zwischen dem Host und dem Gerät zu übertragen.
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In einer Weiterbildung umfasst das Gerät eine Taktrückgewinnungseinheit, welche mit dem USB-Transceiver verbunden ist. Die Taktrückgewinnungseinheit ist in dem Gerät vorgesehen, damit das Gerät auch mit Hosts kommunizieren kann, welche kein gemeinsames Taktsignal für die USB-Datenkommunikation zur Verfügung stellen.
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In einer Weiterbildung umfasst das Gerät eine Taktauswahleinheit, welche mit dem Oszillator, der Taktrückgewinnungseinheit und dem USB-Funktionskern verbunden ist. Die Taktauswhleinheit dient dazu, entweder ein Taktsignal des Oszillators oder der Taktrückgewinnungseinheit auszuwählen. Das Taktsignal wird dann weiter an den USB-Funktionskern geleitet.
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In einer Weiterbildung umfasst der Host eine mit der Gruppe von Kontakten verbundene ISO-7816-Kommunikationseinheit. Die ISO-7816-Kommunikationseinheit ist vorgesehen, damit der Host mit Geräten kommunizieren kann, die nur den ISO-7816-Standard, nicht aber eine USB-Kommunikation unterstützen.
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In einer Weiterbildung stellt der Oszillator ein USB-Taktsignal und ein ISO-7816-Taktsignal zur Verfügung. Der Oszillator stellt Taktsignale für den Betrieb sowohl im USB-Modus als auch im ISO-Modus zur Verfügung.
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In einer Weiterbildung weist der Host eine Steuereinheit zum Bedienen der USB-Kommunikationseinheit, der ISO-7816-Kommunikationseinheit in dem Host und des Oszillators auf. Die Steuereinheit wählt zwischen dem USB-Modus und dem ISO-Modus der Kommunikation und stellt den Oszillator ein, um das richtige Taktsignal auszugeben.
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In einer Weiterbildung umfasst das Gerät eine mit der Gruppe von Kontakten verbundene ISO-7816-Kommunikationseinheit. Die ISO-7816-Kommunikationseinheit in dem Gerät ist vorgesehen, um das Gerät mit einem ISO-Kommunikationsmodus auszurüsten, falls der Host einen USB-Kommunikationsmodus nicht unterstützt.
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In einer Weiterbildung ist der Host ein Mobiltelefon.
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In der Weiterbildung ist das Gerät eine Subscriber Identity Module(SIM)-Karte, eine Universal Integrated Circuit Card (UICC) oder ein Removable User Identity Module (RUIM).
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In einer Weiterbildung ist die Frequenz des durch den Oszillator bereitgestellten USB-Taktsignals 12 MHz. Nachdem das Gerät mit der gleichen Frequenz wie der Host versorgt wird, ist kein Oversampling notwendig, um ein genaues Taktsignal in der Taktrückgewinnungseinheit zu erhalten. Die für den USB-Funktionskern übliche Frequenz von 48 MHz kann zur Reduzierung der Leistungsaufnahme des Gerätes um den Faktor 4 reduziert werden.
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In einer Weiterbildung ist der Oszillator drahtlos an den USB-Funktionskern gekoppelt. Dies ist von Vorteil, falls zum Übertragen der für eine Standard-USB-Kommunikation notwendigen Signale Wireless-USB benutzt wird.
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Die Erfindung sieht weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems nach Anspruch 1 vor und umfasst die Schritte: Anlegen von Signalen, die für eine USB-Gerätedetektion notwendig sind durch den Host, Warten des Hosts, dass sich das Gerät als USB-Gerät anhängt, und Anlegen eines USB-Taktsignals durch den Oszillator, falls das Gerät als USB-Gerät angehängt ist. Falls ein USB-Gerät detektiert und an den Host angehängt wurde, wird das Gerät mit einem USB-Taktsignal versorgt, so dass das Gerät keinen eigenen Oszillator oder eine Taktrückgewinnungseinheit benötigt.
