Definition Was ist USB?

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USB ist ein universeller und weit verbreiteter Schnittstellenstandard, mit dem sich Computer schnell und einfach mit Geräten wie Mäusen, Tastaturen, Druckern, Speichersticks oder Smartphones und anderen verbinden lassen. Per USB können Daten in hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Auch eine Energieversorgung über USB ist möglich.

USB ist das Akronym für Universal Serial Bus. Dabei handelt es sich um eine standardisierte, universell einsetzbare Schnittstelle zum Anschluss externer Geräte an Computer. Die Schnittstelle basiert auf einem seriellen Bussystem und ist im IT-Umfeld und bei elektronischen Geräten weit verbreitet. Beispielsweise lassen sich externe Geräte wie Festplatten, Speichersticks, Tastaturen, Kameras, Smartphones, Drucker, Lautsprecher, Scanner, Computermäuse und vieles mehr per USB mit einem Rechner verbinden.

Neben der bidirektionalen Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit ist über die USB-Schnittstelle auch die Versorgung der angeschlossenen Geräte mit elektrischer Energie möglich. USB-Geräte sind in der Regel Plug-and-Play- und Hot-Plugging-fähig. Das heißt, sie lassen sich im laufenden Betrieb verbinden und trennen und werden automatisch erkannt und konfiguriert.

USB wurde Mitte der 1990er-Jahre entwickelt, um die bis dahin verwendeten seriellen oder parallelen Schnittstellen mit ihren spezifischen Nachteilen abzulösen. Seit der Einführung der ersten USB-Version im Jahr 1996 wurde die Schnittstelle kontinuierlich weiterentwickelt. Mittlerweile liegen Spezifikationen für verschiedene USB-Versionen wie USB 2.0, USB 3.0, USB 3.2 oder USB4 mit unterschiedlichen Übertragungsraten und Eigenschaften vor.

In der Regel sind die USB-Versionen abwärtskompatibel mit den älteren Versionen. Im Rahmen der Weiterentwicklung und Spezifizierung der USB-Versionen wurden auch die für die Schnittstelle zu verwendenden Stecker, Buchsen und Kabel standardisiert. Sie liegen ebenfalls in unterschiedlichen Bauformen und Typen vor. Dabei ersetzt der neueste Stecker vom Typ USB-C mittlerweile mehr und mehr die älteren USB-Steckertypen und entwickelt sich zum universellen Standard zur Verbindung und Energieversorgung von Smartphones, Laptops, externen Festplatten und anderen Geräten.

Die wichtigsten Merkmale und Vorteile des Universal Serial Bus kurz zusammengefasst:

• universell einsetzbare, einheitliche Schnittstelle für den Großteil aller Peripheriegeräte eines Rechners

• Bereitstellung mehrerer Anschlussmöglichkeiten und einfache Erweiterbarkeit per Hub

• automatisches Erkennen und Konfigurieren der Geräte (Plug-and-Play)

• Verbinden und Trennen von Geräten im laufenden Betrieb (Hot-Plugging)

• hohe Datenübertragungsraten in beide Richtungen

• zuverlässige, störungssichere Datenübertragung

• Möglichkeit der Versorgung von angeschlossenen Geräten mit elektrischer Energie für den Betrieb oder zum Aufladen der Akkus

• einfach zu handhabende, stabile und verpolungssichere Steckverbindungen

• kompaktes und platzsparendes Stecker- und Buchsendesign

• günstig zu implementieren

• abwärtskompatibel mit älteren USB-Versionen

Prinzipielle Funktionsweise der USB-Schnittstelle

Wie das Wort "Serial" in Universal Serial Bus vermuten lässt, arbeitet USB mit serieller Bitübertragung. Das bedeutet, dass die einzelnen Bits nicht auf vielen parallelen Leitungen gleichzeitig, sondern auf miteinander verdrillten Adernpaaren nacheinander gesendet und empfangen werden. Das Datensignal liegt jeweils symmetrisch, differenziell an. Auf einer Leitung befindet sich das Datensignal, auf der anderen das invertierte Datensignal. Dies führt zu einer im Vergleich zum Masse-Niveau doppelt so hohen Differenzspannung zwischen den beiden Leitungen. Ein Vorteil dieses Übertragungsverfahrens ist die hohe Übertragungssicherheit. Elektrisch eingestrahlte Störungen werden zuverlässig eliminiert, was gute EMV-Eigenschaften (elektromagnetische Verträglichkeit) und eine hohe elektromagnetische Störsicherheit zur Folge hat.

Bis zur Spezifikation USB 2.0 wurden die Daten in beide Richtungen über dasselbe Adernpaar übertragen. Ab USB 3.0 kommen zusätzliche Adernpaare zur Übertragung der Datensignale zum Einsatz. Für die elektrische Energieversorgung sind weitere Leitungen vorgesehen. USB liefert standardmäßig eine Spannung von fünf Volt und abhängig von der Spezifikation verschiedene weitere Spannungen, maximale Stromstärken und elektrische Leistungen.

