Einige Informationen, die Sie über USB wissen sollten

Dieser Artikel handelt vom Computerbus-Standard. Für andere Verwendungen siehe USB (Begriffsklärung) bekannt.

Universal Serial Bus (USB) ist ein Industriestandard, entwickelt von USB Implementers Forum (USB-IF), für die digitale Datenübertragung und Stromversorgung zwischen vielen Arten von Elektronikgeräten. Es spezifiziert die Architektur, insbesondere die physischen Schnittstellen, und Kommunikationsprotokolle zu und von Hosts, wie z. B. Personalcomputern, zu und von Peripheriegeräten, z. B. Displays, Tastaturen und Massenspeichergeräte, sowie zu und von zwischengeschalteten Hubs, die die Anzahl der Anschlüsse eines Hosts vervielfachen.[2]

Eingeführt im Jahr 1996, wurde USB ursprünglich entwickelt, um den Anschluss von Peripheriegeräten an Computer zu standardisieren und verschiedene Schnittstellen wie serielle Anschlüsse, parallele Anschlüsse, Game-Anschlüsse, und Apple Desktop Bus (ADB)-Anschlüsse.[3] Frühe Versionen von USB wurden auf einer Vielzahl von Geräten alltäglich, wie Tastaturen, Mäusen, Kameras, Druckern, Scannern, USB-Sticks, Smartphones, Spielkonsolen und Powerbanks.[4] USB hat sich seitdem zu einem Standard entwickelt, der praktisch alle gängigen Anschlüsse an Computern, Mobilgeräten, Peripheriegeräten, Netzteilen und vielen anderen kleinen elektronischen Geräten ersetzt.

Im neuesten Standard, dem USB-C Steckverbinder ersetzt viele Arten von Steckverbindern für Strom (bis zu 240 W), Displays (z. B. DisplayPort, HDMI) und viele andere Verwendungszwecke sowie alle bisherigen USB-Steckverbinder.

Stand 2024 besteht USB aus vier Generationen von Spezifikationen: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x, und USB4. Die USB4-Spezifikation verbessert die Datenübertragungs- und Stromversorgungsfunktionalität mit einer „verbindungsorientierten Tunneling-Architektur, die entwickelt wurde, um mehrere Protokolle auf einer einzigen physischen Schnittstelle zu kombinieren, sodass die Gesamtgeschwindigkeit und Leistung des USB4-Fabrics dynamisch gemeinsam genutzt werden können.“[2] Insbesondere unterstützt USB4 das Tunneln der Thunderbolt 3 Protokolle, nämlich PCI Express (PCIe, Load/Store-Schnittstelle) und DisplayPort (Display-Schnittstelle). USB4 fügt auch Host-zu-Host-Schnittstellen hinzu.[2]

Jede Spezifikations-Unterversion unterstützt unterschiedliche Signalisierungsraten von 1,5 und 12 Mbit/s Halbduplex in USB 1.0/1.1 bis 80 Gbit/s Vollduplex in USB4 2.0.[5][6][7][2] USB versorgt auch Peripheriegeräte mit Strom; die neuesten Versionen des Standards erweitern die Grenzen der Stromversorgung für das Laden von Akkus und Geräte, die bis zu 240 Watt benötigen, wie in USB Power Delivery (USB-PD) Rev. V3.1.[8] Im Laufe der Jahre wurde USB(-PD) als Standard-Stromversorgungs- und Ladeformat für viele mobile Geräte wie Mobiltelefone übernommen, wodurch die Notwendigkeit proprietärer Ladegeräte reduziert wurde.[9]

[Quelltext bearbeiten]

USB wurde entwickelt, um den Anschluss von Peripheriegeräten an Personalcomputer, sowohl zum Austausch von Daten als auch zur Stromversorgung. Es hat weitgehend Schnittstellen wie serielle Schnittstellen und parallele Schnittstellen und ist bei verschiedenen Geräten alltäglich geworden. Über USB angeschlossene Peripheriegeräte umfassen Computertastaturen und -mäuse, Videokameras, Drucker, tragbare Medienplayer, mobile (tragbare) digitale Telefone, Festplatten und Netzwerkadapter.

USB-Stecker haben zunehmend andere Arten von Ladekabeln für tragbare Geräte ersetzt.[10][11][12]

USB-Steckerschnittstellen werden in drei Typen unterteilt: die vielen verschiedenen legacy Typ-A (Upstream) und Typ-B (Downstream) Stecker, die in Hosts, Hubs und Peripheriegeräten zu finden sind, sowie den modernen Typ-C (USB-C) Stecker, der die vielen legacy Stecker als den einzigen anwendbaren Stecker für USB4 ersetzt.

