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Der Universal Serial Bus (USB) [ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈsɪɹiəl bʌs] ist ein serielles Bussystem zur Verbindung eines Computers mit externen Geräten. Mit USB ausgestattete Geräte oder Speichermedien können im laufenden Betrieb miteinander verbunden (Hot-Plugging) und angeschlossene Geräte und deren Eigenschaften automatisch erkannt werden.

Inhaltsverzeichnis 1 Überblick 2 Einsatzgebiete von USB 3 Geschichte und Entwicklung 4 Übertragungstechnik/Spezifikation 4.1 Die verschiedenen Host-Controller 4.2 Einstellungen und Schnittstellen 4.3 Geräteklassen 4.4 Übertragungsmodi 4.4.1 Endpunkte 4.4.2 Isochroner Transfer 4.4.3 Interrupt-Transfer 4.4.4 Bulk-Transfer 4.4.5 Control-Transfer 4.5 USB On-the-go 4.6 Wireless USB 4.7 Datenraten 4.7.1 Ausblick auf USB 3.0 5 Hardware 5.1 USB-Stecker und -Kabel 5.1.1 USB-Stecker 5.1.2 USB-Kabel 5.1.3 Farbkodierung und Pinouts 5.2 USB-Hubs 5.2.1 Allgemeines 5.2.2 USB 2.0 und Hubs 5.3 USB-Card-Bus 6 Software-Architektur 6.1 USB-Gerätetreiber 6.2 USB-Bustreiber 6.3 USB-Host-Controller-Treiber 6.4 Unterstützung in den Betriebssystemen 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 Einzelnachweise

[Bearbeiten] Überblick

USB ist ein bitserieller Bus, die einzelnen Bits des Datenpaketes werden also nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt symmetrisch über zwei verdrillte Leitungen, die eine überträgt das Datensignal unverändert, die andere das invertierte Signal. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungshub zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß, eingestrahlte Störungen werden weitgehend eliminiert. Das erhöht die Übertragungssicherheit, unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert damit die elektromagnetische Verträglichkeit. Zwei weitere Leitungen dienen zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Durch die Verwendung von nur vier Adern in einem Kabel können diese dünner und preiswerter als bei parallelen Schnittstellen ausgeführt werden. Eine hohe Datenübertragungsrate ist mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale mit identischem elektrischem und zeitlichem Verhalten übertragen werden müssen.

Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (Master) vor, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den sog. Slave-Clients) übernimmt. Daran können theoretisch bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einem USB-Port kann immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden. Wenn an einem Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen, muss deshalb ein Verteiler (Hub) für deren Kopplung sorgen. Durch den Einsatz von Hubs entstehen Baumstrukturen, die alle im Host-Controller enden.

Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein physischer Datenbus. Bei einem solchen werden mehrere Geräte parallel an eine Leitung angeschlossen. Die Bezeichnung „Bus“ bezieht sich auf die logische Vernetzung, die tatsächliche elektrische Ausführung erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

[Bearbeiten] Einsatzgebiete von USB

USB eignet sich für viele Geräte wie Massenspeicher (etwa Festplatte, Diskette, DVD-Laufwerk), Drucker, Scanner, Webcams, Maus, Tastatur, aber auch Dongles und sogar Grafikkarten und Monitore.^[1] Einige Geräte, zum Beispiel USB-Speichersticks, sind überhaupt erst mit USB entstanden. USB kann für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Mäuse, Telefone, Tastaturen, aber auch einige CIS-Scanner oder manche 2,5″-Festplatten die Stromversorgung übernehmen.

USB soll viele ältere externen PC-Schnittstellen ersetzen, sowohl serielle (RS-232, RS-422, RS-485, PS/2-Schnittstelle für Tastatur und Maus, Apple Desktop Bus), parallele (Centronics-Schnittstelle) als auch analoge (Gameport). Die alten Schnittstellen wurden dabei teilweise noch sehr lange an Mainboards und Notebooks angeboten, selbst als entsprechende Geräte schon lange nicht mehr angeboten wurden. Inzwischen sind als letzte auch die PS/2-Schnittstellen ausgestorben. Im industriellen Bereich werden jedoch teilweise noch RS-232 über ältere PCs oder Adapterkarten eingesetzt, da entsprechende USB-Adapter nicht echtzeitfähig sind. Mittlerweile hat USB auch PCMCIA-Slots und externe SCSI-Schnittstellen weitgehend verdrängt.