Der Universal Serial Bus unterstützt die priorisierte Übertragung der Daten und stellt verschiedene Datenübertragungsraten bis zur maximal möglichen Datenübertragungsrate zur Verfügung. Die Bus-Logik realisiert der Host-Controller, der die Verschaltung und den Datenaustausch der verbundenen USB-Geräte koordiniert. An einem Host-Controller sind bis zu 127 verschiedene Geräte über einen oder mehrere kaskadierte Hubs anschließbar.

Die verschiedenen USB-Versionen

Seit seiner Einführung wurde der Universal Serial Bus mehrfach überarbeitet und erweitert. Er liegt daher in verschiedenen Versionen vor. Mit der Veröffentlichung neuer USB-Versionen wurden ältere Versionen rückwirkend teils mehrfach umbenannt, was zu einer erheblichen Verwirrung in der Bezeichnung der USB-Versionen beigetragen hat.

Gestartet ist der Universal Serial Bus mit der Version 1.0 im Jahr 1996. Die erste Nachfolgeversion 1.1 erschien bereits im Jahr 1998. USB 1.1 bietet eine maximale Datenrate von zwölf Megabit pro Sekunde. Anfang der 2000er Jahre folgte die Spezifikation der Version USB 2.0. USB 2.0 ermöglicht maximale Datenraten von bis zu 480 Megabit pro Sekunde. Die maximal per USB bereitstellbare elektrische Energie wurde durch die Erhöhung des maximal übertragbaren Stroms von 100 mA auf 500 mA verfünffacht. Im Jahr 2008 erschien die Spezifikation für USB 3.0 (rückwirkend als USB 3.1 Gen1 und später als USB 3.2 Gen 1x1 bezeichnet) und steigerte die maximale Datenrate auf bis zu fünf Gigabit pro Sekunde. Die maximal mögliche Stromstärke wurde von 500 mA auf 900 mA angehoben, was bei fünf Volt einer maximal übertragbaren elektrischen Leistung von 4,5 Watt entspricht.

Mit USB 3.0 wurden auch neue Stecker und Kabel mit zusätzlichen Leitungen eingeführt. Im Jahr 2013 wurde USB 3.1 (rückwirkend als USB 3.1 Gen2 und später als USB 3.2 Gen 2x1 bezeichnet) mit einer maximalen Datenrate von zehn Gigabit pro Sekunde und einer maximalen Stromstärke von drei Ampere bei fünf Volt (15 Watt) sowie mit dem damals neuen Power-Delivery-Standard (PD-Standard) für bis zu fünf Ampere bei 20 Volt (100 Watt) vorgestellt.

2017 folgte mit USB 3.2 (rückwirkend als USB 3.2 Gen 2x2 bezeichnet) eine weitere Spezifikation. Sie erlaubt maximale Datenraten von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde. USB4 (teilweise als USB 4.0 oder USB 4 Gen 3x2 bezeichnet) aus dem Jahr 2019 vereint USB 3.2 und Thunderbolt 3 von Apple in einem einzigen Standard und bietet maximale Datenraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde. USB4v2 (auch als USB4 Version 2.0 oder USB 4 Gen 4x2 bezeichnet) erschien Ende 2022. Die neueste USB-Version bietet eine maximale Datenrate von 80 beziehungsweise 120 Gigabit pro Sekunde.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über wichtige Merkmale und Eigenschaften der verschiedenen USB-Versionen:

Was bedeutet USB-PD?

Das Kürzel USB-PD steht für Universal Serial Bus Power Delivery und bezeichnet die Standards für die Energieversorgung über USB mit erweiterter Leistung. So lassen sich dank unterstützter Leistungen von 100 bis 240 Watt per PD auch größere Geräte wie Monitore, Drucker oder Laptops per USB mit Energie versorgen. Die USB-Grundspannung von fünf Volt kann mit PD in Stufen auf 15 oder 20 Volt und mit Power Delivery 3.1 (Extended Power Range; EPR) sogar auf 48 Volt erhöht werden. Bei einer Stromstärke von fünf Ampere ergibt das eine maximale Leistung von 240 Watt. Die Energieversorgung ist dabei in beide Richtungen möglich. Sie wird mit der jeweiligen Spannung und Stromstärke über ein Protokoll ausgehandelt, das elektronisch markierte USB-C-Kabel mit integrierten Chips erfordert. Erst nach einer erfolgreichen Aushandlung zwischen Quelle und Ziel werden die Spannungen auf die entsprechenden Pins geschaltet.

Stecker- und Kabeltechnik des Universal Serial Bus

Für den Universal Serial Bus existiert eine große Anzahl verschiedener Steckverbindungs- und Kabeltypen. Grundsätzlich sind alle Steckertypen vertauschungs- und verpolungssicher. Seit der Einführung der USB-C-Steckverbindungen reduziert sich die Verbreitung und Nutzung älterer Steckertypen bei den verschiedenen Geräteklassen. USB-C ist als universeller Steckertyp für alle Geräte vorgesehen und setzt sich mehr und mehr durch. Im Folgenden ein kurzer Überblick über verschiedene Steckverbindungstypen:

• USB-A-Steckverbindungen:
  Typische Einsatzbereiche der Typ-A-Steckverbindungen sind Tastaturen, Speichersticks oder Computermäuse. Es handelt sich um flache, rechteckige Stecker mit vier Leitungen plus Schirm. Zudem existiert eine Typ-A-Variante für USB 3 mit mehr Leitungen.