Die Steckverbinder vom Typ A und Typ B gab es in den Größen Standard, Mini und Micro. Das Standardformat war das größte und wurde hauptsächlich für Desktop- und größere Peripheriegeräte verwendet. Die Mini-USB-Steckverbinder (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) wurden für mobile Geräte eingeführt. Sie wurden jedoch schnell durch die schlankeren Micro-USB-Steckverbinder (Micro-A, Micro-B, Micro-AB) ersetzt. Der Steckverbinder vom Typ C, auch als USB-C bekannt, ist nicht exklusiv für USB, ist der derzeit einzige Standard für USB, ist für USB4 erforderlich und wird auch von anderen Standards benötigt, darunter modernes DisplayPort und Thunderbolt. Er ist umkehrbar und kann verschiedene Funktionalitäten und Protokolle unterstützen, einschließlich USB; einige sind verpflichtend, viele sind optional, abhängig von der Art der Hardware: Host, Peripheriegerät oder Hub.[13][14]

USB-Spezifikationen bieten Abwärtskompatibilität, was in der Regel zu verringerten Signalraten, maximaler verfügbarer Leistung und anderen Fähigkeiten führt. Die USB-1.1-Spezifikation ersetzt USB 1.0. Die USB-2.0-Spezifikation ist abwärtskompatibel mit USB 1.0/1.1. Die USB-3.2-Spezifikation ersetzt USB 3.1 (und USB 3.0) und enthält die USB-2.0-Spezifikation. USB4 „ersetzt funktional“ USB 3.2, während der parallel arbeitende USB-2.0-Bus erhalten bleibt.[5][6][7][2]

Die USB-3.0-Spezifikation definierte eine neue Architektur und ein neues Protokoll namens SuperSpeed (auch SuperSpeed USB, vermarktet als SS), das eine neue Leitung für ein neues Signalkodierungsschema (8b/10b-Symbole, 5 Gbit/s; später auch als Gen 1 bekannt) umfasste, das Vollduplex-Datenübertragungen ermöglichte, die physisch fünf zusätzliche Drähte und Pins erforderten, während die USB-2.0-Architektur und -Protokolle erhalten blieben und somit die ursprünglichen vier Pins/Drähte für die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0 beibehalten wurden, was insgesamt 9 Drähte (mit 9 oder 10 Pins an den Anschlussstellen; der ID-Pin ist nicht verdrahtet) ergab.

Die USB-3.1-Spezifikation führte ein verbessertes SuperSpeed-System ein – unter Beibehaltung der SuperSpeed-Architektur und des SuperSpeed-Protokolls (SuperSpeed USB) – mit einer zusätzlichen SuperSpeedPlus-Architektur und einem zusätzlichen SuperSpeedPlus-Protokoll (auch bekannt als SuperSpeedPlus USB), das ein neues Kodierungsschema (128b/132b-Symbole, 10 Gbit/s; auch bekannt als Gen 2) hinzufügt; zeitweise als SuperSpeed+ (SS+) vermarktet.

Die USB-3.2-Spezifikation[15] fügte neben anderen Verbesserungen eine zweite Spur zum Enhanced SuperSpeed System hinzu, sodass der SuperSpeedPlus-USB-Systemteil die Betriebsmodi Gen 1×2, Gen 2×1 und Gen 2×2 implementiert. Der SuperSpeed-USB-Teil des Systems implementiert jedoch weiterhin den einspurigen Betriebsmodus Gen 1×1. Daher sind zweispurige Betriebsarten, nämlich USB 3.2 Gen 1×2 (10 Gbit/s) und Gen 2×2 (20 Gbit/s), nur mit voll ausgestattetem USB-C möglich. Stand 2023 werden sie eher selten implementiert; Intel begann jedoch, sie in seine SoC-Prozessormodelle der 11. Generation zu integrieren, während Apple sie nie bereitstellte. Andererseits sind USB 3.2 Gen 1(×1) (5 Gbit/s) und Gen 2(×1) (10 Gbit/s) seit einigen Jahren recht verbreitet.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-Hardware § Anschlüsse

Jede USB-Verbindung wird mit zwei Steckverbindern hergestellt: einer Buchse und einem Stecker. Die Abbildungen zeigen nur Buchsen:

[Quelltext bearbeiten]

Der Universal Serial Bus wurde entwickelt, um die Schnittstelle zwischen Personalcomputern und Peripheriegeräten wie Mobiltelefonen, Computerzubehör und Monitoren im Vergleich zu zuvor bestehenden Standard- oder Ad-hoc-proprietären Schnittstellen zu vereinfachen und zu verbessern.[17]

Aus Sicht des Computerbenutzers verbessert die USB-Schnittstelle die Benutzerfreundlichkeit in mehrfacher Hinsicht:

Der USB-Standard bietet auch mehrere Vorteile für Hardwarehersteller und Softwareentwickler, insbesondere in Bezug auf die relative Einfachheit der Implementierung:

[Quelltext bearbeiten]

Wie bei allen Standards weist USB mehrere Einschränkungen in seinem Design auf:

