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universell seriebuss

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Universal Serial Bus ( USB ) [ ˌJuːnɪˈvɜːsl ˈsɪɹiəl bʌs ] är ett bit-seriellt dataöverföringssystem för anslutning av en dator till externa enheter. Enheter eller lagringsmedier utrustade med USB, till exempel USB -minnen , kan anslutas till varandra under drift ( hot plugging ) och anslutna enheter och deras egenskaper kan identifieras automatiskt. Före introduktionen av USB fanns det en mängd olika gränssnittstyper med en mängd olika kontakter för anslutning av tillbehör och kringutrustning till hem- och persondatorer . Nästan alla dessa gränssnittsvarianter har ersatts av USB, vilket har lett till förenklingar för användaren, men som delvis har perspektiviserats av det stora antalet olika USB -kontakter och uttag. USB introducerades som USB 1.0 1996 med en maximal dataöverföringshastighet på 12 Mbit / s. Version USB 2.0 specificerades år 2000, med 480 Mbit / s den version som fortfarande är mest utbredd idag. Med USB 3.1 Gen 2 -standarden introducerad 2014 är den maximala bruttoöverföringshastigheten för SuperSpeed ​​+ 10 Gbit / s. [1] 2017 specificerades USB 3.2 med en överföringshastighet på upp till 20 Gbit / s. [2] [3] Trots termen "buss" i termen "Universal Serial Bus" är USB en stjärntopologi .

USB -symbol
Nuvarande USB -logotyp
USB 3.0 Superspeed -logotyp

Översikt

USB överför data bit- seriellt , vilket innebär att de enskilda bitarna överförs en efter en. Överföringen sker differentiellt via ett symmetriskt [Not 1] trådpar: om den höga nivån ligger på den första tråden, då är den låga nivån på den andra och vice versa. Signalmottagaren utvärderar differentialspänningen vid ett avslutningsmotstånd . De två logiska tillstånden noll eller ett resultat från deras tecken. Differentialprocessen och användningen av vridna trådar eliminerar i stort sett utstrålad elektrisk störning. Detta ökar överföringssäkerheten och undertrycker störningar i vanligt läge . Data överförs i båda riktningarna (från och till kringutrustningen) med dataöverföringshastigheter på upp till 480 Mbit / s över samma trådpar; bara de snabbare lägen som introduceras med USB 3.0 kräver ytterligare trådpar. Ytterligare två ledningar försörjer anslutna enheter med energi. Genom att bara använda fyra ledningar i en kabel (lämplig för upp till 480 Mbit / s) kan den göras tunnare och billigare än med parallella gränssnitt . Jämfört med bitparallellanslutningar - som IEEE 1284 ("Centronics") - kan en hög dataöverföringshastighet uppnås med relativt liten ansträngning, eftersom flera signaler med samma elektriska beteende inte behöver överföras samtidigt.

Det finns en rad olika överföringshastigheter. Beroende på de krav som följer av applikationen kan den maximala dataöverföringshastigheten vara mellan 1,5 Mbit / s och nästan 20 Gbit / s (se avsnittet om datahastigheter ). Valet av den maximala dataöverföringshastigheten har en inverkan på olika parametrar, såsom implementeringsansträngning, val av kabelmaterial, kopplingstyper eller de använda signalspänningarna.

Den elektriska anslutningen är en direktanslutning (punkt-till-punkt-anslutning); USB blir bara ett bussystem över den fysiska nivån. [4] Bussen specifikationen föreskriver en central värdstyrenhet (master) som koordinater de anslutna perifera enheter (de så kallade slav klienter). I teorin kan upp till 127 olika enheter anslutas till den. Endast en USB -enhet kan anslutas till en USB -port. Om flera enheter ska anslutas till en värd måste en hub ( hub ) användas för att koppla dem. Naven skapar trädstrukturer som alla slutar i värdkontrollen.

Användningsområden för USB

USB är lämplig för många enheter som masslagringsenheter (t.ex. hårddiskar , disketter , DVD -enheter), skrivare , skannrar , webbkameror , möss , tangentbord , aktiva högtalare , men även donglar och till och med grafikkort och bildskärmar . [5] USB kan ta över strömförsörjningen för enheter med låg strömförbrukning som möss, telefoner, tangentbord, men också till exempel CIS- skannrar eller några 2,5- tums hårddiskar och externa ljudkort .

Idag kan flera typer av enheter anslutas via USB, som var anslutna via ett stort antal olika gränssnittstyper före introduktionen av USB. De äldre typerna som har bytts ut är seriella ( RS-232 , PS / 2-gränssnitt för tangentbord och mus , Apple Desktop Bus ), parallella ( Centronics-gränssnitt ) och analoga ( spelport ) gränssnitt. De gamla gränssnitten erbjuds ibland fortfarande på vissa datorns moderkort och bärbara datorer, även om motsvarande enheter inte längre finns tillgängliga i butiker. Gamla enheter med sådana anslutningar som seriella 56k -modem eller parallella skrivare finns fortfarande på många ställen. Inom industrisektorn används RS-232 fortfarande ofta över äldre datorer eller adapterkort, eftersom motsvarande USB-adaptrar inte är i realtid och kringutrustning i denna miljö är mycket mer hållbar. Under tiden har USB i stort sett ersatt externa SCSI -gränssnitt.

Jämfört med de tidigare lösningarna erbjuder USB betydligt högre dataöverföringshastigheter. Data överförs dock i paket . Det är därför mindre lämpligt för vissa tidskritiska applikationer - till exempel för paket med bara några byte som minskar överföringshastigheten, eller när samlingen av byte för att fylla ett paket skulle fördröja överföringen.

Relativt höga dataöverföringshastigheter har varit möjliga sedan introduktionen av USB 2.0 -specifikationen. Detta gör USB lämplig för anslutning av andra typer av enheter som hårddiskar, TV -gränssnitt och fotokameror . När det gäller externa masslagringslösningar konkurrerar USB med FireWire och eSATA och har nästan helt ersatt dem, åtminstone i hemmet.

Universella ytterligare faktorer för tvåfaktorsautentisering kan också kommunicera med operativsystem eller webbläsare via USB, till exempel säkerhetstoken för den öppna U2F- standarden.

Historia och utveckling

USB 2.0 PCI -expansionskort
Gammal USB -logotyp

USB 1.0

Den universella seriebussen (USB 1.0) utvecklades av ett konsortium bestående av Compaq , DEC , Intel , IBM , Microsoft , NEC och Nortel och introducerades 1996. [6] Utvecklingsteamet som leddes av Ajay Bhatt på Intel gjorde viktiga bidrag. USB ersätter många tidigare PC -gränssnitt och standardiserade anslutningen för tangentbord och kringutrustning som skrivare , skannrar och externa masslagringsenheter.

1996 var 440FX, utvecklad för Pentium Pro och även använd med Pentium II , ett av de första chipset som stödde USB -protokollet, även om detta knappast annonserades innan ATX -moderkortet introducerades. En anledning var det dåliga USB -stödet från operativsystemen Windows 95 och Windows NT 4.0 . I början saknades också USB -enheter.

USB 1.1

År 1998 löste USB 1.1 -specifikationen fel och oklarheter i 1.0 -specifikationen och lade till avbrottsöverföringen . USB 1.x konkurrerade inte med Apples FireWire -standard (IEEE 1394) , som redan hade överfört 400 Mbit / s från 1995 och accelererats till 800 Mbit / s 2003. Ändå använde Apple gränssnittet i USB 1.1 -revisionen i iMac G3 som publicerades 1998 och ersatte därmed ADB .

USB 2.0

USB 2.0 specificerades år 2000. Detta gjorde en datahastighet på 480 Mbit / s möjlig. De använde produkter som hårddiskar och videoenheter från och med 2002. USB 2.0 stöds från Windows XP Service Pack 1 och från Windows 2000 Service Pack 4.

USB 3.0

2008 följde specifikationen för USB 3.0 SuperSpeed . Här överförs 5 Gbit / s. Detta är datahastigheten för 8b10b -linjekoden som används, som används för att koda 8 användbara databitar för överföring i 10 kanalbitar. Detta resulterar i en maximal bruttoöverföringshastighet på 4 Gbit / s. Den möjliga nettodatahastigheten ligger något under bruttodatahastigheten. För detta ändamål har nya pluggar, kablar och uttag introducerats, varav några är kompatibla med de gamla. [7]

Från juli 2011 integrerades USB 3.0 från AMD i A75 -kretsuppsättningen, så att inga ytterligare chips krävdes på moderkortet. Ytterligare chips ökar kostnaderna och ansträngningarna för moderkortstillverkare, så att integrering i chipset har bidragit avgörande till spridningen av USB 3.0. Ungefär ett år senare integrerade Intel också USB 3.0 i 7-seriens chipset.

USB 3.1

USB 3.1 -specifikationen som godkändes i juli 2013 fördubblade överföringshastigheten jämfört med USB 3.0 till 10 Gbit / s brutto. [8] Linjekoden, som är mer effektiv med 128b132b, möjliggjorde matematiska 1,2 GB / s. Detta ledde till ett namnbyte. USB 3.0 -specifikationen slogs samman med USB 3.1 -specifikationen och kallas nu USB 3.1 Gen 1 . Den snabbare SuperSpeed+ -standarden kallas också USB 3.1 Gen 2 . [9] [10]

USB 3.2

USB 3.2 fördubblar datahastigheten till upp till 20 Gbit / s med en USB-C-kontakt i varje ände av kabeln. Ett andra par ledningar i fullt trådbundna USB-C-kablar används parallellt. Namnet skiljer mellan USB 3.2 Gen 1 eller SuperSpeed ​​USB (5 Gbit / s), USB 3.2 Gen 2 eller SuperSpeed ​​USB 10 Gbps (10 Gbit / s) och USB 3.2 Gen 2 × 2 eller SuperSpeed ​​USB 20 Gbps ( 20 Gbit / s). Med hastigheterna 5 och 10 Gbit / s är detta bara ett nytt namn; tekniskt sett är det ingen skillnad på protokollen som används med USB 3.1. [11]

USB4

Specifikationen för USB4 [12] publicerades 2019. USB4 är den gemensamma efterföljaren till USB 3.2 och Thunderbolt 3. Thunderbolt-specifikationen överlämnades till USB-IF i början av 2019. Detta stöder nu trädliknande förgreningsstrukturer (hub topologi) , som det alltid har varit möjligt med USB med hjälp av hubbar . [13] Detta gjorde också USB-C-porten obligatorisk. Det finns ingen högre hastighet än Thunderbolt 3 (40 Gbit / s). USB4 Gen 3x2 är ny, också med en hastighet på 40 Gbit / s. Dessutom är denna hastighet endast valfri; minst 20 Gbit / s krävs. Det välkända stödet för PCI Express med Thunderbolt 3 är valfritt, liksom USB-PD. Endast USB4 -hubbarna måste behärska alla funktioner och är därför helt kompatibla med Thunderbolt 3 [14] .

Video Electronics Standards Association (VESA) godkände DisplayPort 2.0 (eller DisplayPort Alt Mode 2.0) bildöverföringsstandard med USB4 - med en överföringshastighet på upp till 77,37 Gbit / s via en USB -C -kabel. Detta är tillräckligt utan komprimering för 8 K videodata (7680 × 4320 pixlar) med 10 bitar per färgkanal och 60 Hertz repetitionsfrekvens. Med dataströmskomprimering (Display Stream Compression, DSC) är det tillräckligt för 16 K bilder (15360 × 8460) vid 10 bitar och 60 Hertz.

