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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen
zum Liefern einer verbesserten USB-Erweiterungsfähigkeit bei Computern. Insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die die Installation
von USB-Vorrichtungen
im Inneren des Computerchassis und/oder eine erweiterte USB-Konnektivität bzw. Anschlussfähigkeit
für externe
und interne USB-Peripheriegeräte
ermöglicht.
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Stand der
Technik
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Der
Universalserienbus (Universal Serial Bus – USB) liefert einen Kabelbus,
der einen Datenaustausch zwischen einem Hostcomputer und einer großen Anzahl
und verschiedenen Typen von Peripheriegeräten, auf die gleichzeitig zugegriffen
werden kann, unterstützt.
Für Einzelheiten
sei der Leser auf die Universalserienbusspezifikationsrevision 2 vom
27. April 2000 verwiesen, die unter www.usb.org verfügbar ist.
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Seit
der Einführung
und der weit verbreiteten Annahme des USB-Standards ist eine Flut
von USB-Peripheriegeräten
auf dem Markt erhältlich
geworden. Dies entspricht der nun standardmäßigen Aufnahme von ein oder
mehr USB-Ports an den meisten Computern. USB-Peripheriegeräte weisen die
erwünschte
Charakteristik auf, dass dieselben „heiß einsteckbar" (hot-pluggable)
sind und im Allgemeinen keine Installation und/oder Konfiguration
von peripheriegerätspezifischen
Treibern an dem Hostcomputer erfordern.
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Bei
Verwendung wird ein USB-Peripheriegerät einfach in einen Hostcomputer
eingesteckt. Wird angenommen, dass das Betriebssystem (OS) eine USB-Unterstützung aufweist,
wird das Peripheriegerät
erkannt, und der USB-Bus wird geeignet konfiguriert.
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Fast
alle Standardperipheriegeräte
sind als USB-Vorrichtungen erhältlich
gemacht geworden, einschließlich
Speichervorrichtungen, wie z. B. eigenständige Plattenlaufwerke und
ZIP- oder Bandeinheiten.
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Die
Entwicklung des USB hat somit das Hinzufügen von großen Anzahlen von Peripheriegeräten auf
eine hochgradig flexible Weise stark vereinfacht. Sie hat auch die
Erweiterung von Systemen erleichtert, deren Größe normalerweise durch die
Anzahl von freien PCI- oder ISA-Schlitzen an einem internen Bus
oder Vorrichtungen beschränkt
gewesen wäre, die
an einem SCSI- oder IDE-Bus konfigurierbar sind.
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Mit
dem Hinzufügen
einer USB-Netzknotenvorrichtung kann eine externe Standard-USB-Verbindung
verwendet werden, um eine größere Anzahl von
USB-Vorrichtungen anzuschließen.
Aus der Benutzerperspektive ist diese Erweiterungsfähigkeit eine
enorme Verbesserung gegenüber
der früheren Notwendigkeit,
inkremental Peripheriegeräte
hinzuzufügen,
da dieser Prozess normalerweise eine Einzelkonfiguration, eine Installation
von Treibern und oft die Lösung
von Problemen mit IRQ-Konflikten und dergleichen erfordert.
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Trotz
der Verwendung von SCSI-Bussen und IDE-Erweiterungskarten bleibt eine Internvorrichtungserweiterungsfähigkeit
jedoch problematisch. Der Gelegenheitsbenutzer sieht sich oft der
Notwendigkeit gegenüber,
SCSI- oder IDE-Busse neu zu konfigurieren, wenn zusätzlicher
Plattenspeicher hinzugefügt
wird. Dieser Prozess kann relativ komplexe Prozeduren umfassen,
die bisweilen über
die Fähigkeit
eines gelegentlichen Benutzers hinausgehen. Ferner kann in einigen
Fällen
eine Erweiterung von internen Komponenten durch inhärente Beschränkungen
bei der Hardware oder dem System-BIOS begrenzt sein.
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Es
wäre deshalb
ein erheblicher Vorteil, wenn interne USB-Komponenten, wie z. B. Plattenlaufwerke,
CD/DVD/CDWR-Laufwerke
und dergleichen, einfach ohne oder mit wenig Neukonfiguration des
Systems installiert und verwendet werden könnten.
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Eine
Lösung
ist in 3 gezeigt, wo eine externe Rückwand-USB-Buchse 17 über ein
Kabel 30 mit einer internen USB-Vorrichtung 20 verbunden
ist. Dies ist im Allgemeinen eine ungeeignetere Technik, da dieselbe
ein Führen
einer Verkabelung durch die Chassiswand mit zugehörigen EMI-
und ESD-Problemen umfasst. Dieselbe ist auch nicht zufriedenstellend,
weil ein externes Kabel zu einem versehentlichen Trennen neigen
kann.