Für einen Produktentwickler erfordert die Verwendung von USB die Implementierung eines komplexen Protokolls und impliziert einen „intelligenten“ Controller im Peripheriegerät. Entwickler von USB-Geräten, die für den öffentlichen Verkauf bestimmt sind, müssen in der Regel eine USB-ID erwerben, was die Zahlung einer Gebühr an das USB Implementers Forum (USB-IF). Entwickler von Produkten, die die USB-Spezifikation nutzen, müssen eine Vereinbarung mit der USB-IF unterzeichnen. Die Verwendung der USB-Logos auf dem Produkt erfordert jährliche Gebühren und eine Mitgliedschaft in der Organisation.[17]

[Quelltext bearbeiten]

Das grundlegende USB-Dreizack-Logo

Eine Gruppe von sieben Unternehmen begann 1995 mit der Entwicklung von USB:[21] Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, und Nortel. Ziel war es, den Anschluss externer Geräte an PCs grundlegend zu vereinfachen, indem die Vielzahl der Anschlüsse auf der Rückseite von PCs ersetzt, die Benutzerfreundlichkeit bestehender Schnittstellen verbessert, die Softwarekonfiguration aller an USB angeschlossenen Geräte vereinfacht und höhere Datenübertragungsraten für externe Geräte sowie Plug-and-Play-Funktionen.[22] Konzepte des 1979er Atari SIO-Seriellen Busses der 8-Bit-Atari-Computer und des 1980er IEEE-488 abgeleiteten Commodore-Bus, und Hewlett Packards HP-IL Bus hat diesen Ansatz vorangetrieben.[23][24] Ein Konsortium unter der Leitung von Apple, mit Sony, Panasonic (Matsushita), LG, Toshiba, Hitachi, Canon, Philips Electronics, Compaq, Thomson und Texas Instruments, entwickelte das Konzept ab 1986 weiter als IEEE 1394 Firewire-Standard und Patentpool.[25] Joseph C. Decuir, ursprünglich von Atari, dann Commodore, und Designer des Atari SIO Common Bus, arbeitete für Microsoft am USB-Projekt und erhielt eines der zugehörigen US-Patente.[26] Ajay Bhatt und sein Team[a] arbeiteten bei Intel am Standard;[28][29] die ersten integrierten Schaltkreise , die USB unterstützten, wurden 1995 von Intel hergestellt.[30]

[Quelltext bearbeiten]

Das Basic-Speed-USB-Logo

Veröffentlicht im Januar 1996, spezifizierte USB 1.0 Signalraten von 1,5 Mbit/s (Niedrige Bandbreite oder Niedrige Geschwindigkeit) und 12 Mbit/s (Volle Geschwindigkeit).[31] Es erlaubte keine Verlängerungskabel aufgrund von Zeit- und Leistungsbeschränkungen. Nur wenige USB-Geräte kamen auf den Markt, bis USB 1.1 im August 1998 veröffentlicht wurde. USB 1.1 war die früheste Revision, die weit verbreitet übernommen wurde und zu dem führte, was Microsoft als den "Legacy-freier PC".[32][33][34]

Weder USB 1.0 noch 1.1 spezifizierten ein Design für einen Steckverbinder, der kleiner als der Standard-Typ A oder Typ B war. Obwohl viele Designs für einen miniaturisierten Typ-B-Steckverbinder auf zahlreichen Peripheriegeräten erschienen, wurde die Konformität mit dem USB-1.x-Standard dadurch beeinträchtigt, dass Peripheriegeräte mit Miniatursteckverbindern so behandelt wurden, als hätten sie eine feste Verbindung (d. h. keinen Stecker oder keine Buchse am Peripherieende). Es gab keinen bekannten miniaturisierten Typ-A-Steckverbinder, bis USB 2.0 (Revision 1.01) einen einführte.

[Quelltext bearbeiten]

Das Hi-Speed-USB-Logo

USB 2.0 wurde im April 2000 veröffentlicht und führte zusätzlich zur USB 1.x Full Speed-Signalisierungsrate von 12 Mbit/s (maximaler theoretischer Datendurchsatz 1,2 MByte/s[36]) eine höhere maximale Signalisierungsrate von 480 Mbit/s (maximaler theoretischer Datendurchsatz 53 MByte/s[35]) ein, die als High Speed oder High Bandwidth bezeichnet wird.[36]

Änderungen an der USB-Spezifikation wurden über Engineering Change Notices (ECNs) vorgenommen. Die wichtigsten dieser ECNs sind im USB 2.0-Spezifikationspaket enthalten, das auf USB.org verfügbar ist:[37]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB 3.0

Veraltetes SuperSpeed USB-Logo

Die USB-3.0-Spezifikation wurde am 12. November 2008 veröffentlicht, wobei die Verwaltung vom USB-3.0-Promoter-Group auf das USB Implementers Forum (USB-IF) übertragen und am 17. November 2008 auf der SuperSpeed-USB-Entwicklerkonferenz bekannt gegeben wurde.[39]

USB 3.0 fügt eine neue Architektur und ein neues Protokoll namens SuperSpeed hinzu, mit zugehörigen rückwärtskompatiblen Steckern, Buchsen und Kabeln. SuperSpeed-Stecker und -Buchsen sind durch ein eigenes Logo und blaue Einsätze in Buchsen im Standardformat gekennzeichnet.