Strömförsörjning

Med USB 1.0 var det redan möjligt att leverera ström till anslutna enheter via USB -kabelanslutningarna. Den maximala prestandan var dock bara tillräcklig för enheter med låga energikrav (t.ex. en mus eller ett tangentbord), men inte för de flesta hårddiskar. Därför drivs USB -portar ibland utanför de angivna prestandagränserna. I synnerhet har en kort överbelastning av en USB -port, som uppstår när en hårddisk startar, vanligtvis inga konsekvenser i praktiken.

För att lösa problemen som uppstår med strömförsörjningen har högre versioner av USB -specifikationen skapat utökade alternativ för strömförsörjning, se följande tabell. Maxeffekten ökade till upp till 100 watt, tillräckligt för att ladda en bärbar dator, till exempel.

Specifikation Spänning Strömstyrka prestanda
Nominellt värde tillåtet Max. Max.
USB 1.0 / 1.1 (låg strömport) [15] 5 V 4,40-5,25 V a 0,1 A 00 0,5 W
USB 2.0 (port med hög effekt) 4,75-5,25V 0,5 A d 00 2,5 W.
USB 3.0 / 3.1 [16] 4,45-5,25V 0,9 A d 00 4,5 W.
USB-BC 1.2 (USB-batteriladdning) [17] 1,5 A 00 7,5 W b
USB typ C [17] 3 , 0 A 0 15,0 W c
USB-PD (USB Power Delivery) [17] 5, 12 eller 20 V. 5 , 0 A 100,0 W.
ett spänningsfall på upp till 4,40 V vid slutet av en USB -kabel är tillåtet; även 4,00 V tillåts bakom en passiv USB -hubb .
b Pluggarna är konstruerade för max 7,5 W. Kortslutna datalinjer signalerar en särskild laddningsanslutning ("Dedikerad laddningsport", "DCP" för kort) till laddningselektroniken och möjliggör en obestämd laddningshastighet. [18]
c Det förenklade förfarandet är konstruerat för upp till 7,5 W för normal och 15 W för aktiva kablar.
d En enhet får endast dra denna strömstyrka efter godkännande av värdkontrollanten. Fram till dess gäller en maximal ström på 0,1 A. [16]

USB -nätaggregat

USB -nätaggregat , som fungerar via USB -specifikationen, finns en laddningsport ( engelska Dedicated Charging Port (DCP)) , USB -enheten med laddningskontroller och integrerat batteri (t.ex. som mobiltelefoner ) kan användas för laddning, men i princip andra elektriska konsumenter. EU -initiativet för standardiserade USB -nätaggregat är i huvudsak baserat på batteriladdningsspecifikationen . [19] ( USB-batteriladdning eller USB-BC för kort). Strömmar på upp till 1,5 A tillhandahålls. [17]

För att kunna utforma USB -strömförsörjningsenheten, ofta en plug -in strömförsörjningsenhet, så enkelt som möjligt, valdes en lösning som minimerar genomförandet av strömförsörjningens sida: USB -enheter med en integrerad laddningsfunktionen känner igen en laddningsanslutning med ett motstånd som är placerat mellan båda datalinjerna D + och D− är anslutna i USB -nätaggregatet. Detta är möjligt eftersom USB -datalinjerna inte används för dataöverföring med en enkel USB -strömförsörjningsenhet. Om motståndet mellan de två datalinjerna D + och D− är mindre än 200 Ω - i det enklaste fallet kan de två linjerna också kortslutas - antar laddningskontrollen i USB -enheten att den är ansluten till en USB -laddningsanslutning (DCP) , vilket kan leverera minst 500 mA. [19]

Förutom den allmänna standarden för USB-laddningsanslutningen har flera egna USB-laddningsgränssnitt dykt upp, vilket i huvudsak möjliggör snabb laddning av energisugna mobila enheter som smartphones via USB. Vanliga USB -snabbladdningsgränssnitt på marknaden är de ömsesidigt inkompatibla processerna VOOC från Oppo Electronics och Quick Charge från Qualcomm samt USB Power Delivery (se följande avsnitt). Datalinjerna används för kommunikation mellan konsumentenheten och nätaggregatet.

Högre prestanda

Förutom 5 V-standarden kan enheter med en strömförbrukning på upp till 100 W drivas via en USB Type-C-kontakt utan extra strömförsörjning, t.ex. B. Skärmar , bläckstråleskrivare och högtalare . Denna specifikation är också känd som USB Power Delivery ( USB-PD ). [17] Olika profiler definierar möjliga strömmar (upp till 5 A) och möjliga spänningar. Förutom den tidigare vanliga spänningen 5 V, 12 V eller 20 V är möjliga. [20]

Spänningen på USB är alltid 5 V när en enhet är ansluten, men kan ökas till 12 V eller 20 V med hjälp av ett seriellt protokoll efter förhandlingar mellan enheten och värden. Den el som kan dras kan också ifrågasättas.

En annan grundläggande förändring är frisläppandet av flödesriktningen för energiförsörjningen. En dator kan driva en bildskärm precis som en bildskärm kan driva en dator. [21]

profil 0 +5 V. +12 V +20 V Användande
1 2,0 A. - - Standardprofil för idrifttagning, små mobila enheter, slutenheter, smartphones, mobiltelefoner etc.
2 1,5 A Surfplattor , små bärbara datorer, slutenheter
3: e 3,0 A. Små bärbara datorer, större enheter
4: e 3,0 A. Stora bärbara datorer, USB -hubbar , dockningsstationer
5 5,0 A. Arbetsstationer , nav, dockningsstationer

Profil 1 är den enda profilen som kan implementeras med de vanliga USB -kablarna. De högre profilerna kräver speciella kablar som är konstruerade för högre spänningar och strömmar.

Med USB Power Delivery 3.0 ersätts de stela profilerna med Power Rules. Detta gör att enheterna kan justera spänningen mer fint med hänsyn till maximal effekt.

Strömförsörjning för externa hårddiskar

USB Y -kabel
2 kontakt typ A till kontakt mini typ A
för anslutning av en extern hårddisk till två USB 2.0 -uttag

Externa 1,8-tums hårddiskar kräver vanligtvis driftströmmar runt 150 mA och startströmmar runt 400 mA. Sådana hårddiskar kan levereras med ström från en USB 2.0 -anslutning utan problem. Externa 2,5-tums hårddiskar kräver vanligtvis driftströmmar på 250 mA till 400 mA (från 2010) och startströmmar på 600 mA till 1100 mA. Även om strömmarna här kan överskrida det tillåtna värdet enligt USB 2.0 -specifikationen, fungerar sådana strömförbrukare vanligtvis fortfarande i praktiken eftersom portarna bara är överbelastade under en kort tid. I händelse av problem med särskilt kraftfulla hårddiskar, upp till cirka 2010 lyckades människor ofta få konsumenten dessutom försedd med ström från en andra port via en Y-kabel (vilket inte är tillåtet enligt USB-specifikationen), eller hårddiskarna hade en separat driftspänningsingång.

Externa 3,5-tums hårddiskar kräver vanligtvis ännu högre strömmar och en andra driftspänning på 12 V. Därför kan de bara försörjas via en USB-port i enlighet med specifikationerna med USB Power Delivery.

Överföringsteknik och specifikation

Värdkontrollant

Kommunikation med USB styrs av en värdkontroller, som idag vanligtvis installeras på datorns moderkort. Bara detta kan läsa data från en enhet eller skicka den till en enhet (undantag: se USB On-the-Go ). En enhet får bara skicka data till värdkontrollanten om den efterfrågas av den. Vid tidskritiska dataströmmar, till exempel musrörelser, måste värdkontrollanten undersöka enheten tillräckligt ofta för att förhindra att den ryker.

USB -styrenhetens chips i datorerna följer en av fyra etablerade standarder. Dessa skiljer sig åt i prestanda och genomförande av vissa funktioner. De kontroller som används är (nästan) helt transparenta för en USB -enhet, men det är ibland viktigt för PC -användaren att kunna avgöra vilken typ av chip datorn använder för att kunna välja rätt drivrutin.

Universal gränssnitt för värdkontroller
UHCI specificerades av Intel i november 1995. Den aktuella versionen av dokumentet har revisionsnummer 1.1. UHCI chips erbjuda stöd för USB-enheter med 1,5 eller 12 Mbit / s datahastighet i låg eller full hastighet. De byggs uteslutande av tillverkarna Intel och VIA Technologies .
Öppna gränssnittet för värdkontrollen
OHCI är en specifikation som utvecklats gemensamt av Compaq , Microsoft och National Semiconductor . Version 1.0 av standarden publicerades i december 1995. Den nuvarande versionen har versionsnumret 1.0a och är från september 1999. En OHCI -controller har i princip samma funktioner som sina UHCI -motsvarigheter, men gör fler hårdvaruuppgifter och är därför marginellt snabbare än en UHCI -controller. Denna skillnad är mestadels i områden som bara kan mätas, så det kan försummas i praktiken; Men moderkort- och drivrutinsutvecklare måste ta hänsyn till det. USB-kontroller på moderkort med icke-Intel- eller VIA-chipset och på USB PCI-plug-in-kort med icke-VIA-chipset är mycket sannolikt OHCI-styrenheter.
Förbättrat gränssnitt för värdkontroller
EHCI har USB 2.0 -funktioner. Den hanterar bara överföringar i Hi-Speed- läge (480 Mbit / s). Om du ansluter USB 1.1 -enheter till en port med ett EHCI -chip, vidarebefordrar EHCI -styrenheten datatrafiken till en UHCI- eller OHCI -styrenhet bakom (alla styrenheter finns vanligtvis på samma chip). Om det inte finns någon EHCI-drivrutin överförs Hi-Speed-enheter också till USB 1.1-styrenheten och arbetar sedan, så långt det är möjligt, med en lägre hastighet.
Utökningsbart gränssnitt för värdkontroller
XHCI -specifikationen 1.0 publicerades av Intel i maj 2010, xHCI -specifikationen 1.1 i december 2013 [22] och ger SuperSpeed -läget 4,0 Gbit / s (9,7 Gbit / s) utöver de överföringshastigheter som finns tillgängliga med USB 2.0 / s med USB 3.1).

Inställningar och gränssnitt

Internt adresserar USB-styrenheten de anslutna enheterna med en sju-bitars identifierare, vilket resulterar i den teoretiska övre gränsen för de 127 enheter som kan anslutas. Om en ny enhet detekteras vid en port, startar värdkontrollen den och skickar den anslutna enheten en återställning genom att ansluta båda datalinjerna till jordpotential i minst 10 ms. [23] Som ett resultat upptar enheten initialt adressen 0 och får sedan en unik adress från värden. Eftersom endast en port med en enhet som ännu inte har konfigurerats aktiveras vid varje tillfälle, finns det inga adresskollisioner.

Värdkontrollen frågar vanligtvis först efter en enhetsbeskrivning , som bland annat innehåller tillverkare och produkt -ID. Enheten använder ytterligare beskrivningar för att ange vilka alternativa konfigurationer den har till vilken den kan bytas av dess enhetsdrivrutin . När det gäller en webbkamera kan dessa alternativ vara om kameran är påslagen eller om endast mikrofonen är på. För regulatorn är det relevant att de olika konfigurationerna också kan resultera i skillnader i strömförbrukningen .