Im Vergleich zu den früheren Lösungen bietet USB deutlich höhere Datenübertragungsraten. USB überträgt seine Daten jedoch in Paketen, für manche zeitkritische Anwendungen ist er deshalb weniger geeignet – etwa bei nur mit wenigen Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde.

Seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich, dadurch ist USB zum Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Foto-Kameras geeignet. Bei externen Massenspeicherlösungen steht USB heute in Konkurrenz zu NAS, FireWire und eSATA.

[Bearbeiten] Geschichte und Entwicklung

Der universelle serielle Bus (USB 1.0) wurde vom Hersteller Intel entwickelt und 1996 im Markt eingeführt. Der Bus war zum Anschluss von Peripheriegeräten an den PC konzipiert. Er sollte die Nachfolge einer ganzen Reihe damals verwendeter PC-Schnittstellen antreten und diese vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auch andere Peripheriegeräte wie Drucker und Scanner mit ein. Massenspeicher – wie etwa Festplatten – wurden zwar von USB 1.0 unterstützt, wegen der maximalen Datenrate von 12 Mbit/s waren sie dafür aber nur sehr eingeschränkt zu gebrauchen.

Als einer der ersten Chipsätze unterstützte 1996 der ursprünglich für den Pentium Pro entwickelte und später für den Pentium II verwendete 440FX das USB-Protokoll, was vor Einführung der ATX-Mainboards jedoch kaum bis gar nicht beworben wurde. Die Haupursache hierfür dürfte zum einen in der magelhaften bzw. fehlenden Unterstützung von USB durch die damals verbreiteten Betriebssysteme Windows 95 und Windows NT 4.0 gelegen haben, zum anderen waren in der Anfangszeit auch kaum USB-Geräte verfügbar. 1998 wurde die Schnittstelle mit der Entwicklung des iMac bei der Firma Apple eingeführt. Bei diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen ADB.

Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der 1.0-Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit erhöhte sich nicht. USB 1.x war deshalb keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394), der von Anfang an (1995) eine Datenrate von bis zu 400 Mbit/s hatte und im April 2003 auf bis zu 3200 Mbit/s beschleunigt wurde.

Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 spezifiziert, die vor allem eine weitere Datenrate von 480 Mbit/s hinzufügte und so den Anschluss von Festplatten oder Videogeräten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt. Zu beachten ist hierbei allerdings, dass pro Anschluss zur Stromversorgung nur max. 500 mA (High Power) oder 100 mA (Low Power) zur Verfügung stehen. Das reicht für externe Festplatten meist nicht aus, weswegen oft ein externes Netzteil benötigt wird. Aktuelle 2,5″-Festplatten benötigen zum Beispiel einen Startstrom von über einem Ampere, der auch bei Anschluss der Festplatte über zwei USB-Ports außerhalb der Spezifikation liegt - wobei die 2-Stecker-Lösung gegen den Standard verstößt, da sich auf dem zweiten Stecker kein Gerät anmeldet und damit nicht sichergestellt ist, ob und wie viel Strom auf diesem Port entnommen werden kann.

Im September 2007 hat Intel eine Initiative zur Spezifikation von USB 3.0 gestartet. Zielsetzung ist es, eine zehnmal höhere Datentransferrate als bei USB 2.0 zu erzielen, dabei aber die Kompatibilität zu erhalten. Technische Details sind bisher nicht bekannt. Nach aktuellem Informationsstand zeichnet sich aber ab, dass die „Super Speed“ genannte Kommunikation über zwei Lichtleiter erfolgen wird, welche in die bisherigen USB-Stecker integriert werden sollen.

[Bearbeiten] Übertragungstechnik/Spezifikation

[Bearbeiten] Die verschiedenen Host-Controller

Die USB-Controller-Chips in den PCs halten sich an einen von drei etablierten Standards. Diese unterscheiden sich jeweils in ihrer Leistungsfähigkeit und der Implementierung von bestimmten Funktionen – entweder erledigt sie der Chip von selbst, „in Hardware“, oder der Gerätetreiber muss softwareseitig dafür sorgen. Für ein USB-Gerät sind die verwendeten Controller (fast) vollständig transparent, allerdings ist es für den Benutzer des PC mitunter wichtig, feststellen zu können, welche Art Chip der Rechner verwendet, um den korrekten Treiber auswählen zu können.

