Definition Was ist USB?

Beim Universal Serial Bus (USB) handelt es sich um eine universelle Schnittstelle auf Basis eines seriellen Bussystems, mit der sich externe Geräte mit einem Computer verbinden lassen. Per USB können Daten in hoher Geschwindigkeit in beide Richtungen übertragen werden. Darüber hinaus ist die Energieversorgung der externen Geräte möglich.

Die Abkürzung USB steht für Universal Serial Bus. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Spezifikationen für eine universell einsetzbare Schnittstelle zum Anschluss externer Geräte an einen Computer. Die Schnittstelle arbeitet auf Basis eines seriellen Bussystems und hat sich im Computerumfeld stark etabliert. Beispielsweise lassen sich Geräte wie externe Festplatten, Speichersticks, Tastaturen, Kameras, Smartphones, Drucker, Lautsprecher, Scanner, Computermäuse und vieles mehr per Universal Serial Bus mit einem Rechner verbinden.

Neben der Übertragung von Daten mit hoher Geschwindigkeit in beide Richtungen ist die elektrische Energieversorgung der angeschlossenen Geräte über die Schnittstelle möglich. USB-Geräte sind in der Regel Hot-Plugging- und Plug-and-Play-fähig. Das heißt, sie lassen sich im laufenden Betrieb verbinden und trennen und werden automatisch erkannt und konfiguriert.

Seit der Einführung der ersten USB-Version USB 1.0 im Jahr 1996 mit einer maximalen Datenrate von zwölf Megabit pro Sekunde hat sich die Schnittstelle kontinuierlich weiterentwickelt. Mittlerweile liegen verschiedene Spezifikationen wie USB 2.0 oder USB 3.0 mit unterschiedlichen Übertragungsraten und Eigenschaften vor. Die neueste Version der Schnittstelle – USB4 –, teilweise auch als USB 4.0 bezeichnet, schafft bis zu 40 Gigabit pro Sekunde. In der Regel ist der Universal Serial Bus abwärtskompatibel mit seinen älteren Spezifikationen. Ebenfalls standardisiert sind Stecker, Buchsen und Kabel. Auch hier liegen unterschiedliche Versionen und Bauformen vor.

Die wichtigsten Merkmale des Universal Serial Bus

Mit dem Universal Serial Bus sollte Ende der 1990er Jahre eine universelle Computerschnittstelle zum Anschluss externer Geräte geschaffen werden, um die bis dahin verwendeten seriellen oder parallelen Schnittstellen mit ihren spezifischen Nachteilen abzulösen. Anforderungen und zentrale Merkmale des Universal Serial Bus sind:

• universell einsetzbare und einheitliche externe Schnittstelle für den Großteil aller Peripheriegeräte eines Computers

• Bereitstellung vieler Anschlussmöglichkeiten; Erweiterbarkeit der USB-Schnittstelle per Hub

• Hot-Plugging- und Plug-and-Play-fähig; automatisches Erkennen und Konfigurieren der Geräte sowie Ziehen und Stecken im laufenden Betrieb

• hohe Datenübertragungsraten in beide Richtungen

• Möglichkeit der elektrischen Energieversorgung der externen Geräte über die Schnittstelle

• einfach handhabbare, stabile und verpolungssichere Steckverbindungen

• zuverlässige Datenübertragung

• platzsparendes Steckerdesign

• günstig zu implementieren

• abwärtskompatibel mit älteren Spezifikationen

Prinzipielle Funktionsweise des Universal Serial Bus

Wie es der Name schon sagt, erfolgt die Übertragung der Bits auf dem Bus in serieller Form. Das bedeutet, dass die einzelnen Bits nicht auf parallelen Leitungen, sondern auf einem Adernpaar nacheinander gesendet und empfangen werden. Es wird ein verdrilltes Adernpaar verwendet. Das Datensignal liegt 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. Vorteile dieses Übertragungsverfahrens sind die hohe Übertragungssicherheit, die gute elektromagnetische Verträglichkeit und die zuverlässige Eliminierung elektrisch eingestrahlter Störungen.