Die SuperSpeed-Architektur bietet einen Betriebsmodus mit einer Rate von 5,0 Gbit/s, zusätzlich zu den drei bestehenden Betriebsmodi. Seine Effizienz hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die physische Symbolcodierung und der Overhead auf Verbindungsebene. Bei einer Signalisierungsrate von 5 Gbit/s mit 8b/10b-Codierung, jedes Byte benötigt 10 Bits zur Übertragung, daher beträgt der Rohdurchsatz 500 MB/s. Unter Berücksichtigung von Flusskontrolle, Paketrahmen und Protokoll-Overhead ist es realistisch, dass etwa zwei Drittel des Rohdurchsatzes, also 330 MB/s, an eine Anwendung übertragen werden.[40]: 4–19  Die Architektur von SuperSpeed ist vollduplex; alle früheren Implementierungen, USB 1.0-2.0, sind halbduplex und werden vom Host gesteuert.[41]

Geräte mit niedriger und hoher Leistung bleiben mit diesem Standard betriebsfähig, aber Geräte, die SuperSpeed implementieren, können einen erhöhten Strom zwischen 150 mA und 900 mA in diskreten Schritten von 150 mA bereitstellen.[40]: 9–9 

USB 3.0 führte auch das USB Attached SCSI Protocol (UASP), das im Allgemeinen schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten als das BOT-Protokoll (Bulk-Only-Transfer) bietet.

USB 3.1,[5] veröffentlicht im Juli 2013, hat zwei Varianten. Die erste behält die SuperSpeed-Architektur und das Protokoll von USB 3.0 bei, und ihr Betriebsmodus wird neu als USB 3.1 Gen 1 bezeichnet.[42][43][44] Die zweite Version führt eine deutlich neue SuperSpeedPlus-Architektur und ein neues Protokoll mit einem zweiten Betriebsmodus namens USB 3.1 Gen 2 ein (vermarktet als SuperSpeed+ USB). SuperSpeed+ verdoppelt die maximale Signalisierungsrate auf 10 Gbit/s (später von der USB 3.2-Spezifikation als SuperSpeed USB 10 Gbps vermarktet), während die Leitungscodierungs-Overhead durch Änderung der auf nur 3 % reduziert wird.Kodierungsschema zu 128b/132b.[42][45]

USB 3.2, veröffentlicht im September 2017,[15] bewahrt die bestehenden USB 3.1 SuperSpeed- und SuperSpeedPlus-Architekturen und -Protokolle sowie deren jeweilige Betriebsmodi, führt jedoch zwei zusätzliche SuperSpeedPlus-Betriebsmodi (USB 3.2 Gen 1×2 und USB 3.2 Gen 2×2) mit dem neuen USB-C Fabric mit Signalisierungsraten von 10 und 20 Gbit/s (Rohdatenraten von 1212 und 2424 MB/s). Die Bandbreitenerhöhung ist das Ergebnis eines Zweispurbetriebs über vorhandene Leitungen, die ursprünglich für Flip-Flop-Funktionen des USB-C-Anschlusses vorgesehen waren.[46]

[Quelltext bearbeiten]

Ab der USB-3.2-Spezifikation führte USB-IF ein neues Benennungsschema ein.[47] Um Unternehmen bei der Kennzeichnung der verschiedenen Betriebsmodi zu unterstützen, empfahl USB-IF, die 5-, 10- und 20-Gbit/s-Fähigkeiten als SuperSpeed USB 5 Gbit/s, SuperSpeed USB 10 Gbit/s bzw. SuperSpeed USB 20 Gbit/s zu bezeichnen.[48]

Im Jahr 2023 wurden sie erneut ersetzt,[49] wobei „SuperSpeed“ entfernt wurde, durch USB 5 Gbit/s, USB 10 Gbit/s und USB 20 Gbit/s. Mit neuen Verpackungs- und Anschlusslogos.[50]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB4

Veraltetes zertifiziertes USB4-Logo

Die USB4-Spezifikation wurde am 29. August 2019 vom USB Implementers Forum veröffentlicht.[51]

Die USB4 2.0-Spezifikation wurde am 1. September 2022 vom USB Implementers Forum veröffentlicht.[52]

USB4 basiert auf der Thunderbolt 3Protokoll.[53] Es unterstützt einen Durchsatz von 40 Gbit/s, ist kompatibel mit Thunderbolt 3 und abwärtskompatibel mit USB 3.2 und USB 2.0.[54][55] Die Architektur definiert eine Methode zur dynamischen gemeinsamen Nutzung einer einzigen Hochgeschwindigkeitsverbindung mit mehreren Endgerätetypen, die am besten für die Übertragung von Daten nach Typ und Anwendung geeignet ist.

Während CES 2020 gaben USB-IF und Intel ihre Absicht bekannt, USB4-Produkte zu erlauben, die alle optionalen Funktionen als Thunderbolt 4 Produkte unterstützen.