• Universal Host Controller Interface (UHCI) wurde im November 1995 von Intel spezifiziert. Die aktuelle Version des Dokuments trägt die Revisionsnummer 1.1. UHCI-Chips bieten Unterstützung für USB-Geräte mit 1,5 oder 12 Mbit/s Datenrate. Sie werden ausschließlich von den Herstellern Intel und VIA Technologies gebaut.
• Open Host Controller Interface (OHCI) ist eine Spezifikation, die gemeinsam von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt wurde. Version 1.0 des Standards wurde im Dezember 1995 veröffentlicht, die aktuelle Fassung trägt die Versionsnummer 1.0a und stammt von September 1999. Ein OHCI-Controller hat prinzipiell die gleichen Fähigkeiten wie seine UHCI-Pendants, erledigt aber mehr Aufgaben in Hardware und ist dadurch marginal schneller als ein UHCI-Controller. Dieser Unterschied bewegt sich meistens in Bereichen, die gerade noch messbar sind, daher kann man dies in der Benutzung vernachlässigen; Geräteentwickler müssen dies jedoch berücksichtigen. Bei den USB-Controllern auf Hauptplatinen, die nicht von Intel oder VIA stammen, und den USB-Controllern auf USB-PCI-Steckkarten, sofern sich darauf kein VIA-Chipsatz befindet, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um OHCI-Controller.
• Das Enhanced Host Controller Interface (EHCI) stellt die USB-2.0-Funktionen bereit. Das EHCI wickelt dabei nur die Übertragungen im Hi-Speed-Modus (480 Mbit/s) ab. Wenn man USB-1.1-Geräte an einen Port mit EHCI-Chip steckt, reicht der EHCI-Controller den Datenverkehr an einen hinter ihm liegenden UHCI- oder OHCI-Controller weiter (diese Controller sind typischerweise auf demselben Chip). Wenn kein EHCI-Treiber verfügbar ist, werden die High-Speed-Geräte ebenfalls an den USB-1.1-Controller durchgereicht und arbeiten dann mit langsamerer Geschwindigkeit, sofern dies überhaupt möglich ist.

[Bearbeiten] Einstellungen und Schnittstellen

Intern adressiert der USB-Controller die angeschlossenen Geräte mit einer sieben Bit langen Kennung, wodurch sich die 127 maximal anschließbaren Geräte ergeben. Die Adresse 0 wird automatisch von Geräten belegt, die ein Reset-Signal erhalten. Wenn an einem oder mehreren Ports neue Geräte detektiert werden, so schaltet der Host-Controller einen dieser Ports ein, sendet dem dort angeschlossenen Gerät einen Reset und versucht dann, das Gerät zu identifizieren. Danach teilt er dem Gerät eine eindeutige Adresse mit. Da immer nur ein Port mit noch nicht konfiguriertem Gerät aktiviert wird, kommt es zu keinen Adresskollisionen.

Der Host-Controller fragt meist zuerst nach einem Device-Deskriptor, der unter anderem die Hersteller- und Produkt-ID enthält. Mit weiteren Deskriptoren teilt das Gerät mit, welche alternativen Konfigurationen es besitzt, in die es von seinem Gerätetreiber geschaltet werden kann. Bei einer Webcam könnten diese Alternativen etwa darin bestehen, ob die Kamera eingeschaltet ist oder ob nur das Mikrofon läuft. Für den Controller ist dabei relevant, dass die unterschiedlichen Konfigurationen auch einen unterschiedlichen Strombedarf mit sich bringen. Ohne besondere Freigabe durch das Betriebssystem darf ein Gerät nicht mehr als 100 mA Strom verbrauchen.

Innerhalb einer Konfiguration kann das Gerät verschiedene Schnittstellen definieren, welche jeweils über einen oder mehrere Endpunkte verfügen. Unterschiedlicher Bedarf an reservierter Datenrate wird über so genannte Alternate Settings signalisiert. Ein Beispiel dafür ist eine Kamera (etwa eine Webcam), die in zwei verschiedenen Auflösungen Bilder senden kann. Das Alternate Setting 0 wird aktiviert, wenn ein Gerät keine Daten übertragen möchte und somit pausiert.