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In einer Weiterbildung werden die für eine USB-Gerätedetektion notwendigen Signale an die Gruppe der den Host und das Gerät verbindenden Kontakte angelegt und das USB-Taktsignal an die Taktkontaktfläche angelegt, falls das Gerät als ein USB-Gerät angehängt ist. Auf diese Weise wird eine synchrone Operation zwischen dem Host und dem Gerät erreicht.
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In einer Weiterbildung werden Signale, die, für eine ISO-7618-Hochfahrsequenz notwendig sind, an die Gruppe von Kontakten durch die Steuereinheit angelegt, falls das Gerät sich nicht als USB-Gerät anhängt. Das Kommunikationssystem benutzt für die Kommunikation den ISO-7618-Standard, falls ein USB-Kommunikationsmodus von dem Gerät nicht unterstützt wird.
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In einer Weiterbildung erzeugt die Taktrückgewinnungseinheit ein USB-Taktsignal für den USB-Funktionskern, falls das Gerät kein USB-Taktsignal an der Taktkontaktfläche empfängt.
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In einer Weiterbildung schaltet der Host den Oszillator aus, falls das Gerät in einem Ruhezustand ist. Das Abschaltendes Oszillators reduziert die Leistungsaufnahme des Kommunikationssystems in einem Ruhe- oder einem Stromsparmodus. Da die Kommunikation immer durch den Host initiiert wird, kann der Host den Takt vor der Kommunikation anschalten. Die Stromeinsparung ist insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen von Interesse.
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Die Erfindung wird nachfolgend detailliert mit Hilfe von Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren erklärt.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kommunikationssystems,
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2 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel und
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm beim Betreiben eines Ausführungsbeispiels des Kommunikationssystems.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kommunikationssystems, welches einen Host 1 und ein Gerät 2 umfasst. Der Host 1 ist mit dem Gerät 2 über eine Gruppe von Kontakten 5 verbunden. Die Kontakte C1 und C5 übertragen die Versorgungsspannung VCC bzw. das Massepotenzial GND, während die Kontakte C4 und C8 die Signale der Datenleitungen D+ und D–, so wie sie in der USB-Spezifikation vorgeschrieben sind, übertragen. Im Host 1 sind die Kontakte mit der USB-Kommunikationseinheit 6 verbunden, während die Kontakte im Gerät 2 mit einem USB-Transceiver 7 verbunden sind. Der USB-Transceiver 7 ist mit einem USB-Funktionskern 4 verbunden, welcher zum Dekodieren von empfangenen Daten und zum Kodieren von zu übertragenden Daten dient. Ein Puffer 8 speichert dekodierte Daten aus dem USB-Funktionskern 4 und ist mit einer Busschnittstelle 9 verbunden. Um Anweisungen zu empfangen, ist der USB-Funktionskern 4 ebenfalls mit der Busschnittstelle 9 verbunden. In dem Gerät 2 sind ein CPU-Oszillator 10 und eine CPU 11 vorgesehen, mit denen Daten, die von dem USB-Transceiver 7 empfangen wurden, weiterverarbeitet werden können.
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Ein Oszillator 3 in dem Host 1 ist mit der USB-Kommunikationseinheit 6 im Host 1 verbunden. Weiter ist der Oszillator 3 durch den Kontakt C3 mit dem Gerät 2 verbunden und versorgt den USB-Funktionskern 4 mit einem USB-Taktsignal. Das Gerät 2 braucht daher keinen eigenen Oszillator oder eine Taktrückgewinnungsschaltung zum Dekodieren eines Taktsignals aus den Datenleitungssignalen D+ und D–. Stattdessen benutzt das Gerät 2 für die USB-Datenkommunikation den gleichen Oszillator 3 wie der Host 1. Demzufolge ist das Gerät 2 klein genug, um in eine Smartcard oder eine Integrated Circuit Card integriert zu werden und bedarf keiner Kalibrierung eines Oszillators, um auf die Frequenz des Oszillators im Host 1 abgestimmt zu werden. Da keine Taktrückgewinnungseinheit vorhanden ist, ist es aufgrund der geringeren Anzahl von Teilen und der kleineren Chipgröße billiger und verbraucht weniger Strom. Zusätzlich führt die Benutzung des gleichen Oszillators 3 in dem Host 1 und dem Gerät 2 zu einer synchronen Operation, wodurch sich der Konstruktionsaufwand für die Kompensation einen asynchroner Operation reduziert und die elektromagnetische Beeinflussung verringert wird.