USB4 2.0 mit 80 Gbit/s Geschwindigkeit sollte im November 2022 vorgestellt werden.[56][57] Weitere technische Details sollten auf zwei USB-Entwicklertagen im November 2022 bekannt gegeben werden.[58][Aktualisierung erforderlich]

Die USB4-Spezifikation besagt, dass die folgenden Technologien von USB4 unterstützt werden müssen:[2]

[Quelltext bearbeiten]

Eine Übersicht über das USB-Benennungsschema, das im September 2022 eingeführt wurde

(Es wird eine Mischung aus USB-Spezifikationen und deren Marketingnamen angezeigt,

da Spezifikationen manchmal fälschlicherweise als Marketingnamen verwendet werden.)

[strittig (für: USB4 20 Gbit/s existiert nicht; USB4 2×2 ist nicht austauschbar mit USB 3.2 2×2, wie durch das Logo angegeben; Logos für USB 3.x und USB4 sind unterschiedlich.) – Diskussion]

Aufgrund der vorherigen verwirrenden Benennungsschemata entschied sich das USB-IF, diese erneut zu ändern. Ab dem 2. September 2022 folgen die Marketingbezeichnungen der Syntax „USB xGbps“, wobei x die Übertragungsgeschwindigkeit in Gbit/s ist.[59] Eine Übersicht der aktualisierten Namen und Logos ist in der nebenstehenden Tabelle zu sehen.

Die Betriebsmodi USB 3.2 Gen 2×2 und USB4 Gen 2×2 – oder: USB 3.2 Gen 2×1 und USB4 Gen 2×1 – sind nicht austauschbar oder kompatibel; alle beteiligten Controller müssen im gleichen Modus arbeiten.

[Quelltext bearbeiten]

[Quelltext bearbeiten]

[Quelltext bearbeiten]

[Quelltext bearbeiten]

Ein USB-System besteht aus einem Host mit einem oder mehreren stromabwärts gerichteten Anschlüssen (DFP),[67] und mehreren Peripheriegeräten, die eine abgestufteSterntopologie bilden. Zusätzliche USB-Hubskann enthalten sein, wobei bis zu fünf Ebenen zulässig sind. Ein USB-Host kann mehrere Controller haben, jeder mit einem oder mehreren Anschlüssen. Bis zu 127 Geräte können an einen einzelnen Host-Controller angeschlossen werden.[68][40]: 8–29  USB-Geräte werden über Hubs in Reihe geschaltet. Der im Host-Controller integrierte Hub wird als Root-Hub bezeichnet.

Ein USB-Gerät kann aus mehreren logischen Untergeräten bestehen, die als Gerätefunktionen bezeichnet werden. Ein Verbundgerät kann mehrere Funktionen bereitstellen, z. B. eineWebcam (Videogerätefunktion) mit einem eingebauten Mikrofon (Audiogerätefunktion). Eine Alternative dazu ist ein Verbundgerät, bei dem der Host jedem logischen Gerät eine eigene Adresse zuweist und alle logischen Geräte mit einem eingebauten Hub verbunden sind, der mit dem physischen USB-Kabel verbunden ist.

USB-Endpunkte befinden sich auf dem Peripheriegerät: Die Kanäle zum Host werden als Pipes bezeichnet.

Die Kommunikation von USB-Geräten basiert auf **Pipes** (logischen Kanälen). Eine Pipe verbindet den Host-Controller mit einer logischen Einheit innerhalb eines Geräts, die als **Endpunkt** bezeichnet wird. Da Pipes den Endpunkten entsprechen, werden die Begriffe manchmal synonym verwendet. Jedes USB-Gerät kann bis zu 32 Endpunkte haben (16 **eingehende** und 16 **ausgehende**), obwohl es selten vorkommt, dass so viele vorhanden sind. Endpunkte werden während der Initialisierung (dem Zeitraum nach dem physischen Anschluss, der als **Enumeration** bezeichnet wird) vom Gerät definiert und nummeriert und sind daher relativ dauerhaft, während Pipes geöffnet und geschlossen werden können.

Es gibt zwei Arten von Pipes: Stream und Message.

Wenn ein Host eine Datenübertragung startet, sendet er ein TOKEN-Paket, das einen Endpunkt enthält, der mit einem Tupelvon (Geräteadresse, Endpunktnummer). Wenn die Übertragung vom Host zum Endpunkt erfolgt, sendet der Host ein OUT-Paket (eine Spezialisierung eines TOKEN-Pakets) mit der gewünschten Geräteadresse und Endpunktnummer. Wenn die Datenübertragung vom Gerät zum Host erfolgt, sendet der Host stattdessen ein IN-Paket. Wenn der Zielendpunkt ein unidirektionaler Endpunkt ist, dessen herstellerseitig festgelegte Richtung nicht mit dem TOKEN-Paket übereinstimmt (z. B. die herstellerseitig festgelegte Richtung ist IN, während das TOKEN-Paket ein OUT-Paket ist), wird das TOKEN-Paket ignoriert. Andernfalls wird es akzeptiert und der Datenaustausch kann beginnen. Ein bidirektionaler Endpunkt hingegen akzeptiert sowohl IN- als auch OUT-Pakete.