[Bearbeiten] Geräteklassen

Damit nicht für jedes Gerät ein eigener Treiber nötig ist, definiert der USB-Standard verschiedene Geräteklassen, die sich durch generische Treiber steuern lassen. Auf diese Weise sind USB-Tastaturen, -Mäuse, USB-Massenspeicher und andere Geräte mit ihren grundlegenden Funktionen sofort startklar, ohne dass erst ein Treiber installiert werden müsste. Herstellerspezifische Erweiterungen (die dann einen eigenen Treiber erfordern) sind möglich. Die Information, zu welchen Geräteklassen sich ein Gerät zählt, kann im Device-Deskriptor (wenn das Gerät nur einer Klasse angehört) oder in einem Interface-Deskriptor (bei Geräten, die zu mehreren Klassen gehören) untergebracht werden.

USB Geräteklassen ^[2]

Klasse	Verwendung	Beschreibung	Beispiele
00h	Gerät	Composite Device	Die Klasse wird auf Ebene der Interface Descriptoren definiert
01h	Interface	Audio	Lautsprecher, Mikrofon, Soundkarte
02h	Beides	Kommunikation und CDC-Kontrolle	Netzwerkkarte, Modem, Adapter für serielle Schnittstelle
03h	Interface	HID	Tastatur, Maus, Joystick, etc.
05h	Interface	PID	Physikalischer Feedback, z.B. für Force Feedback Joysticks
06h	Interface	Bilder	Digitalkamera
07h	Interface	Drucker	Laserdrucker, Tintenstrahldrucker
08h	Interface	Massenspeicher	USB Stick, Memory Card Lesegerät, MP3-Player
09h	Gerät	USB Hub	Full-Speed Hub, Hi-Speed Hub
0Ah	Interface	CDC-Daten	diese Klasse wird zusammen mit Klasse 02h verwendet
0Bh	Interface	Chipkarte	Chipkartenlesegerät
0Dh	Interface	Content Security	-
0Eh	Interface	Video	Webcam
0Fh	Interface	Personal Healthcare	Pulsuhr
DCh	Beides	Diagnosegerät	USB Compliance Testgerät
E0h	Interface	kabelloser Controller	Wi-Fi-Adapter, Bluetooth-Adapter
EFh	Beides	Diverses	ActiveSync Gerät
FEh	Interface	softwarespezifisch	IrDA-Brücke
FFh	Beides	herstellerspezifisch	der Hersteller liefert einen Treiber mit

[Bearbeiten] Übertragungsmodi

Der USB bietet den angeschlossenen Geräten verschiedene Übertragungsmodi, die diese für jeden einzelnen Endpunkt festlegen können.

[Bearbeiten] Endpunkte

USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten „Endpunkten“, gewissermaßen Unteradressen des Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit mehreren getrennten Funktionen (z. B. Webcams, die Video und Audio übertragen) haben mehrere Endpunkte. Die Übertragungen von und zu den Endpunkten erfolgen meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist deshalb ein IN- und ein OUT-Endpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des Hostcontrollers). Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Mode verwenden.

In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch weitere Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer den Control Transfer Mode.

Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: Den Control-Endpunkt (der eigentlich zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low-Speed-Geräte sind auf Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Mode mit maximal 8 Bytes pro Transfer beschränkt.

[Bearbeiten] Isochroner Transfer

Der isochrone Transfer ist für Daten geeignet, die eine garantierte Datenrate benötigen. Diese Transferart steht für Full-Speed- und High-Speed-Geräte zur Verfügung. Definiert das Alternate Setting einen Endpunkt mit isochronem Transfer, so reserviert der Host-Controller-Treiber die erforderliche Datenrate. Steht diese Datenrate nicht zur Verfügung, so schlägt die Aktivierung des Alternate Settings fehl, und es kann mit diesem Gerät keine isochrone Kommunikation aufgebaut werden.

Die erforderliche Datenrate ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und der Größe des Datenpuffers. Full-Speed-Geräte können jede ms bis zu 1023 Bytes je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kbyte/s), High-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 Bytes ausführen (24 Mbyte/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate entsprechend. Die Übertragung ist mit einer Prüfnummer (CRC16) gesichert, wird aber bei einem Übertragungsfehler durch die Hardware nicht wiederholt. Der Empfänger kann erkennen, ob die Daten korrekt übertragen wurden. Isochrone Übertragungen werden z. B. von der USB-Audio-Class benutzt, die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.