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Beispielshafterweise kann der Host 1 ein Mobiltelefon sein und das Gerät 2 ein Subscriber Identity Module (SIM), eine Universal Integrated Circuit Card (UICC) oder ein Removable User Identity Module (RUIN) sein, welche in der mobilen Kommunikation von GSM-, UMTS- oder CDMA-Systemen benutzt werden. Zum Verbinden mit dem Mobiltelefon benutzen diese Karten Kontakte, die dem ISO-7816-3-Standard entsprechen. Die CPU 11 stellt dem Mobiltelefon normalerweise Funktionen, wie z. B. die Authentifizierung des Subscribers, zur Verfügung. Selbstverständlich sind der Host 1 und das Gerät 2 nicht auf mobile Kommunikationskarten mit USB beschränkt, sondern können beliebige USB-Hosts und beliebige USB-Geräte sein, wobei das Taktsignal für das Gerät 2 durch den Host 1 getrennt bereitgestellt wird. Ein Beispiel wäre die Kopplung von Standard-USB-Signalen und des USB-Takts zwischen dem Host 1 und dem Gerät 2 durch drahtlose Mittel, wie sie z. B. im Wireless-USB eingesetzt werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kommunikationssystems, welches dem in 1 gezeigten ähnlich ist. Host 1 umfasst zusätzlich eine ISO-7816-Kommunikationseinheit 14 und eine Steuereinheit 15, welche mit der USB-Kommunikationseinheit 6, mit der ISO-7816-Kommunikationseinheit 14 und dem Oszillator 3 verbunden ist. Der Oszillator 3 kann ein USB-Taktsignal f1 und ein ISO-7816-Taktsignal f2 ausgeben, wobei die Ausgabe durch die Steuereinheit 15 ausgewählt wird. Das USB-Taktsignal f1 kann 12 MHz oder 48 MHz sein, während das ISO-7816-Taktsignal f2 eine Frequenz von 1 bis 10 MHz für Smartcards oder Chipkarten und eine Frequenz von 10 kHz bis 100 kHz für synchrone Speicherkarten haben kann. Das Gerät 2 umfasst zusätzlich eine ISO-7816-Kommunikationseinheit 16, eine Taktrückgewinnungseinheit 12 und eine Taktauswahleinheit 13. Die ISO-7816-Kommunikationseinheit 16 ist mit der Busschnittstelle 9 verbunden, um auch eine Kommunikation mit der CPU 11 zu ermöglichen. Die die Kontakte C1, C4, C5 und C8 repräsentierenden Linien sind so gezeigt, dass sie die ISO-7816-Kommunikationseinheiten 14 und 16 durchqueren, um anzuzeigen, dass die Signale auf diesen Leitungen sowohl der ISO-7816-Kommunikationseinheit 14 und der USB-Kommunikationseinheit 6 in dem Host, als auch der ISO-7816-Kommunikationseinheit 16 und dem USB-Transceiver 7 in dem Gerät zur Verfügung stehen.
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Das in 2 gezeigte Kommunikationssystem kann in drei verschiedenen Modi betrieben werden: einem ISO-7816-Kommunikationsmodus, einem Standard-USB-Kommunikationsmodus und einem USB-Kommunikationsmodus, in welchem ein USB-Taktsignal durch den Host 1 bereitgestellt wird.