Inom en konfiguration kan enheten definiera olika gränssnitt , var och en med en eller flera slutpunkter . Olika krav på reserverade datahastigheter signaleras via alternativa inställningar . Ett exempel på detta är en kamera (t.ex. en webbkamera ) som kan skicka bilder i två olika upplösningar. Den alternativa inställningen 0 aktiveras när en enhet inte vill överföra data och därför pausar.

Enhetsklasser

Så att en separat drivrutin inte krävs för varje enhet definierar USB -standarden olika enhetsklasser som kan styras av generiska drivrutiner . På detta sätt kan USB -tangentbord , möss, USB -masslagringsenheter , kommunikationsenheter (" Communications Device Class ", kort CDC) och andra enheter med deras grundläggande funktioner användas omedelbart utan att du behöver installera en specifik drivrutin först. Tillverkarspecifika tillägg (som kräver egen förare) är möjliga. Informationen om vilken enhetsklass en enhet tillhör kan lagras i enhetsbeskrivningen (om enheten bara tillhör en klass) eller i en gränssnittsbeskrivning (för enheter som tillhör flera klasser).

USB -enhetsklasser [24]
klass använda sig av beskrivning Exempel
00 h Utrustning Komposit enhet Klassen definieras på gränssnittsbeskrivningsnivå
01 h gränssnitt Audio Högtalare , mikrofon , ljudkort , MIDI
02 h såväl som Kommunikation och CDC -kontroll Modem , nätverkskort , Wi-Fi- adapter
03 h gränssnitt Mänskligt gränssnitt Tangentbord , mus , joystick etc.
05 h gränssnitt Fysiskt gränssnitt Fysisk återkoppling, t.ex. för kraftåterkopplings joysticks
06 h gränssnitt bilder Digitalkamera , skanner
07 h gränssnitt skrivare Laserskrivare , bläckstråleskrivare
08 h gränssnitt Masslagring USB -minnen, hårddiskar, minneskortläsare, MP3 -spelare
09 h Utrustning USB -hubb Nav med full hastighet, nav med hög hastighet
0A h gränssnitt CDC -data denna klass används tillsammans med klass 02h
0B h gränssnitt Chipkort Chip kortläsare
0D h gränssnitt Innehållssäkerhet Fingeravtrycksläsare
0E h gränssnitt Video Webbkamera
0F h gränssnitt Personlig hälsovård Pulsmätare
10 timmar gränssnitt Ljud- / videoenheter AV -strömmande enheter
DC h såväl som Diagnosanordning USB -enhetstestningsenhet
E0 h gränssnitt trådlös handkontroll Bluetooth -adapter, Microsoft RNDIS
EF h såväl som Diverse ActiveSync -enhet
FE h gränssnitt mjukvaruspecifik IrDA -bron
FF h såväl som tillverkarspecifik tillverkaren levererar en förare

Överföringslägen

USB erbjuder de anslutna enheterna olika överföringslägen som de kan definiera för varje enskild slutpunkt.

Slutpunkter

USB-enheter har ett antal efter varandra numrerade slutpunkter, så att säga , deladresser till enheten. Slutpunkterna är tillgängliga på hårdvarusidan av enheterna och drivs av USB SIE ( Serial Interface Engine ). Dataströmmar som är oberoende av varandra kan köras genom dessa slutpunkter. Enheter med flera separata funktioner ( webbkameror som överför video och ljud ) har flera slutpunkter. Överföringarna till och från slutpunkterna är mestadels enriktade , så en IN- och en UT -slutpunkt krävs för dubbelriktade sändningar (IN och OUT hänvisar var till värdkontrollantens vy). Ett undantag från detta är slutpunkter som använder kontrollöverföringsläge .

Varje USB -enhet måste ha en slutpunkt med adressen 0, via vilken enheten känns igen och konfigureras; den kan också ta på sig andra funktioner. Slutpunkt 0 använder alltid kontrollöverföringsläget. En USB -enhet kan ha högst 31 slutpunkter: Kontrollens slutpunkt (som kombinerar två slutpunkter) och 15 in och 15 ut slutpunkter vardera. Låghastighetsenheter är begränsade till slutpunkt 0 plus högst två ytterligare slutpunkter i avbrottsöverföringsläge med högst 8 byte per överföring.

Isokron överföring

Den isokrona överföringen är lämplig för data som kräver en garanterad datahastighet . Denna typ av överföring är tillgänglig för enheter med full hastighet och hög hastighet. Om den alternativa inställningen definierar en slutpunkt med isokron överföring, reserverar värdkontrollerdrivrutinen den erforderliga datahastigheten. Steht diese Datenrate nicht zur Verfügung, so schlägt die Aktivierung des genannten 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 Millisekunde bis zu 1023 Byte je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kB/s), Hi-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 Byte ausführen (24576 kB/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate etwas, da jede Verbindung diese Datenrate anfordern kann. Allerdings ist man insbesondere bei Fullspeed schon nah an der maximalen Gesamtdatenrate (Fullspeed: ca. 81 %, Hi-Speed: ca. 49 %). Die Übertragung ist mit einer Prüfsumme ( 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 zum Beispiel von der USB-Audio-Class benutzt, die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.

Interrupt-Transfer

Maus mit USB-Anschluss

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 Hi-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low Speed können pro Abfrage bis zu 64 Bits, bei Full Speed bis zu 64 Byte und bei Hi-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden. Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 0,8 kB/s bei Low Speed, 64 kB/s bei Full Speed und 24576 kB/s bei Hi-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfsumme (CRC16) gesichert und werden bei Übertragungsfehlern bis zu dreimal durch die Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse ( Human Interface Device ), zum Beispiel Tastaturen , Mäuse und Joysticks , übertragen die Daten über den Interrupt-Transfer.

Bulk-Transfer

Bulk-Transfers sind für große und nicht zeitkritische Datenmengen gedacht, wie beispielsweise das Lesen oder Schreiben von Dateien auf einer USB-Festplatte. 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 Prüfsumme ( 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 Byte. Hi-Speed-Geräte verwenden immer einen 512 Byte großen Puffer.

Control-Transfer

Control-Transfers sind eine 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.

Datenraten

Logo für USB-Low-Speed- oder -Full-Speed-zertifizierte Geräte
Logo für USB-Hi-Speed-zertifizierte Geräte
Logo für USB-Hi-Speed-OTG-Geräte

USB erlaubt es einem Gerät, Daten mit 1,5 Mbit/s (Low Speed), 12 Mbit/s (Full Speed), 480 Mbit/s (Hi-Speed), 4 Gbit/s (SuperSpeed) oder 9,7 Gbit/s (Superspeed+) 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 , Bit-Stuffing und Verluste durch Turn-Around-Zeiten – um einiges darunter. Im USB-Standard ist für USB 2.0 eine maximale theoretische Datenlast bei Hi-Speed unter idealen Bedingungen von 49.152.000 B/s (Isochronous Mode) [25] beziehungsweise 53.248.000 B/s (Bulk-Mode) [26] angegeben. Dazu kommt die Verwaltung der Geräte, so dass bei aktuellen Systemen für USB 2.0 eine nutzbare Datenrate in der Größenordnung von 320 Mbit/s und für USB 3.0 2400 Mbit/s [27] bleibt. Bei älteren Systemen wurde diese durch eine unzureichende Anbindung des USB-Chips an den Systembus zusätzlich reduziert.

Name möglich
ab
max. Nutz-
Datenrate
Symbolrate
Modulation [28] [29]
Toleranz
USB
1.0/1.1
USB
2.0
USB
3.0
USB
3.1
USB
3.2
Low Speed USB 1.0 0,15 MB/s 1,5 M Bd
NRZI -Code mit Bit-Stuffing
±1,5 0 % ±0,05 % ? ? ?
Full Speed USB 1.0 1 MB/s 12 MBd
NRZI-Code mit Bit-Stuffing
±0,25 % ±0,05 % ? ? ?
Hi-Speed USB 2.0 40 MB/s 480 MBd
NRZI-Code mit Bit-Stuffing
±0,05 % ? ? ?
SuperSpeed USB 5Gbps [30]

(SuperSpeed)

USB 3.2 Gen 1 [30]
(früher nur USB 3.0, dann umbenannt in USB 3.1 Gen 1) [31]
400 MB/s 5.000 MBd
8b10b-Code
? ? ?
SuperSpeed USB 10Gbps [30]

(SuperSpeed +)

USB 3.2 Gen 2 [30] (früher nur USB 3.1, dann umbenannt in USB 3.1 Gen 2) [31] 900 MB/s 10.000 MBd
128b132b-Code
? ?
SuperSpeed USB 20Gbps [30]
USB 3.2 Gen 2x2 [30]
1.800 MB/s 2× 10.000 MBd
128b132b-Code
?

Anmerkungen zu dieser Tabelle:

  • Die Eigenschreibweise variiert: Low und Full Speed werden mit Leerzeichen getrennt, Hi-Speed mit Bindestrich (und High wird verkürzt zu Hi), SuperSpeed wird zusammengeschrieben.
  • SI-Präfixe sind dezimale Präfixe: 1 kbit = 10 3 bit, 1 Mbit = 10 6 bit, 1 Gbit = 10 9 bit, gleiches für Byte und Hz.
  • Bit-Stuffing: Nach 6 Eins-Bits wird 1 Null-Bit eingefügt.
  • USB 3.0 überträgt mit der Symbolrate 5 GBd, die effektive Datenrate nach 8b10b -Kodierung beträgt hier 4 Gbit/s. Die Bitrate ergibt sich aus der Symbolrate multipliziert mit den Bits je Symbol (0,8 bei 8b10b).
  • USB 3.1 überträgt mit der Symbolrate 10 GBd, die effektive Datenrate nach 128b132b-Kodierung beträgt hier 9,697 Gbit/s. Die Bitrate ergibt sich aus der Symbolrate multipliziert mit den Bits je Symbol (0,96968 bei 128b132b). [32]
  • Die theoretisch erzielbare Nettodatenrate liegt bei Hi-Speed um 11,3 Prozent (Bulk-Mode) und 18,1 Prozent (Isochron-Modus) unter der Bruttodatenrate. Bei Full Speed im Bulk-Mode liegt sie 19 Prozent unter der Bruttodatenrate. [33]
  • Real erzielbare Nettodatenraten liegen um mindestens 30 Prozent, meist aber um die 45 Prozent unter der Bruttodatenrate (reale Messungen an USB-2.0-Systemen).

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.

USB On-the-go

USB-OTG-Anordnung eines Android-Smartphones mit angeschlossenem USB-Stick und PC-Tastatur und -Maus. Zusätzlich ist eine externe Stromversorgung angeschlossen.

Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten, also ohne Beteiligung des zentralen Host-Controllers, war im USB-Standard ursprünglich nicht vorgesehen; diese wurde erst durch die Erweiterung USB On-the-go (OTG) eingeschränkt ermöglicht.

Durch USB On-the-go können entsprechend ausgerüstete Geräte kommunizieren, indem eines der beiden eine eingeschränkte Host-Funktion übernimmt. Typische Einsatzgebiete von USB OTG sind die Verbindung von Digitalkamera und Drucker oder der Austausch von Musikdateien zwischen zwei MP3-Spielern . Außerdem muss die OTG-Funktion bei manchen Handys manuell aktiviert werden, damit Dateien zwischen USB-Stick und Handy übertragen oder aufgerufen werden können.