[Bearbeiten] Interrupt-Transfer

Interrupt-Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen, die zu nicht genau bestimmbaren Zeitpunkten verfügbar sind. Im Endpoint Descriptor teilt das Gerät mit, in welchen maximalen Zeitabständen es nach neuen Daten gefragt werden möchte. Das kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low-Speed 10 ms, bei Full-Speed 1 ms und bei High-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low-Speed können pro Abfrage bis zu 8 Byte, bei Full-Speed bis zu 64 Byte und bei High-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden. Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 800 byte/s bei Low-Speed, 64 kbyte/s bei Full-Speed und bis zu 24 Mbyte/s bei High-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfnummer (CRC16) gesichert und werden bei Übertragungsfehlern bis zu drei mal durch die Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse (Human Interface Device), zum Beispiel Tastaturen, Mäuse und Joysticks, übertragen die Daten über den Interrupt-Transfer.

[Bearbeiten] Bulk-Transfer

Bulk-Transfers sind für große Datenmengen gedacht, die jedoch nicht zeitkritisch sind. Diese Transfers sind niedrig priorisiert und werden vom Controller durchgeführt, wenn alle isochronen und Interrupt-Transfers abgeschlossen sind und noch Datenrate übrig ist. Bulk-Transfers sind durch eine Prüfnummer (CRC16) gesichert und werden durch die Hardware bis zu dreimal wiederholt. Low-Speed-Geräte können diese Transferart nicht benutzen. Full-Speed-Geräte benutzen Puffer-Größen von 8, 16, 32 oder 64 Bytes. High-Speed-Geräte verwenden immer einen 512 Byte großen Puffer.

[Bearbeiten] Control-Transfer

Control-Transfers sind eine besondere Art von Datentransfers, die einen Endpunkt erfordern, der sowohl In- als auch Out-Operationen durchführen kann. Control-Transfers werden generell in beide Richtungen bestätigt, so dass Sender und Empfänger immer sicher sein können, dass die Daten auch angekommen sind. Daher wird der Endpunkt 0 im Control-Transfer-Modus verwendet. Control-Transfers sind zum Beispiel nach dem Detektieren des USB-Geräts und zum Austausch der ersten Kommunikation elementar wichtig.

[Bearbeiten] USB On-the-go

Durch USB On-the-go (OTG) können entsprechend ausgerüstete Geräte direkt miteinander kommunizieren. Dadurch kann auf einen Computer, der die Host-Funktion übernimmt, verzichtet werden. Bei Geräten mit USB OTG übernimmt eines der beiden Endgeräte eine eingeschränkte Host-Funktionalität, die Geräte können deshalb miteinander kommunizieren. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise die Verbindung von Digitalkamera und Drucker oder der Austausch von Musikdateien zwischen zwei MP3-Spielern.

Gekennzeichnet werden USB-OTG-Produkte durch das USB-Logo mit zusätzlichem grünem Pfeil auf der Unterseite und weißem „On-The-Go“-Schriftzug. Die USB-OTG-Spezifikation wurde am 18. Dezember 2001 verabschiedet.

OTG-Geräte sind zum Beispiel die seit November 2007 erhältlichen Nokia 6500c und Nokia N810, aber auch einige sogenannte Image Tanks.

[Bearbeiten] Wireless USB

Momentan besetzen zwei Initiativen den Begriff „Wireless USB“. Die ältere der beiden wurde von der Firma Cypress initiiert, mittlerweile ist Atmel als zweiter Chiphersteller auf den Zug aufgesprungen. Das „Cypress-WirelessUSB“-System ist eigentlich kein drahtloses USB, sondern eine Technik, um drahtlose Endgeräte zu bauen, die dann über einen am USB angeschlossenen Empfänger/Sender (Transceiver) mit dem Computer verbunden sind. Dazu wird eine Übertragungstechnik im lizenzfreien 2,4-GHz-Band benutzt, die Datenrate beträgt bis zu 62,5 kbit/s (neuere Chips von Cypress erreichen 1 Mbit/s) und ist damit für Eingabegeräte völlig ausreichend, für andere Anwendungen aber oft zu knapp bemessen.