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Eine
weitere einstweilige Entwicklung, die für Vorläufersysteme ohne eingebaute
USB-Steuerung ebenfalls geeignet ist, besteht darin, eine USB-PCI-Erweiterungskarte
zu verwenden, die in den PCI-Bus eingesteckt wird. Ein Beispiel
dafür ist
in
4 bei einem System gezeigt, das einen USB-Netzknoten
an der Hauptplatine aufweist. Derartige Platinen haben den Standardzusatzkartenformfaktor
und liefern, wenn dieselben in einer PCI-Buchse befestigt sind,
eine oder mehr USB-Buchsen an der Rückwand des PC-Chassis. Einige
USB-Erweiterungsvorrichtungen liefern auch eine interne USB-Verbindung,
wie es in
4 gezeigt ist. Eine derartige
Lösung
ist in der
DE 20020161
W1 beschrieben.
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Diese
Lösung
kann unter einigen Umständen
zufriedenstellend sein, insbesondere wenn USB-Vorrichtungen mit
einer Vorläuferausrüstung ohne
Hauptplatinen-USB-Steuerung verwendet werden sollen. Zusätzlich zu
einem Verursachen zusätzlicher
Kosten benötigt
diese Technik jedoch einen PCI-Schlitz, und bei Konfigurationen,
bei denen PCI-Schlitze für
andere PCI-Schnittstellenkarten
für andere
Peripheriegeräte
benötigt
werden, kann dies ein Problem sein. Auch erfordert das Verwenden
einer PCI-USB-Erweiterungsvorrichtung, dass das BIOS des Systems
in der Lage ist, die PCI-Vorrichtung automatisch zu konfigurieren
oder zumindest zu erkennen, und/oder dass der PCI-Bus heiß einsteckbar
ist. Ferner kann, wenn eine interne Vorrichtung mit einem externen
USB-Kartenport verbunden
ist, das Vorhandensein eines losen Kabels, das von dem Äußeren des
Chassis ins Innere verläuft,
unerwünscht
sein, da es eine Öffnung
in dem Chassisgehäuse
erfordert, die in einem Standardchassis nicht enthalten ist und
EMI- und ESD-Schwächen
bei dem System erzeugt. Auch ist diese Lösung für eine Massenproduktion im
Allgemeinen nicht durchführbar.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und
einfach zu installierende Einrichtung zum Verbinden von internen
USB-Vorrichtungen mit dem USB ohne ein Erfordern von PCI- oder ISA-Buserweiterungsplatinen
zu schaffen, die mit Standardhauptplatinenkonfigurationen kompatibel
ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Erfindung liefert eine USB-Erweiterungsvorrichtung, die einen Verbinder,
der angepasst ist, um mit einem Hauptplatinen-USB-Kopf bzw. -Header verbunden
zu sein; zwei oder mehr USB-Verbinder und eine Schaltung umfasst,
die angepasst ist, um einen oder mehr USB-Ausgänge und einen USB-Kopfausgang zu verwalten,
gemäß Anspruch
1.
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Die
Schaltung bei der USB-Erweiterungsvorrichtung kann einer USB-Netzknotenschaltung
entsprechen.
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Die
USB-Erweiterungsvorrichtung kann eine externe Leistungsversorgung
zum Versorgen des Netzknotens mit Leistung umfassen.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
der Netzknoten von dem USB mit Leistung versorgt werden.
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Die
USB-Erweiterungsvorrichtung weist bevorzugt einen Kartenformfaktor
auf, der geformt und dimensioniert ist, um in einen USB-Kopf eingesteckt zu
werden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel weist
die USB-Erweiterungsvorrichtung
bevorzugt einen Kabelformfaktor auf und ist angepasst, um in einen
USB-Kopf eingesteckt zu werden.
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Bei
dem Kabelformfaktor kann der Netzknoten in den USB-Kopfstecker oder
die ein oder mehr Ausgänge
eingegliedert sein.
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Alternativ
dazu kann die USB-Erweiterungsvorrichtung eine Kombination von Karten-
und Kabelformfaktor aufweisen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nur exemplarisch und unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Technik zum Verbinden von vorderen und hinteren externen USB-Buchsen
mit einer Hauptplatine, die eine USB-Steuerung aufweist;
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2 ein
Verfahren zum Verbinden einer internen USB-Vorrichtung mit einer Computerhauptplatine
unter Verwendung einer USB-Erweiterungsvorrichtung;
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3 eine
Technik zum Verbinden einer internen USB-Vorrichtung mit einer Standardcomputerhauptplatine über eine
externe USB-Buchse; und
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4 ein
Verfahren zum Erweitern einer USB-Konnektivität unter Verwendung einer USB-PCI-Erweiterungssteuerungs-/-netzknotenkarte.