Auch bei USB OTG ist die Kommunikation zentral von einem Host gesteuert. Im Gegensatz dazu bieten andere Kommunikationsmechanismen, etwa der FireWire -Standard, der für ähnliche Einsatzzwecke wie USB geschaffen wurde und mit diesem in Konkurrenz steht, die Möglichkeit einer Peer-to-Peer -Kommunikation zwischen Geräten ohne Beteiligung eines zentralen Hosts. Das bietet etwa die Möglichkeit, ein Netzwerk aufzubauen.

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-Telefone 6500c, N8, C7, N810, 808 PureView, das Samsung Galaxy S II [34] und andere Android - Smartphones sowie einige externe Festplatten zum direkten Anschluss an Digitalkameras.

Wireless USB

Logo für die zertifizierten Geräte aus dem Intel-Wireless-USB-Projekt

Momentan besetzen zwei Initiativen den Begriff „ Wireless USB “. Die ältere der beiden wurde von dem Unternehmen Cypress initiiert, mittlerweile ist Atmel als zweiter Chiphersteller auf den Zug aufgesprungen. Das „Cypress-WirelessUSB“-System ist 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 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 Hi-Speed-Übertragungsmodus drahtlos übertragen werden können. Dabei ist eine kurze Reichweite unter 10 m vorgesehen; die Übertragung soll auf einer Ultrabreitband -Technik basieren.

Am 16. Januar 2008 gab in Deutschland die Bundesnetzagentur für die Ultrabreitband-Technik Frequenzbereiche frei. [35] Der dabei für USB vorgesehene Bereich von 6 bis 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. [36]

USB 3

USB 3.0

Im November 2008 stellte das USB Implementers Forum , dem unter anderem die Unternehmen HP , Microsoft und Intel angehören, die Spezifikation für USB 3.0 vor. Im SuperSpeed -Modus wird eine Symbolrate von 5 Gbit/s verwendet, was aufgrund der ANSI-8b10b -Kodierung eine Bruttodatenrate von 500 MB/s ergibt. [37] [38] Durch ca. achtfach höhere Frequenzen auf den Datenleitungen sowie das verbesserte USB-Protokoll und die Vollduplex-Übertragung steigt die Bruttodatenrate von 60 MB/s auf 500 MB/s. Das stellt höhere Anforderungen an die Kabel.

USB-3.0-Kabel enthalten neben dem bisherigen Signal-Adernpaar (D+ / D−) und der Stromversorgung (GND, VBUS) zwei Signal-Adernpaare (SSTX+ / SSTX−, SSRX+ / SSRX−) sowie eine weitere Masseverbindung (GND). Das erfordert für USB 3.0 neue Stecker am Host und an angeschlossenen Geräten als auch neue Kabel. Diese Anschlüsse sind an der hellblauen Färbung erkennbar. Die Kabel sind durch die neuen Leitungen und die bessere Abschirmung (wie eSATA- oder CAT-5e-/6-Kabel) dicker und weniger flexibel. Es kann bei ungenügender Abschirmung der USB-3.0-Kabel zu Störungen im Rahmen derelektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) kommen, welche sich unter anderem im von Wireless Local Area Network (WLAN), Bluetooth oder drahtlose Hardware genutzten 2,4-GHz-Bereich auswirken. Dabei kommt es in der Nähe von USB-3.0-Geräten zu einer reduzierten Reichweite und zu vermehrten Übertragungsfehlern. Bei Mäusen und Tastaturen wird die Eingabe nicht auf dem Computer wiedergegeben. [39] [40]

Die Kompatibilität besteht in folgendem Sinne:

  • USB-3.0-Kabel können aufgrund der Anbauten nicht mit USB-2.0-Endgeräten benutzt werden – USB-3.0-Typ-B-Stecker sind nicht abwärtskompatibel .
  • USB-3.0-Kabel können an USB-2.0-Hosts benutzt werden, erfordern dann aber USB-3.0-Endgeräte.
  • USB-2.0-Kabel können an USB-3.0-Hosts benutzt werden.
  • USB-3.0-Endgeräte können an USB-2.0-Hosts angeschlossen werden. Ggf. gibt es Probleme, wenn diese mehr als 500 mA Strom aufnehmen (USB 3.0 erlaubt bis zu 900 mA, USB 2.0 nur bis 500 mA).
  • USB-2.0-Endgeräte können an USB-3.0-Hosts angeschlossen werden.

USB-3.0-Übertragungen finden aber nur statt, wenn alle drei Komponenten (Host, Kabel, Endgerät) USB-3.0-tauglich sind. Ansonsten wird auf USB 2.0 heruntergeschaltet:

USB-Version maximal mögliche
Geschwindigkeit
Hinweise
Host Kabel Endgerät
3 3 3 SuperSpeed (USB 3)
3 2 3 Hi-Speed (USB 2)
2 oder 3 2 2
2 2 oder 3 3 Hi-Speed (USB 2) Stromaufnahme beachten!
2 oder 3 3 2 nicht anschließbar

Unter Linux wird USB 3.0 ab Kernel-Version 2.6.31 unterstützt, und es war damit das erste Betriebssystem mit offiziellem USB-3.0-Support. [41]

Weitere Besonderheiten:

  • Die bei bisherigen USB-Standards übliche Reihumabfrage der Geräte ( Polling ) kann entfallen. Dadurch und durch neue Befehle können Geräte in die Energiesparmodi U0 bis U3 geschaltet werden.
  • Am USB-3.0-Port kann jedes Gerät 150 mA Strom (statt 100 mA wie bei USB 2.0) bis hin zu 900 mA auf Anforderung erhalten (USB 2.0 Low Power: 100 mA, USB 2.0 High Power: 500 mA).
  • Da USB-3.0-Hubs keinen Transaction Translator wie USB-2.0-Hubs (Hi-Speed) nutzen, hat man keinen Gewinn, wenn man mehrere USB-2.0-Geräte über einen USB-3.0-Hub an einen PC anschließt.
  • Ältere Treiber bleiben verwendbar, doch nur neuere Versionen unterstützen neue Strom sparende Betriebsarten.
  • Zu Hubs siehe USB 3.0 und Hubs

Anders als bei USB 2.0 dürfen sich Geräte nur „USB-3.0-kompatibel“ nennen, die den schnellstmöglichen Übertragungsmodus (SuperSpeed-Modus) anbieten. [27]

USB 3.1

Die USB-3.1-Spezifikation beschreibt

  • eine Geschwindigkeitsverdopplung gegenüber USB 3.0 auf 10 Gbit/s brutto
  • USB Power Delivery für Geräte mit bis zu 100 Watt Leistungsbedarf
  • passive Kabel ohne interne Elektronik
  • einen neuen, beidseitig steckbaren Steckverbindertyp („ USB Typ C “), der die Stromübertragung (Power Delivery) unterstützt
  • Adapter für ältere Buchsen zwecks Kompatibilität [42]

Da laut Video Electronics Standards Association (VESA) USB-3.1-Anschlüsse den DisplayPort -Standard unterstützen, kann man damit Displays mit 4K/Ultra-HD-Auflösung (3.840 × 2.160 Pixel) mit 60 Hz Bildwiederholungsrate betreiben. Verzichtet man auf die USB-3.1-Funktionen und nutzt alle Datenleitungen zur Übertragung des Videosignals, ist sogar 5K-Auflösung (5.120 × 2.880 Pixel) möglich. [43]

USB 3.2

  • ab 2017 bis zu 20 GBit/s; [2] [3] erste Geräte mit über 10 GBit/s ab 2018 [44]

Inter-Chip-USB (HSIC, SSIC)

HSIC ( englisch High-Speed Inter-Chip , USB 2.0 [45] ) und SSIC ( englisch SuperSpeed Inter-Chip , USB 3.0 [46] ) sind als Standard für USB-Chip-zu-Chip-Verbindungen spezifiziert. Sie basieren auf dem USB-Standard, es werden aber keine Kabel oder Hot-Plug-n-Play oder analoge Komponenten unterstützt. Die Länge der Datenleitungen darf maximal 10 cm betragen, die Signalpegel liegen bei 1,2 V ( LVCMOS ) statt 3,3 V; die Geschwindigkeit beträgt mindestens 480 Mbps. Auf der Treiberebene ist HSIC kompatibel zu USB.

HSIC bzw. SSIC ist eine Alternative zu Bussystemen wie I²C , I3C , SPI /Quad-SPI sowie proprietären Lösungen und bietet eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit als die erstgenannten. So sind beispielsweise USB-Ethernet-Chips mit HSIC-Schnittstelle verfügbar. Auch die ETSI -Spezifikation TS 102 600 definiert HSIC für die Verbindung zwischen SIM-Karte und dem Mobiltelefon. [47]

Hardware

USB-Stecker und -Buchsen

Mechanische Ausführung

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 Steckverbinder (Typ B „DIN IEC 61076-3-108“) angeschlossen (vereinzelt und nicht standardkonform auch mit Typ-A-Steckverbindern). Entsprechend den USB-1.1- bis 2.0-Standards besitzen USB-Typ-A- und Typ-B-Verbinder vier Leitungen plus Schirm. Beide Steckverbinder sollen in einer der drei Farben grau, „natur“ (elfenbeinfarben/weiß) oder schwarz ausgeführt werden. Mit USB 3.0 kommen neue Varianten der Typ-A- und Typ-B-Verbinder auf den Markt (siehe unten).

Die sich aus der Norm ergebenden Konstruktionsdetails können bei der Benutzung des Steckers, insbesondere bei häufigem Umstecken, zu Kontaktproblemen und Beschädigungen führen: Da keine Verschraubung der Buchsen und Stecker auf der Platine oder am Gehäuse vorgesehen ist, müssen sämtliche Kräfte, die bei Steckvorgängen oder Bewegungen auf Stecker und Buchse wirken, von den (wenig belastbaren) Lötstellen der Buchse aufgenommen werden. Aus diesem Grund, aber auch wegen des Mangels an Arretierungsmöglichkeiten , werden in der professionellen Datenverkabelung bevorzugt andere Schnittstellen eingesetzt.

Seit einiger Zeit sind auch Stecker und Buchsen vom Typ A und B mit Rändelschrauben erhältlich, die ein Herausrutschen verhindern. Allerdings muss das empfangende Gerät das auch unterstützen. Verschiedene Hersteller brachten vereinzelt mechanisch inkompatible Ausführungen von USB-Verbindern heraus, die sich jedoch elektrisch nicht von USB 1.x oder 2.0 unterscheiden, Beispiele dazu:

  • „UltraPort“ an einigen IBM-Thinkpads
  • 10-polige Modular-Buchsen (10P10C/RJ50) an den USVs von APC
  • Proprietäre USB-Verbinder an Microsofts Xbox
  • Klinkenstecker, der gleichzeitig als Audioverbinder dient, bei Apples iPod Shuffle

Nicht standardisierte Varianten

Varianten der Stromsteckverbinder
Spannung
(in V)
Belastbarkeit
(in W)
Farbkodierung
empfohlen alternativ
0 5 0 30 naturfarben (teilweise auch gelb) grau
12 0 72 blaugrün ( Pantone Teal 3262C) schwarz
19 114 violett schwarz
24/25 144 rot (Pantone Red 032C) schwarz

Für den industriellen Einsatz, insbesondere bei POS -Anwendungen wie etwa Kassensystemen , gibt es weitere USB-Stecker-Varianten mit deutlich höheren Strombelastbarkeiten von bis zu 6 A (3 A pro Kontakt). Diese Varianten wurden nicht vom USB-Konsortium standardisiert, sondern um 1999 in zum Teil lizenzpflichtigen Standards namens Retail USB , PoweredUSB , USB PlusPower oder USB +Power [48] von Unternehmen wie IBM, Microsoft, NCR und Berg/FCI. Technisch wird die höhere Strombelastbarkeit über vier zusätzliche Leitungen realisiert. Während clientseitig kein spezieller Stecker definiert ist (es gibt jedoch verschiedene Empfehlungen, teilweise mit unterschiedlichen Hotplug-Fähigkeiten), bestehen die Steckverbinder hostseitig aus einer Kombination aus einem mechanisch und elektrisch unveränderten USB-Typ-A-Stecker einerseits und einem hochstromfähigen vierpoligen Steckverbinder andererseits. Insgesamt sind sie ähnlich einem Stack von zwei USB-Buchsen annähernd quadratisch (siehe Abb. oben). Für die Stromsteckverbinder ist eine mechanische Arretierung zwischen Buchse und Stecker vorgesehen. Die Stromsteckverbinder gibt es in vier Varianten, wobei eine mechanische Kodierung verhindert, dass unterschiedliche Varianten zusammengesteckt werden können.