Das zweite Wireless-USB-Projekt wird von der USB-IF vorangetrieben und ist wesentlich anspruchsvoller, neben Intel ist auch NEC dabei entsprechende Chips zu entwickeln. Ziel ist es, eine Technik zu schaffen, mit der die vollen 480 Mbit/s des High-Speed-Übertragungsmodus drahtlos übertragen werden können. Dabei ist eine kurze Reichweite unter 10 m vorgesehen; die Übertragung soll auf einer Ultrabreitband-Technik basieren. Erste Geräte sind für 2008 in Deutschland zu erwarten. Am 16. Januar 2008 gab die Bundesnetzagentur für die Ultrabreitband-Technik Frequenzbereiche frei. ^[3] Der dabei für USB vorgesehene Bereich von 6–8,5 GHz ist jedoch nicht so breit wie von USB-IF spezifiziert, so dass Geräte aus anderen Ländern eventuell in Deutschland nicht verwendet werden dürfen.^[4]

[Bearbeiten] Datenraten

USB erlaubt es einem Gerät, mit 1,5 Mbit/s, 12 Mbit/s oder mit 480 Mbit/s Daten zu übertragen. Diese Raten basieren auf dem Systemtakt der jeweiligen USB-Geschwindigkeit und stellen die physikalische Datenübertragungsrate dar. Die Toleranzen werden für „USB 2.0“-Geräte und für die älteren USB 1.0/1.1 Geräte getrennt behandelt. Der tatsächliche Datendurchsatz liegt – durch Protokoll-Overhead – darunter. Im USB-Standard ist eine maximale theoretische Datenlast bei High-Speed unter idealen Bedingungen von 49.152.000 Byte/s (Isochronous Mode)^[5] beziehungsweise 53.248.000 Byte/s (Bulk-Mode)^[6] angegeben. Dazu kommt die Verwaltung der Geräte, so dass bei aktuellen Systemen eine nutzbare Datenrate in der Größenordnung von 320 Mbit/s (40 Mbyte/s) bleibt. Bei älteren Systemen wurde diese durch eine unzureichende Anbindung des USB-Chips an den Systembus zusätzlich reduziert.

Geschwindigkeit	Toleranz USB 3.0	Toleranz USB 2.0	Toleranz USB 1.0/1.1
Low-Speed (1,5 Mbit/s)	-	± 0,75 kbit/s	± 22,5 kbit/s
Full-Speed (12 Mbit/s)	-	± 6 kbit/s	± 30 kbit/s
High-Speed (480 Mbit/s)	-	± 240 kbit/s	–

Wird die Schnittstelle eines Geräts mit „USB 2.0“ angegeben, heißt das nicht unbedingt, dass dieses Gerät auch die hohe Datenrate von 480 Mbit/s anbietet. Standpunkt der Anbieter ist dabei, dass ein USB-2.0-kompatibles Gerät grundsätzlich jede der drei Geschwindigkeiten benutzen kann und die 2.0-Kompatibilität in erster Linie bedeutet, dass die neueste Fassung der Spezifikation eingehalten wird. 480 Mbit/s dürfen also nur erwartet werden, wenn ein Gerät mit dem Logo „Certified USB Hi-Speed“ ausgezeichnet ist.

Die Kommunikation bei USB wird vom Hostcontroller gesteuert, der heutzutage in der Regel auf dem Motherboard eines Computers verbaut ist. Nur dieser kann Daten von einem Gerät lesen oder zu einem Gerät senden. Ein Gerät darf nur dann Daten zum Hostcontroller senden, wenn es von diesem abgefragt wird. Bei zeitkritischen Datenströmen, wie etwa bei Mausbewegungen, muss sich der Hostcontroller häufig genug beim Gerät erkundigen, ob es Daten senden will, um ein Ruckeln zu verhindern.

Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten ist gemäß dem USB-Standard eigentlich nicht möglich; dies wurde erst durch die Erweiterung USB On-the-go gewissermaßen ermöglicht (die Geräte können hier wahlweise Host oder Endgerät sein, ein echter bidirektionaler Austausch ist damit aber nicht möglich). Der FireWire-Standard, der für ähnliche Einsatzzwecke wie USB geschaffen wurde und mit diesem in Konkurrenz steht, bietet im Gegensatz zu USB die Möglichkeit einer Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen Geräten, ohne dass die Steuerung durch einen Host erforderlich ist. Somit ist über FireWire etwa der Aufbau eines Netzwerks möglich.