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Beste Ausführung der
Erfindung
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Ein
typischer Computer liefert einen oder mehr externe USB-Verbinder an der
Rückseite
oder an der Vorderseite des Chassis. Die rückseitigen Verbinder sind direkt
mit dem USB-Ausgang an der Hauptplatine selbst verbunden, während der
vordere USB-Port im Allgemeinen mit dem USB-Kopf bzw. – Header
an der Hauptplatine verbunden ist. Diese Situation gilt für eine Hauptplatine,
die eine eingebaute USB-Steuerung
umfasst. Wenn eine Vorläuferhauptplatine
verwendet wird, wird normalerweise eine USB-Erweiterungszusatzkarte
verwendet. Dies ist im Vorhergehenden erörtert.
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Akzeptierten
Aufbau- und Herstellungstechniken folgend sind Hauptplatinen-USB-Ports
herkömmlicherweise
an der Rückseite
der Hauptplatine angeordnet und an der PCB als Oberflächenbefestigungs-I/O-Verbindungen
befestigt. Dies ermöglicht eine
Platzierung der USB-Buchse an einem ähnlichen Ort wie die ein oder
mehr Seriell- und Parallelports (nicht gezeigt) an der Rückwand eines
Computers. Bislang ist es akzeptabel, die USB-Buchse an einem derartigen
Ort anzuordnen, da die Verbindung von Computerperipheriegeräten seit
langem als halbpermanent oder zumindest so behandelt wird, dass dieselbe
nur eine Verbindung oder Trennung erfordert, wenn der Computer installiert
oder neu angeordnet wird.
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Die
Plug-and-Play-Charakteristika von USB-Vorrichtungen bedeuten jedoch,
dass derartige Vorrichtungen als frei im Betrieb bzw. heiß austauschbar
behandelt werden. Im Gegensatz dazu kann es sein, dass ein Wechseln
einer Seriell- oder Parallelportvorrichtung
früher
eine Systemneukonfiguration und/oder ein erneutes Booten des Computers
erfordert hat. Ferner ist es bei der gegebenen großen Anzahl
von erhältlichen
USB-Vorrichtungen oft nicht ausreichend, nur zwei verfügbare USB-Ports zu
haben, da dies zu einem häufigen
Vorrichtungsaustausch führt.
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Diese
Situation ist in 1 gezeigt, wo ein Computer 10 ein
Chassis 11 aufweist, das eine Hauptplatine 12 enthält. Die
Hauptplatine 12 umfasst einen rückseitigen USB-Verbinder 17 und
einen PCI-Schlitz 16. Auf andere Hauptplatinenkomponenten
wurde aus Gründen
der Übersichtlichkeit
verzichtet.
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Um
die Verbindung einer externen Frontplatten-USB-Buchse zu ermöglichen,
ist die Hauptplatine konfiguriert, um einen USB-Kopfausgang 15 zu
umfassen. Der USB-Kopf 15 ist eine PCB-befestigte Komponente,
die konfiguriert ist, um einen Kopfstecker (103 in 2)
aufzunehmen. Der Kopfstecker und die -buchse (103 und 15)
ermöglichen,
dass ein externer USB 13 angeschlossen wird. Dieser wird normalerweise
in der Frontplatte des PC befestigt. Die externe USB-Buchse 13 wird
mit dem USB-Kopf 15 mittels eines Kabels 14 verbunden.
In diesem Fall umfasst die Hauptplatine eine USB-Netzknotenschaltungsanordnung, um zu
ermöglichen,
dass mehrere USB-Vorrichtungen adressiert werden. Zusätzliche
USB-Netzknoten können
mit der rückseitigen
oder vorderen USB-Buchse verbunden werden, um eine Erweiterung zu
ermöglichen.
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Derzeit
können,
wenn eine interne USB-Vorrichtung in dem Chassis 11 befestigt
werden soll, zwei Lösungen
verwendet werden. Die erste Lösung besteht
aus einer externen fliegenden Zuleitung 30, wie es in 3 gezeigt
ist. Während
dies relativ einfach zu installieren ist, erfordert es, dass die
Zuleitung durch eine Öffnung
oder einen eigens dafür
hergestellten Port/Verbindung durch die Chassiswand hindurchgeht.