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In dem ISO-7816-Modus sind die ISO-7816-Kommunikationseinheit 16 im Gerät 2 und die ISO-7816-Kommunikationseinheit 14 in dem Host 1 über die Kontakte C1 bis C8 verbunden. ISO-7816-Kommunikationssignale werden von dem Host 1 an die Kontakte C1 bis C8 angelegt. Der Oszillator 3 wird durch die Steuereinheit 15 so eingestellt, dass er ein ISO-7816-Taktsignal f2 ausgibt, welches über den Taktkontakt C3 an das Gerät 2 übertragen wird.
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Da der ISO-Modus der Kommunikation nur geringe Datenübertragungsraten erlaubt, unterstützen der Host 1 und das Gerät 2 auch einen schnelleren USB-Modus, in welchem Daten und Energie über die Kontakte C1, C4, C5 und C8 zwischen dem Host 1 und dem Gerät 2 übertragen werden. In einem Standard-USB-Modus wird in der Taktrückgewinnungsschaltung 12 ein Taktsignal aus den, an den Kontakten C4 und C8 anliegenden Datensignalen D+ und D– extrahiert. Der Standard-USB-Modus wird benutzt, falls kein USB-Taktsignal f1 in der Taktauswahleinheit 13 detektiert wird. Die Ausgabe der Taktrückgewinnungsschaltung 12 wird über die Taktauswahleinheit 13 an den USB-Funktionskern 4 geleitet.
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In einem USB-Modus mit einem Taktsignal vom Host 1 wird der Oszillator 3 durch die Steuereinheit 15 zur Ausgabe eines USB-Taktsignals f1 eingestellt, welches durch den Kontakt C3, der im ISO-7816-Modus als Taktkontaktfläche CLK dient, an das Gerät 2 übertragen wird. Die Taktauswahleinheit 13 detektiert ein USB-Taktsignal f1 am Kontakt C3 und leitet das USB-Taktsignal f1 an den USB-Funktionskern 4 weiter. In diesem Modus kann die Taktrückgewinnungseinheit 12 deaktiviert werden und der USB-Host 1 und das USB-Gerät 2 sind synchronisiert. Die Vorteile und Abwandlungen, die im Zusammenhang mit 1 beschrieben sind, gelten auch für das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel.
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Das in 2 dargestellte Kommunikationssystem zeigt einen Host 1, der mit einem Gerät 2 kommunizieren kann, welches ISO-7816-Kommunikation, Standard-USB-Kommunikation und USB-Kommunikation mit einem USB-Taktsignal f1, das vom Host 1 bereitgestellt wird, unterstützt. In ähnlicher Weise kann das Gerät 2 mit einem Terminal genutzt werden, welches ISO-7816-Kommunikation, Standard-USB-Kommunikation und USB-Kommunikation mit einem von dem Host 1 zur Verfügung gestellten USB-Taktsignal f1, unterstützt. Kommunikationssysteme, in welchen nicht alle Modi sowohl vom Host als auch vom Gerät 2 unterstützt werden, sind auch möglich. In derartigen Kommunikationssystemen können die in 2 gezeigten Komponenten vereinfacht werden, falls die von dem Host 1 und dem Gerät 2 unterstützten Modi im voraus bekannt sind, wodurch z. B. die in 1 gezeigte Konfiguration erreicht wird.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches einen Betrieb des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels des Kommunikationssystems illustriert.
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In Schritt S1 wird das Kommunikationssystem für die Kommunikation zwischen dem Host 1 und dem Gerät 2 hochgefahren. Der Host 1 und das Gerät 2 sind zumindest über die Kontakte C1, C4, C5 und C8 verbunden.
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Im Schritt S2 legt der Host 1 USB-Signale an die Kontakte C1, C4, C5 und C8 an.
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In der Abfrage S3 wird ermittelt, ob das Gerät 2 einen USB-Kommunikationsmodus unterstützt. Falls das Gerät 2 USB-Kommunikation unterstützt, wird mit Schritt S4 fortgefahren.