Zwei USB 3.0 Standard-A-Buchsen (links) und zwei USB 2.0 Standard-A-Buchsen (rechts) an der Frontblende eines Computers

Endpunkte werden in Schnittstellen gruppiert, und jede Schnittstelle ist mit einer einzelnen Gerätefunktion verbunden. Eine Ausnahme hiervon ist Endpunkt Null, der für die Gerätekonfiguration verwendet wird und keiner Schnittstelle zugeordnet ist. Eine einzelne Gerätefunktion, die aus unabhängig gesteuerten Schnittstellen besteht, wird als zusammengesetztes Gerät bezeichnet. Ein zusammengesetztes Gerät hat nur eine einzige Geräteadresse, da der Host einer Funktion nur eine Geräteadresse zuweist.

Wenn ein USB-Gerät zum ersten Mal an einen USB-Host angeschlossen wird, wird der USB-Geräte-Enumeration-Prozess gestartet. Die Enumeration beginnt mit dem Senden eines Reset-Signals an das USB-Gerät. Die Signalisierungsrate des USB-Geräts wird während des Reset-Signalisierungsvorgangs bestimmt. Nach dem Reset werden die Informationen des USB-Geräts vom Host gelesen und dem Gerät wird eine eindeutige 7-Bit-Adresse zugewiesen. Wenn das Gerät vom Host unterstützt wird, werden die Gerätetreiber geladen, die für die Kommunikation mit dem Gerät erforderlich sind, und das Gerät wird in einen konfigurierten Zustand versetzt. Wenn der USB-Host neu gestartet wird, wird der Enumeration-Prozess für alle angeschlossenen Geräte wiederholt.

Der Host-Controller leitet den Datenverkehr zu den Geräten, sodass kein USB-Gerät ohne explizite Anfrage des Host-Controllers Daten auf dem Bus übertragen kann. Bei USB 2.0 der Host-Controller Umfragen der Bus für den Datenverkehr, normalerweise in einem Round-Robin Art und Weise. Der Durchsatz jedes USB-Anschlusses wird durch die langsamere Geschwindigkeit entweder des USB-Anschlusses oder des angeschlossenen USB-Geräts bestimmt.

High-Speed-USB-2.0-Hubs enthalten Geräte, die als Transaktionsübersetzer bezeichnet werden und zwischen High-Speed-USB-2.0-Bussen sowie Full- und Low-Speed-Bussen umwandeln. Es kann einen Übersetzer pro Hub oder pro Anschluss geben.

Da es in jedem USB-3.0-Host zwei separate Controller gibt, senden und empfangen USB-3.0-Geräte mit USB-3.0-Signalraten, unabhängig davon, ob USB-2.0- oder frühere Geräte an diesen Host angeschlossen sind. Die Betriebssignalraten für frühere Geräte werden auf herkömmliche Weise festgelegt.

[Quelltext bearbeiten]

Die Funktionalität eines USB-Geräts wird durch einen Klassencode definiert, der an einen USB-Host gesendet wird. Dadurch kann der Host Softwaremodule für das Gerät laden und neue Geräte verschiedener Hersteller unterstützen.

Zu den Geräteklassen gehören:[70]

[Quelltext bearbeiten]

Siehe auch: USB-Massenspeichergeräteklasse, Festplattengehäuse, und Externe Festplatte

Ein USB-Stick, ein typisches USB-Massenspeichergerät

Ein M.2 (2242) Solid-State-Laufwerk (SSD) angeschlossen an einen USB-3.0-Adapter, der mit dem Computer verbunden ist

Die USB-Massenspeichergeräteklasse (MSC oder UMS) standardisiert Verbindungen zu Speichergeräten. Ursprünglich für magnetische und optische Laufwerke gedacht, wurde sie auf USB-Sticks und SD-Karten-Lesegeräte erweitert. Die Möglichkeit, ein schreibgeschütztes SD-KarteMit einem USB-Adapter ist dies besonders vorteilhaft, um die Integrität und den unveränderlichen, makellosen Zustand des Startmediums zu bewahren.

Obwohl die meisten Personalcomputer seit Anfang 2005 von USB-Massenspeichergeräten booten können, ist USB nicht als primärer Bus für den internen Speicher eines Computers vorgesehen. USB hat jedoch den Vorteil, dass es Hot-Swapping, was es nützlich für mobile Peripheriegeräte macht, einschließlich verschiedener Arten von Laufwerken.

Mehrere Hersteller bieten externe tragbare USB Festplatten oder leere Gehäuse für Festplatten an. Diese bieten eine mit internen Laufwerken vergleichbare Leistung, die jedoch durch die Anzahl und Art der angeschlossenen USB-Geräte sowie durch die Obergrenze der USB-Schnittstelle begrenzt ist. Andere konkurrierende Standards für den Anschluss externer Laufwerke umfassen eSATA, ExpressCard, FireWire (IEEE 1394) und in jüngster Zeit Thunderbolt.