USB-3 Steckverbinder

Im Rahmen des im Jahr 2008 verabschiedeten USB-3.0-Standards wurden weitere sechs Steckverbindertypen mit zusätzlichen Kontakten definiert:

Diese unterteilen sich in je drei Steckverbinder, die als weitestgehend rückwärtskompatible Erweiterungen der bisherigen Typ-A- und Typ-B-Steckverbinder angesehen werden können (genannt: USB 3.0 Standard-A, USB 3.0 Standard-B und USB 3.0 Powered-B) sowie drei kleinere Verbinder, die sich an die bisherigen Micro-USB-Verbinder anlehnen (genannt: USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-AB und USB 3.0 Micro-B). Zur eindeutigen Kennzeichnung werden die bisherigen Steckverbinder nun als USB 2.0 Standard-A, USB 2.0 Standard-B, USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-AB und USB 2.0 Micro-B bezeichnet. Zur besseren Unterscheidung sollen die USB-3.0-Standard-A-Verbinder in der Farbe Blau (Pantone 300C) ausgeführt und gegebenenfalls mit einem doppelten S-Symbol gekennzeichnet werden.

Miniaturformen

Insbesondere für Geräte mit geringerem Platzangebot (digitale Kameras, Mobiltelefone, MP3-Player und andere mobile Geräte) existieren auch verschiedene kompaktere USB-Steckverbinder. Im USB-2.0-Standard verankert sind dabei lediglich fünfpolige Mini- und Micro-Varianten (plus Schirm), die gegenüber den normalen USB-Steckverbindern über einen zusätzlichen ID-Pin verfügen.

Mini-USB
Micro- und Mini-USB-Stecker

Zunächst wurde im Jahr 2000 ein trapezförmiger Mini-B-Steckverbinder für die Downstream-Seite definiert, der in der Farbe Schwarz ausgeführt werden sollte. Bei zukünftigen Geräten sollen Gerätehersteller jedoch auf die Micro-USB-Verbinder (siehe unten) ausweichen. [49] Auch Mini-A- (in weißer Farbe) und Mini-AB-Steckverbinder (in Grau) waren für eine gewisse Zeit Teil des Standards und sollten insbesondere in Verbindung mit USB On-the-Go (OTG) eine Rolle spielen, wurden jedoch im Mai 2007 offiziell zurückgezogen. [50] Die Kabel von Mini-B passen in den Anschluss von Mini-AB.

Micro-USB

Im Januar 2007 wurden mit der Standarderweiterung Micro-USB für USB 2.0 noch kleinere Steckverbinder vorgestellt, die eine besonders kompakte Bauform der Geräte ermöglichen. Die Micro-USB-Spezifikation kann USB On-the-Go (OTG) unterstützen. [51] Micro-USB-Steckverbinder sollen bei neueren Geräten in naher Zukunft (Stand: Januar 2009) den Mini-Verbinder komplett ersetzen, lediglich der relativ weitverbreitete Mini-B-Verbinder wird derzeit (Stand: Januar 2009) noch geduldet. Die Micro-USB-Verbinder sind elektrisch gleichwertig, mechanisch allerdings nicht steckkompatibel, dafür jedoch dank der im Standard geforderten Edelstahlkrampe deutlich stabiler ausgeführt. Gemäß USB-2.0-Standard gibt es drei Varianten, die genau wie bei Mini-USB allesamt fünfpolig ausgeführt sind: Micro-A (rechteckige Bauform, für die Host-Seite, Farbe Weiß), Micro-AB (rechteckige Bauform, für USB-On-the-Go-Geräte, Farbe Grau) und Micro-B (Trapez-Bauform, für die Geräteseite, Farbe Schwarz). Die Open Mobile Terminal Platform (OMTP) hat Micro-USB 2007 als Standardverbinder für den Datentransfer und die Energieversorgung von Mobilfunkgeräten übernommen, in China müssen Mobiltelefone seither mit dieser Schnittstelle ausgestattet werden, um eine Zulassung zu bekommen. [52] Mit USB 3.0 kommen neue Varianten der Micro-A-, AB- und -B-Steckverbinder auf den Markt (siehe unten).

Für Netzteile der Geräteklasse der Smartphones ist zur Eindämmung dieser Vielfalt seit 2011 durch die Europäische Norm EN 62684:2010 der Micro-USB-Stecker europaweit gefordert.

Weitere Miniaturformen

Daneben gibt es noch eine ganze Reihe proprietäre, das heißt geräteherstellerspezifische Miniaturbauformen der Steckverbinder (siehe auch erstes Bild der Galerie), die zwar in der Regel elektrisch mit USB 2.0 kompatibel sind, jedoch nur über teilweise schwer erhältliche Adapterkabel mit USB-Komponenten gemäß dem USB-Standard verbunden werden können. Fälschlicherweise werden jedoch auch diese Steckverbinder häufig als „Mini“-USB bezeichnet, was immer wieder zu Missverständnissen führt und vermieden werden sollte. Verbreitet sind unterschiedlichste Ausführungen mit

  • 4 Pins, insbesondere Varianten von Mitsumi, Aiptek, Hirose
  • 8 Pins in einer großen Zahl von Varianten, darunter mehrere inkompatible Varianten, die sich bei Digitalkameras in begrenztem Rahmen auch über Herstellergrenzen hinweg verbreitet haben
  • 11 Pins für ExtUSB für HTC -Mobiltelefone; kompatibel zu Mini-USB
  • 12 Pins für verschiedene Olympus-Digitalkameras und
  • 14 Pins in zwei Varianten für verschiedene Fuji-Finepix-Digitalkameras und als Nokias Pop-Port für manche Mobiltelefone. Diese vereinen zusätzlich zu den USB-Signalen noch andere (bei Digitalkameras z. B. Analog-Video und -Audio) im gleichen Konnektor. [53]
USB Typ C

Im August 2014 wurde die Spezifikation der neuen, mit bisheriger Hardware nicht kompatiblen Typ-C-Steckverbindung verabschiedet. [54] Die neue Steckverbindung ist punktsymmetrisch und kann in beiden möglichen Orientierungen eingesteckt werden. [55] [56]

Zudem unterstützt sie alle bisherigen Übertragungsspezifikationen inklusive USB 3.1 (bis zu 10 Gbit/s) und USB Power Delivery (maximal 100 W). [57] Ein weiterer Vorteil der Typ-C-Steckverbindung ist eine niedrige Bauhöhe und geringe Breite der Buchse von 8,4 mm, verglichen mit ca. 12,4 mm bei einer USB-3.0-Micro-B-Buchse, wie sie heute bei praktisch allen externen USB-3.0-Festplatten eingesetzt wird. Die Typ-C-Steckverbindung ist damit auch besser für portable Geräte wie Smartphones, Tablets oder Digitalkameras geeignet, in denen zuvor aus Platzgründen meist die USB-2.0-Micro-B-Buchse verwendet wurde. Darüber hinaus gibt es Adapter und passendes Zubehör, wie z. B. externe Festplatten. [58]

Spezifikationen

Mögliche Steckkombinationen (mechanisch unterstützt; gelb hinterlegt: nur USB-2-Geschwindigkeiten)
Buchsentyp Steckertyp
USB 2
Standard-A
USB 3
Standard-A
USB 2
Standard-B
USB 3
Standard-B
USB 3
Powered-B
USB 2
Mini-A
USB 2
Mini-B
USB 2
Micro-A
USB 2
Micro-B
USB 3
Micro-B
USB 3.1
Typ C
USB Type-A.svg USB 3.0 Type-A blue.svg USB Type-B.svg USB 3.0 Type-B blue.svg USB 3.0 Type-B Powered.gif USB Mini-A.svg USB Mini-B.svg USB Micro-A.svg USB Micro-B.svg USB 3.0 Micro-B plug.svg USB Type-C.svg
USB 2 Standard-A USB Type-A.svg Ja Ja Nein Nein Nein Nein Nein Nein Nein
USB 3 Standard-A USB 3.0 Type-A blue.svg Ja Ja
USB 2 Standard-B USB Type-B.svg Nein Ja
USB 3 Standard-B USB 3.0 Type-B blue.svg Ja Ja
USB 3 Powered-B USB 3.0 Type-B Powered.gif Ja Ja Ja
USB 2 Mini-AB USB Mini-AB receptacle.svg Nein Ja Ja
USB 2 Mini-B USB Mini-B.svg Nein Ja
USB 2 Micro-AB USB Micro-AB receptacle.svg Nein Ja Ja
USB 2 Micro-B USB Micro-B.svg Nein Ja
USB 3 Micro-B USB 3.0 Micro-B plug.svg Ja Ja
USB 3.1 Typ C Nein Ja
Gewährleistete Anzahl an Steckzyklen
Anschlusstyp USB-Version Mindestanzahl der Steckzyklen Anschlusstyp Mindestanzahl der Steckzyklen
Standard-USB USB 1.1–2.0 500 ×, später 1.500 × Zum Vergleich:
Standard-USB USB 3.0 Standard Class: 1.500 ×, High Durability Class: 5.000 × eSATA 5.000 ×
Mini-USB USB 2.0 5.000 × Firewire/IEEE 1394 1.500 ×
Micro-USB USB 2.0–3.0 10.000 ×
USB-C USB 2.0–3.1 10.000 × [57]
Abmessungen (in mm ) und Kombinationsmöglichkeiten
Stecker Steckerabmessungen erlaubte
Kabeltypen
A Typ A → Stecker B
→ Stecker Mini-B
→ Stecker Micro-B
B Typ B → Stecker A
USB 3.0 B USB 3.0 Typ B → Stecker USB 3.0 A
→ Stecker A
Mini-A
Mini-B Typ Mini-B → Stecker A
Micro-A Typ Micro-A → Stecker Micro-B
→ Buchse A (als Adapter)
Micro-B Typ Micro-B → Stecker A
→ Stecker Micro-A
USB 3.0
Micro-B
Typ USB 3.0 Micro-B → Stecker USB 3.0 A
→ Stecker USB 3.0 Micro-A [59]
USB 3.1
Typ C
→ Stecker USB 3.0 A
→ Stecker A

Verbreitet haben sich darüber hinaus diverse Varianten von Stiftleisten im Rastermaß von 2,54 Millimeter (= 100 mil ) auf PC-Mainboards, vorwiegend mit 1×4, 1×5 und 2×2 Stiften bzw. für Doppel-USB-Verbinder mit 2×4 oder 2×5 Stiften. Gab es zunächst mehrere zueinander inkompatible Belegungsvarianten, hat sich im Zuge neuerer Mainboard-Spezifikationen von Intel inzwischen eine bestimmte 2×5-polige Belegung etabliert, die auch mit USB-Flash-Modulen kompatibel ist.