[Bearbeiten] Ausblick auf USB 3.0

Derzeit entwickelt das USB Implementers Forum, dem unter anderem die Firmen HP, Microsoft und Intel angehören, die Spezifikation für USB 3.0. Diese soll im Laufe des Jahres 2008 fertiggestellt werden. Durch den Einsatz von Lichtwellenleitern sollen dabei Datenraten bis zu 5 Gbit/s möglich sein. Gleichzeitig sollen Kabel und Geräte abwärtskompatibel sein, da die optische Verbindung in die bislang genutzten USB-Steckverbindungen integriert werden soll. Erste Geräte, die USB 3.0 nutzen, werden voraussichtlich 2009 oder 2010 erhältlich sein.^[7]

[Bearbeiten] Hardware

[Bearbeiten] USB-Stecker und -Kabel

[Bearbeiten] USB-Stecker

USB-Stecker Typ A.

USB-Stecker Typ A. Deutlich zu erkennen sind die voreilenden äußeren Pins für die Versorgungsspannung.

Verschiedene USB-Stecker. Von links nach rechts: Typ A, Typ B, Typ Mini-B 5-polig (Standard), Typ Mini-B 4-polig (Mitsumi), Typ Mini-B 4-polig (Aiptek).

USB-Stecker mit Ferritkerndrossel als Mantelwellenfilter

Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs- und vertauschungssicher gestaltet. In Richtung des Hostcontrollers (Upstream) werden flache Stecker (Typ A „DIN IEC 61076-3-107“) verwendet. Zum angeschlossenen Gerät hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische Stecker (Typ B „DIN IEC 61076-3-108“) angeschlossen, vereinzelt auch mit Typ A-Steckern. Für Geräte mit geringerem Platzangebot (z. B. digitale Kameras) existieren auch kompaktere Steckervarianten, die Mini- und Micro-USB-Stecker. Derer gibt es je nach Gerätehersteller verschiedene Bauformen mit verschieden vielen Anschlusspins (bis zu 8, siehe Bild). Im USB-Standard verankert ist lediglich der fünfpolige Stecker (auf dem Foto in der Mitte abgebildet). Bei den Micro-USB-Steckern kommt ein Micro-A-Stecker (rechteckige Bauform, für die Host-Seite) und Micro-B-Stecker (Trapez-Bauform, für die Geräte-Seite) zum Einsatz.

Für den industriellen Einsatz gibt es noch (nicht offiziell standardisierte) USB-12-V und USB-24-V, bei denen neben dem USB-Typ-A-Stecker die Spannungsversorgung mitgeführt wird. Diese Stecker sehen nicht rechteckig aus, sondern mehr quadratisch (wie zwei Stecker in einem gemeinsamen Gehäuse, der USB-Teil ist unverändert USB Typ A). Mittels eines außen angebrachten Verpolungsschutzes wird verhindert, dass USB-12-V-Stecker in USB-24-V-Buchsen gesteckt werden können.

Speziell für Mobiltelefone und andere mobile Geräte wurde mit Micro-USB im Januar 2007 ein noch kleinerer Stecker vorgestellt. Dieser ermöglicht so eine besonders kompakte Bauform. Die Micro-USB-Spezifikation kann USB On-The-Go (OTG) unterstützen, was Verkabelung und Kommunikation auch ohne PC als Host ermöglicht.^[8]

[Bearbeiten] USB-Kabel

In einem USB-Kabel werden vier Adern benötigt. Zwei Adern übertragen dabei die Daten, die anderen beiden versorgen das angeschlossene Gerät mit einer Spannung von 5 V. Der USB-Spezifikation entsprechende Geräte dürfen bis zu 100 mA oder 500 mA aus dem Bus beziehen, abhängig davon, wie viel der Port liefern kann, an den sie angeschlossen werden. Geräte mit einer Leistung von bis zu 2,5 W können also über den Bus mitversorgt werden.

Die Kabel müssen je nach Geschwindigkeit unterschiedlich abgeschirmt werden. Kabel, die lediglich der Spezifikation low speed entsprechen, dürfen über keinen B-Stecker verfügen, sondern müssen fix am Gerät montiert sein oder einen herstellerspezifischen Stecker verwenden. Sie sind weniger stark abgeschirmt, kommen ohne verdrillte Adern aus und sind dadurch flexibler als Full/High-Speed Kabel. Sie sind daher gut für z. B. Mäuse und Tastaturen geeignet. Die geringe Abschirmung des Kabels kann zu Problemen bei Geräten mit höheren