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In Schritt S4 antwortet das Gerät 2 auf die USB-Signale des Hosts 1.
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In Schritt S5 wartet der Host 1 darauf, dass sich das Gerät 2 als USB-Gerät für weitere Kommunikation anhängt.
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In Schritt S6 hängt sich das Gerät 2 an den USB-Bus an.
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In der Abfrage S7 wird ermittelt, ob das Gerät 2 ein externes, an einem weiteren den Host 1 und das Gerät 2 verbindenden Kontakt C3 anliegendes USB-Taktsignal f1 benutzen kann. Falls das Gerät 2 ein externes USB-Taktsignal f1 benutzen kann, wird mit Schritt S8 fortgefahren.
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In Schritt S8 legt der Host 1 ein USB-Taktsignal an Kontakt C3 an.
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In Schritt S9 benutzt das Gerät 2 das USB-Taktsignal zum weiteren Kodieren und Dekodieren im USB-Funktionskern 4. Das Kommunikationssystem wird in einem USB-Kommunikationsmodus mit einem durch den Host 1 zur Verfügung gestellten USB-Taktsignal f1 betrieben.
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Falls in der Abfrage S7 entschieden wird, dass das Gerät 2 kein USB-Taktsignal benutzen kann, wird mit Schritt S11 fortgefahren.
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In Schritt S11 wird ein Taktsignal durch die Taktrückgewinnungseinheit 12 aus den über den Kontakten C4 und C8 übertragenen Daten D+ und D– extrahiert. Das zurück gewonnene Taktsignal wird an den USB-Funktionskern 4 weitergeleitet und das Kommunikationssystem arbeitet in einem Standard-USB-Kommunikationsmodus.
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Falls in der Abfrage S3 entschieden wird, dass das Gerät 2 keine USB-Kommunikation unterstützt, wird mit Schritt S12 fortgefahren.
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In Schritt S12 sieht der Host 1 kein angehängtes USB-Gerät 2.
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In Schritt S13 führt der Host 1 daher eine ISO-7816-Hochfahrsequenz durch und legt die dazugehörigen Signale an die Leitungen C1 bis C8, wobei ein ISO-7816-Taktsignal f2 an der Taktsignalkontaktfläche C3 zur Verfügung gestellt wird.
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In dem Schritt S14 erkennt das Gerät 2 die ISO-7816-Hochfahrfrequenz und antwortet mit einem Answer-To-Reset (ATR). Das Kommunikationssystem wird im ISO-7816-Kommunikationsmodus betrieben.
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In allen drei Operationsmodi ist der zuletzt gezeigte Schritt Schritt S10, in welchem weitere Kommunikation zwischen dem Host 1 und dem Gerät 2 ausgeführt wird.
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Der in 3 gezeigte Ablauf kann modifiziert werden, um die Konfiguration des Hosts 1 und des Geräts 2 zu berücksichtigen. Teile können gelöscht werden, falls gewisse Modi nicht unterstützt werden und Teile können hinzugefügt werden, falls weitere Modi unterstützt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Host
- 2
- Gerät
- 3
- Oszillator
- 4
- USB-Funktionskern
- 5
- Gruppe von Kontakten
- 6
- USB-Kommunikationseinheit
- 7
- USB-Transceiver
- 8
- Puffer
- 9
- Busschnittstelle
- 10
- CPU-Oszillator
- 11
- CPU
- 12
- Taktrückgewinnungseinheit
- 13
- Taktauswahleinheit
- 14
- ISO-7816-Kommunikationseinheit
- 15
- Steuereinheit
- 16
- ISO-7816-Kommunikationseinheit
- f1
- USB-Taktsignal
- f2
- ISO-7816 Taktsignal
- C1
- VCC
- C2
- GND
- C3
- Taktkontaktfläche
- C4
- D+
- C5–C7
- weitere Kontaktflächen
- C8
- D–