USB-Kabel

USB-Verlängerungskabel (nicht in der USB-Spezifikation)
Kabelbelegung eines normalen USB-Kabels. Der Schirm wird mit dem Stecker-/Buchsengehäuse des Kabels verbunden. In den angeschlossenen Geräten ist der Schirm üblicherweise mit Masse verbunden.
USB-3.0-Kabel und Stecker-Typ-A-Kontaktbelegung

In einem USB-2.x-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 bis zu 2,5 W können also über den Bus versorgt werden. Je nach Kabellänge muss der Querschnitt der beiden Stromversorgungsadern angepasst sein, um den zulässigen Spannungsabfall einzuhalten; auch daher sind Verlängerungsleitungen nicht standardgemäß.

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-/Hi-Speed-Kabel. Sie sind daher gut für zum Beispiel Mäuse und Tastaturen geeignet. Die geringe Abschirmung des Kabels würde zu Problemen bei Geräten mit höheren Geschwindigkeiten führen.

Die Längen von Full-/Hi-Speed- und Low-Speed-Kabeln vom Hub zum Gerät sind auf fünf beziehungsweise drei Meter begrenzt. Längere Strecken kann man überwinden, indem USB-Hubs zwischengeschaltet werden. USB-Repeaterkabel entsprechen in ihren Funktionen einem Bus-Powered-Hub (su) mit einem einzigen Downstream-Port und einem fest angeschlossenen Kabel am Upstream-Port. Da die elektrischen Auswirkungen dieser Kabel im USB-Bus denen eines Bus-Powered-USB-Hubs mit fünf Meter Kabel entsprechen, müssen bei ihrer Verwendung zusätzlich die Beschränkungen beim Kaskadieren von USB-Hubs beachtet werden.

USB arbeitet mit einem Wellenwiderstand von 90 Ω. Direkte Verbindungskabel sollten daher auch in diesem Wellenwiderstandswert ausgeführt sein. Für die Überbrückung von Längen über 30 Metern werden USB-Line-Extender angeboten. Diese bestehen aus zwei Komponenten: einem Base-Modul, das an den Computer angeschlossen wird, und einem Remote-Modul für den Anschluss des USB-Gerätes. Zur Distanzüberbrückung zwischen diesen beiden Komponenten werden meist Ethernetkabel oder Lichtleiter eingesetzt. Da sich diese Line-Extender jedoch immer auf bestimmte, nicht vom Standard vorgeschriebene Verhaltensdetails der angeschlossenen Geräte verlassen und zudem bei langen Kabelstrecken die Signallaufzeit zu Protokollverletzungen führt, ist der Einsatz dieser Geräte oft mit Problemen verbunden.

Eine andere Möglichkeit, USB-Geräte weiter entfernt vom Rechner anzuschließen, sind Lösungen, die einen „remote host“ verwenden, also einen USB-Hostcontroller, der außerhalb des PCs liegt. Dabei geschieht die Kommunikation zwischen PC und Hostcontroller zum Beispiel über Ethernet . Das Ethernet ersetzt dabei den lokalen Bus, an dem sonst der Hostcontroller angeschlossen wäre. Auf dem PC muss also nur ein entsprechender Treiber installiert werden, der die Kommunikation mit dem Hostcontroller übernimmt. Treiber für die USB-Geräte erkennen dann keinen Unterschied zu einem lokal angeschlossenen Gerät. Beispiele für ein solches Gerät sind der USB-Server von Keyspan und die USB-Fernanschlussfunktion einer Fritz!Box .

Kontaktbelegung und Adernfarben

Der USB-Standard legt neben der Belegung der Stecker auch die Namen der einzelnen Signale fest, für die Aderfarbe werden nur Empfehlungen gemacht. Tatsächlich variieren die verwendeten Aderfarben von Hersteller zu Hersteller. Die Nummer eines Stecker-Pins kann in den oben angeführten Schemazeichnungen abgelesen werden.

USB-Standardstecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern
Standardstecker A / B
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 GND Schwarz Masse
USB-Ministecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht. Es gibt noch Mini-AB-Buchsen, die sich automatisch umschalten. Mini-AB-Buchsen und Mini-A-Stecker sind aus der Spezifikation entfernt worden.

Ministecker/Microstecker
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 ID keine Ader erlaubt Unterscheidung von Micro-A- und Micro-B-Stecker:
Typ A: Masse ( On-The-Go ; [OTG]-Gerät arbeitet als Host)
Typ B: nicht verbunden (OTG-Gerät arbeitet als Peripherie)
5 GND Schwarz Masse
USB-3.0-Stecker Powered-B
USB 3.0 Standard / Powered [60]
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Stecker A Stecker B
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 Masse Schwarz Masse für +5 V
5 StdA_SSRX− StdB_SSTX− Blau Daten SuperSpeed, Sender, differentielles Paar −/+
6 StdA_SSRX+ StdB_SSTX+ Gelb
7 GND_DRAIN unisoliert Masse für Daten SuperSpeed; je eine Ader für jedes differentielle SuperSpeed-Paar, aber auf denselben Pin geführt [60]
8 StdA_SSTX− StdB_SSRX− Violett Daten SuperSpeed, Empfänger, differentielles Paar −/+
9 StdA_SSTX+ StdB_SSRX+ Orange
10 na DPWR keine Vorgabe Spannungsversorgung für Gerät (nur im Stecker USB 3 Powered-B)
11 na DGND keine Vorgabe Masse für DPWR (nur im Stecker USB 3 Powered-B)
Vollbeschaltetes USB-3.1-Typ-C-auf-Typ-C-Kabel
Typ-C-Stecker 1 Typ-C-Kabel Typ-C-Stecker 2
Pin Name Adernfarbe Name Beschreibung Pin Name
Gehäuse Schirm na Schirm Schirmgeflecht Gehäuse Schirm
A1, B1,
A12, B12
GND Verzinnt GND_PWRrt1
GND_PWRrt2
Masse A1, B1,
A12, B12
GND
A4, B4,
A9, B9
V BUS Rot PWR_V BUS 1
PWR_V BUS 2
V BUS Spannung A4, B4,
A9, B9
V BUS
B5 V CONN Gelb PWR_V CONN V CONN Spannung B5 V CONN
A5 CC Blau CC Konfigurationskanal A5 CC
A6 Dp1 Weiß UTP_Dp Ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar , positiv A6 Dp1
A7 Dn1 Grün UTP_Dn Ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar, negativ A7 Dn1
A8 SBU1 Rot SBU_A Seitenbandbenutzung A B8 SBU2
B8 SBU2 Schwarz SBU_B Seitenbandbenutzung B A8 SBU1
A2 SSTXp1 Gelb * SDPp1 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 1, positiv B11 SSRXp1
A3 SSTXn1 Braun * SDPn1 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 1, negativ B10 SSRXn1
B11 SSRXp1 Grün * SDPp2 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 2, positiv A2 SSTXp1
B10 SSRXn1 Orange * SDPn2 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 2, negativ A3 SSTXn1
B2 SSTXp2 Weiß * SDPp3 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 3, positiv A11 SSRXp2
B3 SSTXn2 Schwarz * SDPn3 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 3, negativ A10 SSRXn2
A11 SSRXp2 Rot * SDPp4 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 4, positiv B2 SSTXp2
A10 SSRXn2 Blau * SDPn4 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 4, negativ B3 SSTXn2
* Adernfarben für die geschirmten verdrillten Leitungspaare sind nicht vorgeschrieben
Steckerbelegung USB Typ C [61]
A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1
GND RX2+ RX2− VBUS SBU1 D− D+ CC1 VBUS TX1− TX1+ GND
GND TX2+ TX2− VBUS CC2 D+ D− SBU2 VBUS RX1− RX1+ GND
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

Probleme mit USB-Typ-C-Kabeln

Wie Anfang 2016 durch Pressemeldungen bekannt wurde, treten mit USB-Typ-C-Kabeln durch mangelhafte Fertigung und den daraus resultierenden Spezifikationsüberschreitungen vermehrt Probleme auf, die irreversible Schäden der daran angeschlossenen Geräte bewirken können. [62]

Es wurden inzwischen Webseiten veröffentlicht, die ungefährliche USB-Typ-C-Kabel auflisten. [63]

USB-Typ-C-Authentifizierungsprogramm

Die für das Marketing und die Spezifikationen des USB-Standards zuständige gemeinnützige Organisation USB-IF hat 2016 das USB Type-C Authentication Program angekündigt, das kryptografische Authentifizierung definiert. Durch die Authentifizierung soll Schaden an Geräten verhindert werden. [64]

USB-Hubs

4-Port-USB-Hub mit eigener Stromversorgung ( self powered , Netzteilbuchse rechts)

Ein USB-Hub ist ein USB-Gerät, welches das USB-Signal an mehrere Ports verteilt. Handelsüblich sind USB-Hubs mit bis zu sieben Downstream-Ports, vereinzelt sind aber inzwischen auch Hubs mit bis zu 28 Ports zu finden. [65] Hubs können ihren Strom aus dem Bus selbst beziehen (als Bus-Powered- oder passiver Hub bezeichnet) oder über eine eigene Stromversorgung verfügen (als Self-Powered- oder aktiver Hub bezeichnet).

USB-Umschalter

Ein USB-Umschalter (auch USB-Switch oder USB-Weiche genannt) ist ein Gerät zum Betrieb eines Peripheriegeräts an mehreren Rechnern ohne Umstecken. Dem Umschalter kann auch ein USB-Hub nachgeschaltet werden bzw. dieser sich im selben Gehäuse befinden.

Hier kann immer nur einer der Rechner auf die jeweiligen Peripheriegeräte geschaltet werden. Das erfolgt entweder durch einen manuellen Umschalter oder automatisch, bei letzterem löst z. B. das Einschalten eines Rechners und die damit einhergehende USB-Stromversorgung die Umschaltung aus.

USB-Card-Bus

USB-2.0-CardBus-Controller

Der Cardbus -Standard [66] (PC Card Standard 5.0) wurde ursprünglich für PCMCIA-Karten als Datenspeichermedium entwickelt, unterscheidet sich aber vom PCMCIA -Standard durch eine völlig andere Architektur. Es sind auch Steckkarten mit CardBus-Controller am Markt erhältlich, die USB in CardBus umsetzen, so dass USB-Stecker beispielsweise auch an Mobilgeräten ohne integrierte USB-Schnittstelle verwendet werden können – sie sind aber auf den 32 Bit breiten CardBus beschränkt. Ein Nachrüsten bei Computern mit 16-Bit-Bus ist daher nicht möglich. [67] CardBus wurde vom neueren und leistungsfähigeren ExpressCard -Standard abgelöst.

Galvanische Trennung

In bestimmten Anwendungsbereichen, wie in industriellen Umgebungen oder in der Medizintechnik , kann es zur Vermeidung von problematischen Masseschleifen notwendig sein, eine galvanische Trennung zwischen verschiedenen USB-Geräten vornehmen zu müssen. Diese umfasst neben den Versorgungsleitungen der Schnittstelle mittels Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung auch die Datenleitungen. Da die Datenleitungen bis Hi-Speed (480 Mbit/s) bidirektional betrieben werden, ist für die galvanische Trennung der Schnittstelle eine entsprechende zusätzliche Kontrolllogik für die Steuerung der Treiberstufen nötig, die in integrierten Schaltungen zusammengefasst ist und als USB-Isolator bezeichnet werden. Dadurch reduziert sich bei USB-Isolatoren die erzielbare Datenrate. [68]

Software-Architektur

Alle USB-Transaktionen werden durch die USB-Software auf dem Host-Computer realisiert. Das geschieht durch den jeweiligen USB-Gerätetreiber, der mit seinem Gerät kommunizieren will. Der USB-Bustreiber ist die Schnittstelle zwischen dem USB-Gerätetreiber und dem USB-Host-Controller.