Bis zur Spezifikation USB 2.0 werden die Daten in beide Richtungen über dasselbe Adernpaar übertragen. Erst ab USB 3.0 kommen zusätzliche Adernpaare für die Übertragung der Datensignale zum Einsatz. Zur elektrischen Energieversorgung sind weitere Leitungen vorhanden. Der Universal Serial Bus liefert eine Spannung von fünf Volt und abhängig von der Spezifikation verschiedene 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 Versionen des Universal Serial Bus

Der Universal Serial Bus liegt in den folgenden Versionen vor:

• USB 1.0

• USB 1.1

• USB 2.0

• USB 3.0

• USB 3.1

• USB 3.2

• USB4 (richtige Schreibweise ohne Leerzeichen! Teilweise aber auch als USB 4.0 bezeichnet)

Gestartet ist der Universal Serial Bus mit der Version 1.0 im Jahr 1996. USB 1.0 bietet eine maximale Datenrate von zwölf Megabit pro Sekunde. Anfang der 2000er Jahre folgt die Spezifikation USB 2.0, die bis heute noch eine der meist genutzten USB-Versionen ist. USB 2.0 ermöglicht maximale Datenraten von bis zu 480 Megabit pro Sekunde. Auch der maximal zur Verfügung stehende Strom wurde von 100 mA auf 500 mA erhöht.

Die Spezifikation für USB 3.0 (mittlerweile als USB 3.1 Gen1 bezeichnet) erschien im Jahr 2008 und steigerte die maximale Datenrate auf bis zu fünf Gigabit pro Sekunde. Die Stromstärke wurde von 500 mA auf 900 mA angehoben. Mit USB 3.0 wurden auch neue Stecker mit zusätzlichen Leitungen eingeführt. Im Jahr 2013 wurde USB 3.1 (mittlerweile als USB 3.1 Gen2 bezeichnet) mit einer maximalen Datenrate von zehn Gigabit pro Sekunde und einer maximalen Stromstärke von fünf Ampere vorgestellt. 2017 folgte mit USB 3.2 eine weitere Spezifikation. Sie erlaubt maximale Datenraten von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde. Die neueste Spezifikation des Universal Serial Bus ist USB4 (teilweise auch als USB 4.0 bezeichnet) aus dem Jahr 2019. Die Spezifikation vereint USB 3.2 und Thunderbold 3 von Apple in einem einzigen Standard und bietet maximale Datenraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde.

Stecker und Kabeltechnik des Universal Serial Bus

Der Universal Serial Bus bietet eine große Anzahl verschiedener Steckverbindungen. Am häufigsten werden die USB-A- und USB-B-Stecker verwendet. Grundsätzlich sind alle Steckertypen vertauschungs- und verpolungssicher. Für einige Geräte wie Smartphones existieren zudem spezielle miniaturisierte Steckverbindungen. Im Folgenden ein kurzer Überblick über die verschiedenen Steckverbindungen:

USB-A-Steckverbindungen:
Typischer Einsatzbereich der Typ-A-Steckverbindungen sind Tastaturen, Speichersticks oder Computermäuse. Es handelt sich um flache, rechteckige Stecker mit vier Leitungen plus Schirm. Es existiert zudem 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 Drucker zu finden. Die Steckverbindungen sind annähernd quadratisch und besitzen vier Leitungen plus Schirm. Es existiert zudem eine Typ-B-Variante für USB 3 mit mehr Leitungen.

USB-C-Steckverbindungen:
Die miniaturisierte USB-C-Steckverbindung wurde 2014 eingeführt und ist mit den vorherigen Steckverbindertypen nicht kompatibel. Sie lässt sich beidseitig einstecken und unterstützt alle vorherigen Übertragungsspezifikationen bis USB 3.1 mit Datenraten von bis zu zehn Gigabit pro Sekunde.

USB-Mini-A- und -Mini-B-Steckverbindungen:
Es handelt sich um eine miniaturisierte 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.

Die für den Universal Serial Bus verwendeten Kabel sind abhängig von der genutzten Spezifikation und der maximalen Geschwindigkeit unterschiedlich geschirmt. Der Wellenwiderstand der Kabel beträgt 90 Ohm. Kabel für niedrigere Datenraten sind aufgrund der reduzierten Schirmung in der Regel flexibler und kommen beispielsweise an Geräten wie Computermäusen oder Tastaturen zum Einsatz. Für hohe Datenraten sind Full- oder High-Speed-Kabel zu verwenden. 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 zu verlängern.

Anwendungen für den Universal Serial Bus

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

• externe Speichergeräte wie Festplatten

• externe Laufwerke wie DVD- oder CD-Laufwerke

• Drucker

• Scanner

• Multifunktionsgeräte

• Digitalkameras

• Smartphones

• Tablets

• Webcams

• Tastaturen

• Computermäuse

• Lautsprecher

• externe Modems

Der Universal Serial Bus ist an einigen elektrischen oder elektronischen Geräten zu finden, an denen er nur zur Energieversorgung quasi als Stromanschluss oder Netzteilanschluss genutzt wird. Die Übertragung von Daten ist in diesen Implementierungen nicht möglich. Die Datenleitungen sind an den Gerätebuchsen bei diesem Anwendungsszenario meist gar nicht belegt.

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