Eine weitere Verwendung von USB-Massenspeichergeräten ist die portable Ausführung von Softwareanwendungen (z. B. Webbrowser und VoIP-Clients), ohne dass diese auf dem Host-Computer installiert werden müssen.[74][75]

[Quelltext bearbeiten]

Siehe auch: Picture Transfer Protocol

Media Transfer Protocol (MTP) wurde von Microsoft entwickelt, um einen höherwertigen Zugriff auf das Dateisystem eines Geräts zu ermöglichen als USB-Massenspeicher, auf Dateiebene statt auf Blockebene. Es verfügt außerdem über optionale DRM-Funktionen. MTP wurde für die Verwendung mit tragbaren Medienplayern entwickelt, wurde aber seitdem als primäres Speicherzugriffsprotokoll des Android-BetriebssystemsAb der Version 4.1 Jelly Bean sowie Windows Phone 8 (Windows Phone 7-Geräte verwendeten das Zune-Protokoll – eine Weiterentwicklung von MTP). Der Hauptgrund dafür ist, dass MTP im Gegensatz zu UMS keinen exklusiven Zugriff auf das Speichergerät benötigt, wodurch potenzielle Probleme vermieden werden, wenn ein Android-Programm den Speicher anfordert, während es an einen Computer angeschlossen ist. Der größte Nachteil ist, dass MTP außerhalb von Windows-Betriebssystemen nicht so gut unterstützt wird.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-Human-Interface-Device-Klasse

Eine USB-Maus oder -Tastatur kann in der Regel mit älteren Computern verwendet werden, die über PS/2-Anschlüsse verfügen, mit Hilfe eines kleinen USB-auf-PS/2-Adapters. Für Mäuse und Tastaturen mit Dual-Protokoll-Unterstützung reicht ein passiver Adapter, der keine Logikschaltung kann verwendet werden: die USB-Hardwarein der Tastatur oder Maus erkennt, ob sie an einen USB- oder PS/2-Anschluss angeschlossen ist, und mit dem entsprechenden Protokoll kommuniziert.[Quellenangabe erforderlich] Es gibt auch aktive Konverter, die USB-Tastaturen und -Mäuse (normalerweise je eines) an PS/2-Anschlüsse anschließen.[76]

[Quelltext bearbeiten]

Device Firmware Upgrade (DFU) ist ein generischer Mechanismus zum Aktualisieren derFirmware von USB-Geräten mit verbesserten Versionen, die von ihren Herstellern bereitgestellt werden, und bieten (beispielsweise) eine Möglichkeit, Firmware-Fehlerbehebungen bereitzustellen. Während des Firmware-Upgrade-Vorgangs ändern USB-Geräte ihren Betriebsmodus und werden effektiv zu einem PROMProgrammierer. Jede Klasse von USB-Geräten kann diese Fähigkeit implementieren, indem sie den offiziellen DFU-Spezifikationen folgt. Dadurch können DFU-kompatible Host-Tools verwendet werden, um das Gerät zu aktualisieren.[73][77][78]

DFU wird manchmal als Flash-Speicher-Programmierprotokoll in Mikrocontrollern mit integrierter USB-Bootloader-Funktionalität verwendet. [79]

[Quelltext bearbeiten]

Die USB Device Working Group hat Spezifikationen für Audio-Streaming festgelegt, und es wurden spezifische Standards für Audio-Klassenanwendungen wie Mikrofone, Lautsprecher, Headsets, Telefone, Musikinstrumente usw. entwickelt und implementiert. Die Arbeitsgruppe hat drei Versionen von Audio-Gerätespezifikationen veröffentlicht:[80][81] USB Audio 1.0, 2.0 und 3.0, bezeichnet als "UAC"[82] oder "ADC".[83]

UAC 3.0 führt hauptsächlich Verbesserungen für tragbare Geräte ein, wie z. B. einen reduzierten Stromverbrauch durch gebündelte Datenübertragung und häufigere Aufenthalte im Energiesparmodus sowie Leistungsdomänen für verschiedene Komponenten des Geräts, die bei Nichtgebrauch abgeschaltet werden können.[84]

UAC 2.0 führte Unterstützung für High Speed USB (zusätzlich zu Full Speed) ein, was eine höhere Bandbreite für Mehrkanal-Schnittstellen, höhere Abtastraten,[85] geringere inhärente Latenz[86][82] und eine 8-fache Verbesserung der zeitlichen Auflösung in synchronen und adaptiven Modi ermöglicht.[82] UAC2 führte auch das Konzept der Taktbereiche ein, das dem Host Informationen darüber liefert, welche Eingangs- und Ausgangsterminals ihre Takte von derselben Quelle ableiten, sowie eine verbesserte Unterstützung für Audio-Codierungen wie DSD, Audioeffekte, Kanalbündelung, Benutzersteuerungen und Gerätebeschreibungen.[82][87]

