Der Universal Serial Bus ( USB) ist ein 4-poliger, standardisierter I/O-Bus, der als serielle Schnittstelle für Computer-Ports dient. Die 1996 eingeführte USB-Schnittstelle hat als universelle Schnittstelle mehrere der vormals eingesetzten seriellen und parallelen Schnittstellen für Drucker, Maus, Modem, Tastatur, Scanner, Digitalkamera und andere Peripheriegeräte abgelöst. Die rasante Entwicklung der USB-Schnittstelle zeigt sich an den Datenraten und der Funktionsvielfalt der verschiedenen Versionen.
Die verschiedenen Versionen der USB-Schnittstelle
Moderne USB-Schnittstellen werden allen Anforderungen an die Datenraten moderner Peripheriegeräte wie externer Festplatten, Digitalkameras, Videokameras, Netzwerkkarten, Smartphones, Videokonferenz-Systemen und vielen anderen Komponenten gerecht. Betrug die Datenrate 1996 bei USB 1.0 1,5 Mbit/s und später in der Full-Speed-Version 12 Mbit/s, so wurde sie in der High-Speed-Version von USB 2.0 auf 480 Mbit/s erhöht. Es folgten die Super-Speed-Versionen USB 3.0 mit einer Datenrate von bis zu 5 Gbit/s und USB 3.1 mit bis zu 10 Gbit/s.
USB 1.0 wird mit einer Brutto-Datenrate von 1,5 Mbit/s als Low-Speed ( LS) bezeichnet. Diese Version arbeitet mit NRZ-I-Codierung und Bit-Stuffing. Über diese Schnittstelle können 188 kB/s übertragen werden. Die Full-Speed-Version ( FS) von USB 1.0 hat mit 12 Mbit/s eine 8-fach höhere Datenrate. Mit USB 1.0 wurde bereits das Aufladen von Batterien, USB Battery Charging ( USB-BC) eingeführt, das von allen USB-Versionen unterstützt wird.
USB 2.0 bringt es als High-Speed-Version ( HS) auf 480 Mbit/s. Sie hat arbeitet wie USB 1.0 mit NRZ-I-Codierung und Bit-Stuffing. Mit der Version 2.0 wird auch die Betriebsart On-the-Go ( OTG) eingeführt, mit der die Geräte direkt miteinander, und zwar ohne Personal Computer, kommunizieren können. Eine weitere Funktion, die mit USB 2.0 eingeführt wurde, ist die Energieversorgung externer Geräte, das USB Power Delivery ( USB-PD) mit dem Leistungen bis 100 W übertragen werden können.
Die Unternehmen NEC-Corp., Intel, Hewlett Packard, Microsoft, NXP und Texas Instruments haben mit der USB 3.0 Promoter Group die Weichen für eine schnellere USB-Version gestellt. Diese Promoter Group hat im November 2008 die Spezifikationen für USB 3.0, SuperSpeed USB, vorgestellt. USB 3.0 hat eine Datenrate, die 5 Gbit/s beträgt und damit dem Zehnfachen von USB 2.0 entspricht. Diese Datenrate erzielt USB 3.0 durch die 8B/10B-Codierung. Zur Kompensation der Kabeldämpfung benutzt USB 3.0 die Emphasis-Technik, für Fehlerkorrekturen die zyklische Blockprüfung ( CRC).
Mit der 2013 verabschiedeten Version USB 3.1 wird die Datenrate von USB 3.0 auf 10 Gbit/s verdoppelt. Diese Version nennt sich SuperSpeed+ und nutzt den beidseitig steckbaren USB- C-Stecker, über den auch USB Power Delivery (USB-PD) arbeitet. Parallel mit der Entwicklung der USB-Versionen erfolgte auch die Entwicklung der USB-Stecker, vom Standard-USB-Stecker über den Mini-USB-Stecker und den Micro-USB-Stecker bis hin zum USB-C-Stecker.
Die Datenübertragung von USB
Die USB-Schnittstelle ist als Plug-and-Play-Schnittstelle konzipiert. Peripheriegeräte können bei laufendem Betrieb angeschlossen und sofort genutzt werden. Das Hinzufügen oder Entfernen eines Gerätes erkennt die USB-Schnittstelle an der Belastung bzw. Entlastung der Abschlusswiderstände.
Die Datenübertragung innerhalb des USB-Systems erfolgt paketorientiert, wobei der Personal Computer oder ein USB-Hub die Steuerung und Verwaltung der Datenpakete übernimmt. Die Datenpakete, die den Datenverkehr zwischen USB-Schnittstelle und Peripheriegerät übernehmen, sind zeitlich begrenzt auf 1 ms. Jedes Datenpaket hat ein Start of Frame ( SOF) für die Anfangskennung und ein End of Frame ( EOF) für das Paketende.
Der Start of Frame (SOF) wird immer gesendet und dient auch dann zur Synchronisation, wenn kein Datenverkehr stattfindet. Die Kennung der Peripheriegeräte erfolgt über eine eigene ID-Nummer, den 8 Bit langen Proprietary Identifier ( PID). Darüber hinaus haben die Datenpakete zur Fehlererkennung eine 16 Bit lange zyklische Blockprüfung (CRC).
2019 hat das USB Implementers Forum ( USB-IF) die Spezifikation für USB4 veröffentlicht. USB4 basiert auf Thunderbolt, es benutzt den USB-C-Stecker und für die Stromversorgung USB-PD. Die USB-Variante kann den DisplayPort und den PCI-Express tunneln. Die Architektur definiert eine Hochgeschwindigkeitsverbindung mit mehreren Endgerätetypen, mit einer Datenübertragung von 20 Gbit/s. Die USB4-Spezifikation basiert auf der Spezifikation von Thunderbolt 3.
Die Entwicklung der USB-Schnittstelle
Bei drahtgebundenem USB erfolgt die Datenübertragung über ein spezielles USB-Kabel. Es handelt sich um ein vieradriges, ungeschirmtes (für 1,5 Mbit/s) oder geschirmtes Kabel, bei dem zwei verdrillte Adern (D-, D+) in symmetrischer Form die Differenzsignale übertragen. Die beiden anderen Adern dienen der Stromversorgung der Peripheriegeräte und können zum Aufladen von Geräteakkus benutzt werden. Diese Anwendung erfolgt mit USB Power Delivery (USB-PD), das fünf Profile für Leistungen zwischen 10 W und 100 W spezifiziert.
Neben der drahtgebundenen USB-Schnittstelle wurden von der Wireless USB Promoter Group Aktivitäten für die Entwicklung von Wireless-USB, einer drahtlosen USB-Technologie, ins Leben gerufen. Dieses Wireless-USB soll Daten mit bis zu einer Datenrate von 480 Mbit/s über eine Entfernung von 10 m übertragen können, basierend auf dem Funkstandard von Ultra Wideband ( UWB). Daneben, ebenfalls unter der Bezeichnung WirelessUSB, gibt es eine standardisierte Drahtlos-Technologie, die für Human Interface Devices ( HDI), im industriellen Bereich, in der Überwachungstechnik und in der PC-nahen Anbindung von Endgeräten eingesetzt werden kann. Dieses WirelessUSB arbeitet im ISM-Band mit einer Datenrate von 62,5 kbit/s.
An typischen USB-Komponenten sind der USB-Hub, die USB-Box, der USB-Token und USB-Stick zu nennen, wobei der USB-Stick als externe Speicherkomponente genutzt wird.