USB-Bustreiber

Der USB- Bustreiber (USB-Driver) kennt die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen USB-Geräte, zum Beispiel die Datenmenge pro Frame oder Abstände zwischen den periodischen Zugriffen. Er erkennt diese Eigenschaften beim Analysieren der Geräte-Deskriptoren während der Konfigurationsphase. Wenn der USB-Bustreiber ein IRP von einem USB-Gerätetreiber erhält, erzeugt er entsprechend dieser Anfrage einzelne Transaktionen, die innerhalb des Übertragungsrahmens (Frame) von einer Millisekunde ausführbar sind.

USB-Host-Controller-Treiber

Der USB-Host-Controller-Treiber ( host controller driver ) organisiert die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen (Scheduling). Dazu baut er eine Folge von Transaktionslisten auf. Jede dieser Listen besteht aus den noch nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung eines Gerätes, das am Bus angeschlossen ist. Sie definiert die Reihenfolge der Transaktionen innerhalb des 1-ms-Zeitrahmens. Der USB-Bustreiber kann eine einzelne Anfrage für einen Datentransfer in mehrere Transaktionen zerlegen. Das Scheduling hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren wie Transferart, Geräteeigenschaften und Busbelastung ab. Der USB-Host-Controller-Treiber löst die Transaktionen dann über den Root-Hub aus. Dieser setzt der Reihe nach alle Transaktionen um, die in der aktuellen Liste enthalten sind.

Unterstützung in Betriebssystemen

  • Amiga OS4.x unterstützt ab Version 4.0 USB 1.1. Seit dem AmigaOS4.1 Update3 unterstützt es auch USB 2.0.
  • Amiga OS3.x unterstützt standardmäßig kein USB. Lediglich mit Hard- und Software anderer Anbieter (Poseidon, Sirion, Anaiis) ist eine Anbindung von USB-1.1- und USB-2.0-Geräten möglich (mit breiter Unterstützung verschiedener Geräteklassen bei Poseidon). Bei Poseidon kann in Zusammenarbeit mit einer Flash-Rom-Karte sogar von USB-Massenspeichern gebootet werden. Ab Amiga OS4 wird – je nach Hardware – USB 1.1 und 2.0 unterstützt (kein USB 2.0 Hi-Speed, da der EHCI-Treiber noch fehlt). Unter AmigaOS 4 Classic kann jedoch alternativ auch Poseidon eingesetzt werden.
  • AROS enthält seit August 2009 eine quelloffene Portierung von Poseidon, der die alte Implementierung ersetzt. Es unterstützt OHCI/UHCI (USB 1.1) und EHCI (USB 2.0 Hi-Speed) sowie die meisten der in Poseidon für AmigaOS vorhandenen Gerätetreiber. Der Stack liegt (teilweise) im Kernel und es kann damit von USB-Massenspeichern gebootet werden.
  • Atari MiNT unterstützt standardmäßig kein USB, es sind jedoch für MiNT verschiedene Treiber in Entwicklung, die Add-on-Karten (wie EtherNAT, eine Kombination aus USB- und Ethernet Erweiterung für den Atari Falcon) unterstützen.
  • eComStation als Nachfolger von OS/2 bringt ebenfalls Unterstützung für USB 2.0 mit.
  • FreeBSD unterstützt ab Version 3.0 OHCI und UHCI Controller (USB 1.1), ab Version 5.2 EHCI (USB 2.0) und ab Version 8.2 auch XHCI (USB 3.x). Es existieren Treiber für USB-Geräte wie Tastatur, Maus, Drucker, TV-Receiver, Kameras, Ethernet, WLAN, Massenspeicher, Smartphones, serielle Schnittstellenadapter und viele mehr. In FreeBSD 8.0 erschien eine komplett neue USB-Implementierung, die die Treiber-Situation eine Weile beeinträchtigt hatte. In der aktuellen Version ist das Problem aber nicht mehr vorhanden.
  • Der Linux-Kernel unterstützt ab Version 2.2.7 (1999) USB-1.1-Controller. Seit der Kernelversion 2.4 sind Treiber für UHCI-, OHCI- (USB 1.1) und EHCI-Controller (USB 2.0) sowie Unterstützung für gängige USB-Endgeräte integriert. Die Unterstützung für EHCI-Controller in der Kernelversion 2.4 (2001) gilt jedoch als fehleranfällig und läuft erst ab Version 2.6 (2003) stabil. Weiterhin existieren Gadget-Treiber, damit kann ein Linux-basiertes System, das an einem USB-Host angeschlossen wird, selbst als USB-Gerät erscheinen, zum Beispiel als Massenspeicher, Netzwerkkarte oder serielle Schnittstelle. Ab der Version 2.6.31 (2009) wird auch USB 3.0 vom Linux-Kernel unterstützt. [69]
  • Mac OS unterstützt USB 1.1 ab Mac OS 8.1 (1998). Mit der Zeit wurde der Umfang an Geräten, die mit Klassentreibern unterstützt werden, deutlich erweitert; von Mac OS 8.5 (ebenfalls 1998) an werden die meisten üblichen Geräteklassen unterstützt.
  • macOS (von 1999 bis 2012 „Mac OS X“ bzw. bis 2016 „OS X“) unterstützt in allen Versionen USB 1.1 und ab Version 10.2.8 auch USB 2.0. Ab OS X 10.8 ( Mountain Lion , 2012) wird auch USB 3.0 auf entsprechend werkseitig ausgestatteten Macs unterstützt. Mit entsprechendem Treiber gibt es auch die Möglichkeit, Erweiterungskarten mit USB 2.0 und 3.0 unter früheren Mac-OS-X-Versionen zu nutzen.
  • MorphOS wird mit dem Poseidon -USB-Stack ausgeliefert mit voller Unterstützung von UHCI, OHCI und EHCI (nicht alle Treiber unterstützen isochronen Transfer).
  • MS-DOS und kompatible unterstützen USB standardmäßig nicht. USB-Tastaturen und USB-Massenspeicher sind über die Legacy - Emulation vieler moderner PC- BIOS -Versionen dennoch verwendbar, aber meist nicht Hotplug -fähig. Auch USB-Mäuse funktionieren meist mit für PS/2-Mäuse vorgesehenen Treibern, wenn der Legacy-Mode aktiviert ist. Für FreeDOS gibt es den „motto hairu“-Treiber, der USB 2.0 zur Verfügung stellt. Andere Hersteller bieten Spezialtreiber an, die aber viel konventionellen Speicher belegen und deshalb mit vielen DOS-Programmen nicht kompatibel sind.
  • NetBSD und OpenBSD unterstützen UHCI, OHCI und EHCI sowie gängige Endgeräte. NetBSD war 1998 das erste freie Betriebssystem mit USB-Unterstützung.
  • OS/2 Warp 4 unterstützt erst über den Aufrüstpack Warp 4.51 Convenience Pack 1 (vom Dezember 2000) USB 1.1. Dieser ist kostenpflichtig. Treiber-Aktualisierungen auf USB 2.0 sind ebenfalls verfügbar.
  • Palm OS unterstützt ab Version 3.2 USB als Kommunikationsplattform für HotSync , ab Palm OS 5 können (teilweise mit Zusatzprogrammen) auch Modemfunktionen über USB genutzt werden. Bestimmte PDAs (so bei Sony Clié) können mit der USB-Schnittstelle einen Massenspeicher emulieren.
  • QNX unterstützt ab der Version 6 UHCI, OHCI und EHCI, mit separat erhältlichen Treibern ist USB-Unterstützung auch in QNX4 nachrüstbar. Die mitgelieferten Treiber beschränken sich auf den HID-Bootmode, einige RS232- und Ethernet-Adapter sowie Massenspeicher.
  • Windows 95 hat ab OEM Service Release 2.1 eine rudimentäre Unterstützung von USB 1.0, die jedoch als so fehlerhaft gilt, dass eine Verwendung meist nicht möglich ist.
  • Windows 98 unterstützt USB 1.0, ab Windows 98 SE auch USB 1.1. USB 2.0 ist nur mit Treibern von Chipsatzherstellern möglich.
  • Windows Me unterstützt USB 1.1 und verfügt als einziges System der 9x -Serie über einen generischen Gerätetreiber für Massenspeicher. USB 2.0 ist nur mit Treibern von Chipsatzherstellern möglich. Im Gegensatz zu Windows 98 und 95 ist nach der Installation gerätespezifischer USB-Treiber kein Neustart erforderlich.
  • Windows NT 4.0 hat keinerlei USB-Unterstützung, von anderen Herstellern sind jedoch Systemerweiterungen dafür erhältlich. Gerätehersteller testen ihre Produkte selten mit derartigen Erweiterungen, deshalb gelten diese Systemerweiterungen nur für Spezialfälle als tauglich.
  • Windows 2000 (SP4), Windows XP (ab SP1), Windows Server 2003 , Windows Vista , Windows Server 2008 , Windows 7 und Microsoft Windows Server 2008 R2 unterstützen USB 1.1 und USB 2.0 und unterstützen generisch von Anfang an Massenspeicher. Weil der USB-Hostcontroller allerdings manchmal fehlerhaft erkannt wird, raten die meisten Hersteller dazu, die Treiber des Chipsatzherstellers zu installieren.
  • Windows 8 unterstützt USB 1.0, 1.1, 2.0, 3.0.
  • Windows 10 unterstützt USB 1.0, 1.1, 2.0, 3.0, 3.1. [70]

PCs können über das BIOS auch (älteren) Betriebssystemen ohne USB-Unterstützung die Verwendung von USB-Eingabegeräten wie Mäusen und Tastaturen ermöglichen. Dazu aktiviert man einen „USB Legacy Support “ (englisch für etwa „USB-Unterstützung für Altsysteme“), wodurch die USB-Geräte dem Betriebssystem gegenüber als PS/2-Geräte erscheinen. Die dazu nötigen Einstellungen heißen in jeder BIOS-Variante unterschiedlich, beispielsweise einfach „USB Keyboard Support“. Auch ein Starten von USB-Speichermedien wird von den meisten Firmware-Implementierungen ermöglicht. Unter Open Firmware auf Apple- Macintosh -Computern mit PowerPC-Prozessor gibt es z. B. ein Firmware-Kommando, womit von einem angeschlossenen USB-Massenspeicher gestartet werden kann. Auf PCs mit BIOS wird meist genau ein USB-Laufwerk (wie USB-Stick, USB-Kartenleser, USB-Festplatte, USB-Floppy) eingebunden; weitere USB-Laufwerke werden nur eingebunden, wenn das startende Betriebssystem selbst USB unterstützt. Ältere Firmware (auch BIOS bei Computern bis 1995) kann mit USB nicht umgehen. Bei aktueller Firmware kann angenommen werden, dass USB sowohl für Eingabegeräte (Tastatur, Maus) sowie für das Startmedium verwendet werden kann.UEFI beispielsweise unterstützte USB von Beginn an voll.