Dies ist unerwünscht,
da jede Öffnung in
einem Computerchassis zu einer Zunahme von elektromagnetischer und
akustischer Emission führen
kann. Dies kann eine EMI/ESD-Zertifizierung aufheben oder bewirken,
dass der Computer nicht die minimalen Anforderungen erfüllt, die
ein normal zertifizierter Computer aufweisen kann. Deshalb kann es
sein, dass diese Technik eine erhebliche Neukonstruktion erfordert.
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Die
zweite Lösung
besteht darin, eine im Handel erhältliche PCI-USB-Erweiterungskarte
zu verwenden, wie es im vorhergehenden Abschnitt über den
Stand der Technik erörtert
ist. Dies ist in 4 gezeigt. Hier ist eine USB-PCI-Steuerungskarte in
den PCI-Schlitz 16 eingeführt. Die USB-Erweiterungskarte 40 kann
als eine einfache Erweiterungseinheit konfiguriert sein oder eine
USB-Netzknotenschaltungsanordnung umfassen, um zu ermöglichen, dass
mehr als zwei USB-Vorrichtungen gleichzeitig mit dem Bus verbunden
sind, abhängig
davon, ob die Hauptplatine eine eingebaute USB-Steuerung aufweist.
Unter Bezugnahme auf 4 umfasst eine USB-PCI-Steuerungs-/-Erweiterungskarte 16 eine zweite
rückseitige
USB-Buchse 41 und einen internen USB-Ausgang, der mit einer vorderen externen Buchse,
wie z. B. 13 in 3, oder mit einer intern befestigten
USB-Vorrichtung 20 verbunden
sein kann. Diese Lösung
liefert einen relativ hohen Grad an Funktionalität, benötigt jedoch einen verfügbaren PCI-Schlitz,
wodurch jede weitere Erweiterung von Vorrichtungen an dem PCI-Bus
eingeschränkt
wird.
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Diese
Lösung
ist auch relativ teuer, da eine USB-PCI-Steuerung/Erweiterungsvorrichtung eine Unterstützungsschaltungsanordnung
sowie die standardmäßige PCI-Bushardware
erfordert.
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Um
diese Probleme zu lösen,
liefert die Erfindung eine USB-Erweiterungsvorrichtung 100,
wie dieselbe in 2 gezeigt ist, die eine Schaltung
aufweist, die an einer Schaltungsplatine 104 befestigt ist.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Schaltung angepasst, um einen USB-Kopfausgang 101 (siehe
Vergrößerung in 2)
und zumindest einen USB-Ausgang 102 zu
liefern. Die Vorrichtung umfasst auch einen Verbinder 103,
der angepasst ist, um die Vorrichtung mit einer USB-Kopfhardware
zu verbinden, die an einer Hauptplatine angeordnet ist.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
behält die
USB-Erweiterungsvorrichtung den Kopf/die externe USB-Verbindung
(13, 15) bei und ordnet die rückseitige externe USB-Buchse
neu im Inneren des Chassis an. Somit kann die interne USB-Buchse 102 mit
der internen USB-Vorrichtung 20 über ein Kabel 21 ohne
jegliche Modifizierung des Chassis verbunden werden. Dieses Ausführungsbeispiel
erfordert keine andere Schaltungsanordnung als eine Verdrahtung,
um den Kopfeingang 103 zu der internen Typ-A-USB-Buchse 102 und
dem Sekundärkopfausgang 101 umzuleiten.
Die USB-Erweiterungsvorrichtung 100 kann in der Form einer
Karte mit der erforderlichen Anzahl von Steckern und Buchsen aufgebaut
sein. Die genaue Geometrie dieser Vorrichtung kann abhängig von
der internen Systemtopologie, insbesondere hinsichtlich verfügbarem Platz
und Verkabelungslängen,
variieren. Die nutzbare Fläche der
Hauptplatine ist sehr dicht, und es ist erwünscht, die USB-Vorrichtung 100 so
klein wie möglich
zu machen, um zu vermeiden, dass dieselbe irgendwelche eingeführten Karten
stört.
Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
mit einem Kabelformfaktor hergestellt sein, bei dem jegliche Schaltungskomponenten
in eine flexible Kabelvorrichtung integriert sind. Dies kann eine
bevorzugte Implementierung liefern, da eine Kabelvorrichtung um
Karten und andere interne Chassiskomponenten herum umgeleitet werden
kann.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht
im Detail gezeigt) kann die USB-Erweiterungsvorrichtung 100 konfiguriert
sein, um einen Verbinder 103 zu umfassen, der angepasst
ist, um mit einer Hauptplatinen-USB-Kopfbuchse 15 und zwei
oder mehr USB-Verbindern 102 verbunden zu sein. Dieses
Ausführungsbeispiel
kann auch konfiguriert sein, um eine Schaltung zu umfassen, die
angepasst ist, um die mehreren USB-Ausgänge sowie einen USB-Kopfausgang
zu verwalten. Die USB-Verwaltungsschaltung kann eine USB-Netzknotenschaltung sein,
wie es in der Technik bekannt ist, und extern oder über den
USB-Bus mit Leistung versorgt werden.