• USB-B-Steckverbindungen:
  Steckverbindungen vom Typ B sind häufig auf der Gehäuseseite von Geräten wie Festplatten oder Druckern zu finden. Die Steckverbindungen sind annähernd quadratisch und besitzen vier Leitungen plus Schirm. Zudem existiert eine Typ-B-Variante für USB 3 mit mehr Leitungen.

• USB-Mini-A- und -Mini-B-Steckverbindungen:
  Es handelt sich um eine miniaturisierte Form der USB-Steckverbindung für Geräte wie Smartphones oder Digitalkameras.

• USB-Micro-A- und -Micro-B-Steckverbindungen:
  Auch USB-Micro-A- und -Micro-B-Steckverbindungen sind miniaturisiert. Sie sind beispielsweise an Smartphones oder kleinen mobilen Festplatten zu finden.

USB-C – der sich immer mehr durchsetzende USB-Steckerstandard

Die miniaturisierte USB-C-Steckverbindung wurde 2014 als universeller Verbindungsstandard für unterschiedliche Anwendungen und Geräte eingeführt. Die flachen, abgerundeten Stecker haben kompakte Abmessungen (8,25 x 2,4 mm), sind beidseitig um 180 Grad gedreht einsteckbar und erreichen eine hohe Anzahl an Steckzyklen. Seit Ende 2024 ist USB-C als einheitlicher Standard für Ladestecker von mobilen Consumer-Kleingeräten wie Smartphones, Tablets, Digitalkameras oder eBook-Readern und anderen vorgegeben, um den Steckerwildwuchs zu reduzieren und Elektroschrott zu vermeiden. Seit 2026 ist USB-C auch für Geräte wie Notebooks verpflichtend. Dank der flexiblen Pin-Beschaltung eignen sich USB-C-Stecker und -Kabel auch für andere Übertragungsstandards wie DVI, DisplayPort oder HDMI. Über Adapter sind USB-C-Stecker mit anderen USB-Steckertypen kompatibel.

USB-Kabel

Die für den Universal Serial Bus verwendeten Kabel sind abhängig vom Typ und der maximal möglichen Geschwindigkeit unterschiedlich geschirmt und haben unterschiedlich viele Adern. Klassische USB-Kabel (USB 1.x, 2.0) haben vier Adern. Bei USB 3.x sind bis zu neun Adern nutzbar. USB-C-Kabel können bis zu 24 Adern enthalten. Der Wellenwiderstand der Kabel beträgt 90 Ohm. Kabel für niedrigere Datenraten und ältere USB-Versionen sind aufgrund der reduzierten Schirmung in der Regel flexibler und kommen beispielsweise an Geräten wie Computermäusen oder Tastaturen zum Einsatz. Die maximale Länge der Kabel beträgt im Normalfall nur wenige Meter. Um größere Distanzen zu überbrücken, lassen sich Hubs zwischenschalten oder aktive Repeaterkabel nutzen. Zudem ist es möglich, USB-Verbindungen über Line-Extender und Medien wie Glasfaser oder Ethernetkabel zu verlängern. Über USB-C-Kabel lassen sich hohe elektrische Leistungen übertragen. Für hohe Leistungen sind allerdings elektronisch markierte USB-C-Kabel mit integrierten Chips erforderlich.

Typische Anwendungen für den Universal Serial Bus

Typische Anwendungen und Geräte mit Universal-Serial-Bus-Schnittstellen sind:

• externe Speichergeräte wie Festplatten oder DVD-, CD- und Bluetooth-Laufwerke

• Drucker, Scanner und Multifunktionsgeräte

• USB-Sticks

• Headsets

• WLAN-, Ethernet- und Bluetooth-Adapter

• Digitalkameras

• Smartphones

• Tablets

• Webcams

• Grafikkarten und Monitore

• Wearables wie Smartwatches und Fitness-Tracker

• Tastaturen

• Computermäuse

• Gamecontroller

• Lautsprecher

• Dockingstationen und Hubs zur Erweiterung der Anschlussmöglichkeiten an Laptops

• Ladegeräte und Powerbanks

• Mess- und Diagnosegeräte

• Mikrocontroller und Entwicklerboards

• Fahrzeug-Infotainmentsysteme

• Sicherheitsdongles

USB-Anschlüsse sind auch an elektrischen oder elektronischen Geräten zu finden, an denen sie nur zur Energieversorgung quasi als Strom-, Netzteil- oder Ladeanschluss genutzt werden. Eine Übertragung von Daten ist bei diesen Implementierungen nicht möglich.

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