Universal Serial Bus


Der Universal Serial Bus (USB) ist ein standardisiertes, serielles Bus-System zum Anschluss von Peripheriegeräten an Computer.

An einen USB-Port können bis zu 127 Peripheriegeräte angeschlossen werden. Die Daten werden bitseriell über eine verdrillte Zweidrahtleitung übertragen. Mit der ersten USB-Generation waren nur Datenraten von 1,5 MBit/s (Low Speed) oder 12 MBit/s (Full Speed) möglich. Im Jahr 2000 wurde dann USB 2.0 verabschiedet, dass 480 MBit/s (High Speed) ermöglicht.

Die vierpolige USB-Schnittstelle verfügt über eine weitere Zweidrahtleitung. Über diese kann eine Stromversorgung für Geräte mit geringem Leistungsbedarf (je nach Host 100 mA oder 500 mA bei 5V) realisiert werden.

Es werden Hubs zur Erweiterung der Anschlusskapazität unterstützt. Die maximale Übertragungsdistanz eines Übertragungsabschnittes beträgt 5 Meter.

USB erlaubt es, Geräte während des Rechnerbetriebes anzuschließen und sofort zu benutzen, ohne den Rechner neu zu starten (Hot-Plug-In). Alle angeschlossenen Geräte teilen sich einen Interrupt.

Die Stecker von USB-Kabeln sind verpolungs- und vertauschungssicher gestaltet. Auf der Seite des Hostcontrollers werden flache Stecker (Typ A - DIN IEC 61076-3-107) verwendet. Am angeschlossenen Gerät wird das Kabel entweder fest angebracht oder über einen annähernd quadratische Stecker (Typ B - DIN IEC 61076-3-108) angeschlossen. Zum Teil werden aber auch auf der Geräteseite Typ A-Steckern verwendet.

Für Geräte mit geringerem Platzangebot existieren kompaktere Steckerverbinder, die Mini-USB-Stecker. Im USB-Standard verankert ist davon nur ein fünfpoliger, trapezförmiger Stecker, alle anderen Mini-USB-Stecker sind herstellerspezifische Kreationen.

Speziell für mobile Kommunikationsgeräte wurde 2007 ein noch kleinerer Stecker vorgestellt. Der sogenannte Micro-USB-Stecker ermöglicht eine noch kompaktere Bauform.

Im November 2008 stellte das USB Implementers Forum (USB-IF) die Spezifikation USB 3.0 vor. Damit werden Datenraten von 5 GBit/s brutto bei einer Signalfrequenz von 2,5 GHz erreicht (Super Speed). Die höheren Datenraten werden durch eine Übertragungstechnik ähnlich PCIe und Serial-ATA ermöglicht, die allerdings zusätzlich zum bisherigen Datenleitungspaar im Kabel noch zwei weitere Adernpaare plus einen weiteren Masseanschluss erfordern. Da in den Steckern somit fünf weitere Kontakte erforderlich sind, wurden mit USB 3.0 neue Steckverbinder und Kabel eingeführt.

Im September 2013 folgte die Vorstellung von USB 3.1. Diese bringt wiederum eine verdoppelte Datenrate von 10 GBit/s brutto bei 5 GHz Signalfrequenz (Super Speed+, SuperSpeedPlus). Außerdem wurde die Codierung von 8B/10B auf eine 128B/130B-Codierung umgestellt, was den Overhead von 20 auf 3 Prozent senkt. Kabel-Stecker und Kontakte haben sich gegenüber USB 3.0 nicht geändert, es wurden aber genauere Signaldämpfungsspezifikationen (6 dB) ausgegeben.

Die USB-Power-Delivery-Spezifikation regelt auch die Spannungsversorgung neu. Damit wird die Versorgung von maximal 5 Ampere bei bis zu 20 Volt also 100 Watt geregelt, was das schnelle Laden von Smartphones und Tabletts, aber auch die Versorgung einfacher PCs und Laptops ermöglicht.

Zusätzlich wurde aber in 2014 ein neuer Typ-C-Stecker vorgestellt, der symmetrisch aufgebaut ist und zukunftssicher für die nächsten 15 Jahre sein soll. Dazu wurden unter anderem Reserven bei der Signaldämpfung (11 dB) aufgenommen und Erkennungsroutinen spezifiziert, welche die Übertragung von Nicht-USB-Signalen über die Leitungen des Kabels ermöglichen sollen. Wie auch bei anderen Initiativen für ein universelles Kabel, soll es möglich werden, alle Arten von Kabeln (Daten, Strom, Audio, Video) über eine Steckverbindung abzuwickeln.

Auf den Typ-C-Steckern und -Kabel beruhen auch die im Jahr 2017 angekündigten Verbesserungen für USB 3.2. Diese bringen Multi-Lane-Technik. Voll beschaltete Typ-C-Kabel enthalten vier differentielle Adernpaare, von denen bei USB 3.1 aber nur zwei zur Datenübertragung genutzt wurden. Die anderen Adernpaare waren vor allem für die Übertragung von Display-Port-Signalen gedacht. USB 3.2 verwendet nun alle vier Adernpaare und verdoppelt damit die Datenübertragungsrate von 5 auf 10 Gbit/s für Supperspeed und von 10 auf 20 GBit/s für Superspeed+. Die Superspeed+-Bezeichnung wird allerdings gar nicht mehr verwendet, sondern man spricht von "Superspeed USB", "Superspeed USB 10 GBit/s" und "Superspeed 20 GBit/s".

Im Frühjahr 2019 wurde USB 4.0 vorgestellt, dass auf dem Thunderbolt-3-Standard aufbauen soll. Allerdings ist es zu diesem nich vollkommen kompatibel. So müssen USB-4-Geräte nicht zwingend 40 GBit/s unterstützen, wie das bei Thunderbolt-3 der Fall ist. Kleinster gemeinsamer Nenner sind die von USB 3.2 bekannten 20 GBit/s, die man in Gen 2x2 umgetauft hat. Die erste Ziffer kennzeichnet über die Generation die Geschwindigkeitsstufe pro Adernpaar, die zweite die Anzahl der verwendeten Adernpaare. Gen 1 ist USB 3.0 mit 5/GBit, Gen 2 USB 3.1 mit 10 GBit/s und Gen 3 USB 3.2 mit 20 GBit/s. Die 40 GBit/s von USB 4.0 heißen daher Gen 3x2. USB 4 verwendet weiterhin Typ-C-Stecker. Im Gegensatz zu Thunderbolt, welches auch eine kettenförmige Verbindung von Geräten ermöglicht, bleibt es bei USB bei der Stern-Topologie. USB-4.0-Hubs müssen im Gegensatz zu -Hosts und -Geräten die Durchleitung von PCIe- und DisplayPort-Signalen ermöglichen.

Siehe auch:
EHCI
OHCI
UHCI
USB OTG
Wireless USB
xHCI

0-9|A|B|C|D|E|F|G|H|I|J|K|L|M|N|O|P|Q|R|S|T|U|V|W|X|Y|Z|alle

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