Sicherheitsprobleme

Auf der Black Hat 2014 erläuterten Karsten Nohl und Jakob Lell Sicherheitsrisiken von USB-Geräten. [71] [72] [73] [74] Viele USB-Controller-Chips in USB-Geräten lassen sich umprogrammieren. [73] Ein wirksamer Schutz vor einer Neubeschreibung besteht nicht, so dass sich ein scheinbar harmloses USB-Gerät als schädliches Gerät missbrauchen lässt. [73] Ein USB-Gerät kann:

  • eine Tastatur und Befehle im Namen des angemeldeten Benutzers emulieren, somit Malware installieren und angeschlossene USB-Geräte infizieren. [73]
  • sich als Netzwerkkarte ausgeben, die DNS -Einstellung im Computer ändern und Datenverkehr umleiten. [73]
  • beim Bootvorgang ein kleines Virus laden, welches das Betriebssystem vor dem Booten infiziert. [73]

Derartige Angriffe sind bisher schwer abwehrbar, da Malware-Scanner nicht die Firmware in USB-Geräten prüfen und die Verhaltenserkennung schwierig ist. [73] USB-Firewalls, welche nur bestimmte Geräteklassen blockieren, existieren noch nicht. [73] Einen gewissen Schutz bietet macOS beim Anstecken eines als Tastatur erkannten USB-Geräts, indem es fragt, ob man die Tastatur aktivieren will. Die sonst übliche Beseitigung von Malware – durch Neuinstallation des Betriebssystems – nutzt nichts, da ein USB-Speicher, von dem installiert wird, bereits infiziert sein kann. Andere USB-Geräte sind von der Neuinstallation des Betriebssystems ebenfalls nicht betroffen und enthalten die Malware daher immer noch. Zu beachten ist, dass USB auch als interne Schnittstelle zur Anbindung fest eingebauter Peripherie-Komponenten (etwa einer Webcam im Laptop-Deckel) verbreitet ist. [73]

Im Oktober 2014 stellten die Sicherheitsforscher Adam Caudill und Brandon Wilson auf der Konferenz DerbyCon eine modifizierte Firmware und Werkzeuge zur Schadensbehebung vor. [75]

USB als standardisierte Spannungsquelle

USB-Ladesteckdose im Solaris Urbino 12 electric

Des Weiteren wird USB teilweise als standardisierte Spannungsquelle eingesetzt. So haben sich im Jahr 2009 namhafte Mobiltelefonhersteller auf Druck der EU-Kommission darauf geeinigt, Micro-USB als Standard-Gerätebuchse für den Ladekontakt einzusetzen. [76] Vereinzelt haben Hersteller anderer elektronischer Kleingeräte wie kompakter Digitalkameras nachgezogen – im Bereich der (tragbaren) Medienabspielgeräte (insbesondere bei MP3-Playern ) war ein Aufladen via USB-Schnittstelle schon zuvor verbreitet.

Der USB-Standard sieht vor, dass Geräte zunächst im Low-Power-Modus (100 mA oder 150 mA) starten und bei höherem Strombedarf diesen erst vom Host anfordern, bevor sie den normalen Modus schalten. Das können bei USB 2.0 bis zu weiteren viermal 100 mA, bei USB 3.0 bis zu weiteren fünfmal 150 mA sein. Schlägt diese Anforderung fehl, muss sich das Gerät abschalten. Die meisten der vorgenannten Geräte verwenden den USB-Anschluss jedoch ungefragt nur als Spannungsquelle und verstoßen gegen den USB-Standard, indem sie ohne Erlaubnis des Hosts mehr als 100 mA Strom beziehen. Das könnte im Extremfall den USB-Anschluss des Hosts beschädigen oder das Energiemanagement des Rechners durcheinanderbringen, was zu instabilem Verhalten führen kann. Sparsame 2,5-Zoll-Festplatten können meist mit 2,5 W (500 mA) an einem 2.0-USB-Port mit Adapter betrieben werden, größere 3,5-Zoll-Festplatten jedoch nicht. Weiterhin gibt es sparsame Notebook-CD/DVD/Bluray- Brenner , die am USB-Port betrieben werden können. Deren Stromaufnahme liegt jedoch insbesondere beim Brennen mit höheren Geschwindigkeiten mit teilweise permanent über 1000 mA weit außerhalb der USB-Spezifikation.

Mittlerweile gibt es Netzteile, die an einer USB-A-Buchse oder einem Kabel mit Micro-USB-B-Stecker 5 V zur Verfügung stellen. Der verfügbare Strom liegt meist bei 1000 mA (allgemein zwischen 500 und 2500 mA). Generell gilt bei Smartphones die USB-Battery Charging Specification als Referenz (dies ist nicht mit dem Energiemanagement zu verwechseln, das beim Enumeration-Prozess, beim Anschließen an einen USB-Host, stattfindet). Diese standardisiert die Beschaltung der Datenleitungen, damit es eine einheitliche Konfiguration gibt und möglichst alle Smartphones mit ein und demselben Netzteil geladen werden können. Allerdings halten sich nicht alle Smartphone-Hersteller an diese Vorgabe, so dass bestimmte Geräte nicht mit jedem Netzteil geladen werden können (z. B. Apple). Wenn ein Gerät nicht an einem dafür gebauten Netzteil, sondern an einem USB-Host (z. B. PC/Notebook) geladen wird, werden Befehle bzgl. des Energiemanagements während der Enumeration ausgetauscht. Letzteres ist notwendig, wenn das zu ladende Gerät sich exakt an den USB-Standard hält und nur den Strom entnimmt, der ihm genehmigt wurde. Ein bekannter Vertreter ist das iPhone : Es erkennt, dass es an einem Netzteil geladen wird, wenn bestimmte Spannungspegel an den Datenleitungen anliegen. An einem Rechner wird stattdessen über das Energiemanagement verhandelt, wie viel Strom das Gerät entnehmen darf.

Kurioses

USB-Spielzeug- Raketenwerfer , der auf Befehl kleine Schaumstoffraketen abfeuert
USB-Weihnachtsbaum

Auch ausgefallene Geräte sind auf den Markt gekommen, die USB vorwiegend zur Stromversorgung nutzen. Beispielsweise gibt es USB-Wärmeplatten, mit denen etwa eine Kaffeetasse über die USB-Schnittstelle warmgehalten werden kann, USB-Lampen für Notebooks , um die Tastatur zu beleuchten, USB-Tastatur-Staubsauger, USB-Ventilatoren, Rotoren mit LED-Lichteffekten, USB-Weihnachtsbäume oder beheizbare USB-Handschuhe, USB- Butt-Plugs , USB- Hörgerätetrockner [77] und USB-Pantoffeln.

Ajay Bhatt wurde aus der Gruppe der Entwickler des USB-Standards besonders hervorgehoben, als er in dem Werbespot Ajay Bhatt – The Real USB Rock Star! des Unternehmens Intel als Rockstar porträtiert wurde. [78] [79]

Literatur

  • Hans-Joachim Kelm: USB 2.0 . Franzis, Poing 2006, ISBN 3-7723-7965-6 .
  • Jan Axelson: USB Complete. Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals . 4. Auflage. Lakeview Research, Madison 2009, ISBN 978-1-931448-08-6 .
  • Bernhard Redemann: Steuern und Messen mit USB, Hard- und Softwareentwicklung mit dem FT232, 245 und 2232 . Eigenverlag, Berlin 2006, ISBN 3-00-017884-8 .

Weblinks

Wiktionary: USB – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : USB – Sammlung von Bildern

Anmerkungen

  1. Die Asymmetrie aufgrund der Pullup- und Pulldown-Widerstände, mit denen das Peripheriegerät die von ihm unterstützte Datenrate anzeigt, kann hier aufgrund der hohen Werte dieser Widerstände vernachlässigt werden; die Widerstandswerte liegen mehr als eine Größenordnung über dem Wellenwiderstand der Leitung.

Einzelnachweise

  1. usb.org ( Memento vom 14. Mai 2009 im Internet Archive )
  2. a b USB 3.2: Geschwindigkeit von USB-C auf 20 GBit/s verdoppeltHeise , am 27. September 2017
  3. a b Schnittstelle: USB 3.2 verdoppelt Datenrate auf 20 GBit/sGolem , am 26. Juli 2017
  4. USB (Universal Serial Bus). (Nicht mehr online verfügbar.) Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung, archiviert vom Original am 31. Dezember 2015 ; abgerufen am 12. November 2015 : „Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein physischer Datenbus.“
  5. DVI-Ausgang per USB nachrüstenHeise , am 5. Juni 2007
  6. 1394 Monthly Newsletter . Information Gatekeepers Inc ( google.at [abgerufen am 4. Januar 2019]).
  7. Sven Hesse: USB 3.0 kommt 2009 mit 4,8 Gbit/s angerast . ( Memento vom 20. Dezember 2008 im Internet Archive ) Allround-PC.com, 21. November 2008.
  8. USB 3.1: Startschuss für Entwickler. auf heise.de . 1. August 2013.
  9. Seth Colaner, Niels Broekhuijsen: All Things USB 3.1 And USB Type-C: An Explainer . tomshardware.com vom 27. August 2015.
  10. SuperSpeed USB. ( Memento vom 14. Mai 2009 im Internet Archive ) USB Implementers Forum, Inc., abgerufen am 3. Januar 2016.
  11. USB 3.2 oder «SuperSpeed USB 20Gbps» soll noch in 2019 kommen. 27. Februar 2019, abgerufen am 27. Februar 2019 .
  12. USB Promoter Group USB4 Specification. In: usb.org. 29. August 2019, abgerufen am 15. Mai 2020 .
  13. Florian Müssig: USB 4 bekommt Hub-Topologie. In: heise.de . 6. März 2019, abgerufen am 15. Mai 2019 .
  14. Florian Müssig: Spezifikation für USB 4 finalisiert. Abgerufen am 24. Januar 2021 .
  15. USB 2.0 ECN VBUS Max Limit.pdf
  16. a b Oliver Ehm: Stromversorgung für den USB-Anschluss . Com-Magazin.de, 22. Februar 2012.
  17. a b c d e USB-PD – USB Power Delivery. In: www.elektronik-kompendium.de. Abgerufen am 10. August 2018 .
  18. OVERVIEW OF USB BATTERY CHARGING REVISION 1.2 AND THE IMPORTANT ROLE OF ADAPTER EMULATORS , 2014
  19. a b Battery Charging Specification – Revision 1.2. USB Implementers Forum, 7. Dezember 2010, abgerufen am 12. September 2020 .
  20. usb.org @1 @2 Vorlage:Toter Link/www.usb.org ( Seite nicht mehr abrufbar , Suche in Webarchiven ) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  21. usb.org ( Memento vom 4. April 2016 im Internet Archive ) (PDF)
  22. eXtensible Host Controller Interface for Universal Serial Bus (xHCI). (PDF) Revision 1.1. Intel Corporation, 20. Dezember 2013, S. 500 , abgerufen am 22. September 2016 (englisch).
  23. USB-Spezifikation 2.0 Seite 153
  24. USB Class Codes ( Memento vom 2. April 2007 im Internet Archive ) . usb.org. 17. November 2009 (englisch)
  25. USB-Spezifikation 2.0, S. 46.
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  27. a b Benjamin Benz: Pfeilschnell – Die dritte USB-Generation liefert Transferraten von 300 MByte/s. In: c't . Nr. 22, 2008, S. 212.
  28. USB 2.0 Specification 2.0, 7.1.11 Data Signaling Rate
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