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Bei
Verwendung erfordert die Erfindung keine Betriebssystemkonfiguration
oder eine andere Systemeinstellung. Die Schaltung/Karte 100 kann
in den USB-Hauptplatinenkopf eingesteckt werden und der vordere
USB-Verbinder 13 von dem USB-Hauptplatinenkopf 15 zu
dem Sekundär-USB-Kopf 101 umgeleitet
werden. Die interne USB-Vorrichtung 20 wird dann mit der
Sekundär-USB-Buchse 102 verbunden, die
an der Schaltung/Karte angeordnet ist. Falls das USB-Netzknotenausführungsbeispiel
implementiert ist, kann eine weitere USB-Buchse mit dem standardmäßigen rückseitigen
externen USB-Buchsenanschlussstück 17 oder
mit zusätzlichen
internen USB-Vorrichtungen verbunden sein. Die Anazahl von internen
USB-Vorrichtungen, die unterstützt
werden, hängt
davon ab, ob die Erfindung einen USB-Netzknoten umfasst oder es
sich dabei um den einzelnen internen USB-Buchsenadapter handelt.
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Die
Erfindung kann bei einem Ausführungsbeispiel
kostengünstig
hergestellt werden, da dieselbe Standardteile verwendet und keine
eingebaute Intelligenz erfordert. Falls ein interner Mehrfach-USB-Netzknoten
erforderlich ist, kann die Netzknotenschaltungsanordnung von einer
Anzahl von Lieferanten geliefert werden und als eine vollständige Funktionseinheit
eingegliedert werden.
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Als
ein zusätzlicher
Aspekt liefert die Erfindung eine Möglichkeit zum physischen Verwalten von
USB-Ports an einem PC-Chassis. In dem Fall, bei dem eine externe
USB-Verbindung für eine interne
Verbindung verwendet wurde, kann es sein, dass der externe USB-Port
nicht mehr funktioniert. In einer derartigen Situation wäre es ein
Vorteil, eine Einrichtung zu haben, die in den Port eingesteckt
werden kann, um denselben unverwendbar zu machen. Diese Einrichtung
sollte im Idealfall einen USB-Steckerformfaktor aufweisen und den
Port verdecken, wenn sich dieselbe in Position befindet. Bei einem
weiteren Ausführungsbeispiel kann
die Einrichtung eine Einrichtung umfassen, um zu erfassen, ob dieselbe
einen arbeitenden USB-Port verdeckt oder nicht. Dies kann durch
ein Anpassen der Einrichtung implementiert werden, um Verbinder
zu umfassen, die die USB-Verbindungen in der Buchse in Eingriff
nehmen. Die Einrichtung ist so angepasst, dass das Betriebssystem,
wenn der USB die Einrichtung abfragt, erfassen kann, dass die Einrichtung
in den richtigen USB-Port eingesteckt ist. Die Einrichtung kann
einen Leitungsweg umfassen, der kurzschließt oder anderweitig ein elektronisch
erfassbares Vorhandensein liefert, wenn derselbe an den USB-Bus
angeschlossen ist. Ein anderes Schaltungsausführungsbeispiel kann abhängig von
der spezifischen Betriebssystemmodifizierung, die beabsichtigt ist,
und abhängig
von dem Niveau, auf dem die Erfassung eines deaktivierten USB-Ports
stattfinden soll, möglich
sein.
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Die
Einrichtung kann aus einem Kunststoffmaterial geformt sein und kann
angepasst sein, um die oben genannte Funktionalität auszuführen. Es
ist beabsichtigt, dass diese Vorrichtung mit der USB-Erweiterungsvorrichtung,
wie dieselbe im Vorhergehenden definiert ist, vertrieben und zusammen
mit derselben verwendet werden kann.
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Obwohl
die Erfindung exemplarisch und unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass eine Modifizierung
und/oder Verbesserungen ohne ein Abweichen von dem Schutzbereich
der angehängten
Ansprüche
vorgenommen werden können.
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Wo
in der vorangegangenen Beschreibung Bezug genommen wurde auf ganze
Zahlen oder Elemente, die bekannte Äquivalente aufweisen, sind derartige Äquivalente
hier aufgenommen, als ob dieselben einzeln aufgeführt wären.