UAC-1.0-Geräte sind jedoch aufgrund ihrer plattformübergreifenden treiberlosen Kompatibilität[85] und teilweise auch aufgrund derMicrosoftVersäumnis, UAC 2.0 über ein Jahrzehnt nach seiner Veröffentlichung zu implementieren, nachdem schließlich Unterstützung fürWindows 10durch das Creators Update am 20. März 2017 hinzugefügt wurde.[88][89][87] UAC 2.0 wird auch vonmacOS, iOS, und Linux,[82] jedoch Android implementiert nur eine Teilmenge der UAC 1.0-Spezifikation.[90]

USB bietet drei isochrone (festbandbreite) Synchronisationstypen,[91] die alle von Audiogeräten verwendet werden:[92]

Während die USB-Spezifikation ursprünglich den asynchronen Modus für „kostengünstige Lautsprecher“ und den adaptiven Modus für „hochwertige digitale Lautsprecher“ beschrieb,[96] besteht in derHi-FiWelt, in der asynchroner Modus als Funktion beworben wird und adaptive/synchrone Modi einen schlechten Ruf haben.[97][98][90] In Wirklichkeit können alle Typen von hoher oder niedriger Qualität sein, abhängig von der Qualität ihrer Konstruktion und der Anwendung.[94][82][99] Asynchron hat den Vorteil, vom Computertakt entkoppelt zu sein, aber den Nachteil, dass eineAbtastratenkonvertierung wenn mehrere Quellen kombiniert werden.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-Hardware § Anschlüsse

Die vom USB-Komitee spezifizierten Steckverbinder unterstützen eine Reihe grundlegender USB-Ziele und spiegeln die Erfahrungen wider, die die Computerindustrie mit vielen Steckverbindern gemacht hat. Der weibliche Steckverbinder, der am Host oder Gerät montiert ist, wird als Buchse bezeichnet, und der männliche Steckverbinder, der am Kabel befestigt ist, wird als Stecker bezeichnet.[40]: 2-5–2-6  Die offiziellen USB-Spezifikationsdokumente definieren außerdem regelmäßig den Begriff männlich für den Stecker und weiblich für die Buchse.[100]

Der USB Standard-A-Stecker, einst der häufigste Typ von USB-Steckverbinder, heute einer von vielen veralteten USB-Steckverbindertypen

Das Design soll es erschweren, einen USB-Stecker falsch in die Buchse einzustecken. Die USB-Spezifikation verlangt, dass Kabelstecker und Buchse gekennzeichnet sind, damit der Benutzer die korrekte Ausrichtung erkennen kann.[40] Der USB-C-Stecker ist jedoch reversibel. USB-Kabel und kleine USB-Geräte werden durch die Klemmkraft der Buchse an Ort und Stelle gehalten, ohne Schrauben, Clips oder Drehverschlüsse, wie sie bei einigen Steckverbindern verwendet werden.

USB Mini-B (rechts) und sein Nachfolger USB Micro-B (links). Dies waren die häufigsten Arten von USB-Steckverbindern bei kleineren und tragbaren Geräten, bis zur Entwicklung von USB Typ-C.

Die unterschiedlichen A- und B-Stecker verhindern versehentliches Verbinden zweier Stromquellen. Allerdings geht ein Teil dieser gerichteten Topologie mit dem Aufkommen von Mehrzweck-USB-Verbindungen (wie z. B. USB On-The-Go in Smartphones und USB-betriebenen Wi-Fi-Routern) verloren, die A-zu-A-, B-zu-B- und manchmal Y-/Splitter-Kabel erfordern.

Die Anzahl der USB-Steckertypen nahm mit dem Fortschritt der Spezifikation zu. Die ursprüngliche USB-Spezifikation definierte Standard-A- und Standard-B-Stecker sowie entsprechende Buchsen. Die Steckverbinder waren unterschiedlich gestaltet, sodass Benutzer nicht versehentlich zwei Computerbuchsen miteinander verbinden konnten. Die Datenkontakte in den Standardsteckern sind im Vergleich zu den Stromkontakten zurückgesetzt, sodass das Gerät vor dem Aufbau einer Datenverbindung mit Strom versorgt werden kann. Manche Geräte arbeiten je nachdem, ob eine Datenverbindung besteht, in unterschiedlichen Modi. Ladedocks liefern Strom und enthalten weder ein Hostgerät noch Datenkontakte, sodass jedes geeignete USB-Gerät über ein Standard-USB-Kabel aufgeladen oder betrieben werden kann. Ladekabel stellen Stromverbindungen her, jedoch keine Datenverbindungen. Bei einem reinen Ladekabel sind die Datenleitungen am Geräteende kurzgeschlossen; andernfalls könnte das Gerät das Ladegerät als ungeeignet ablehnen.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel:USB-Hardware § Verkabelung

Eine Auswahl an USB-Kabeln im Verkauf inHongkong

Der USB-1.1-Standard legt fest, dass ein Standardkabel eine maximale Länge von 5 Metern (16 Fuß 5 Zoll) bei Geräten mit voller Geschwindigkeit (12 Mbit/s) und eine maximale Länge von 3 Metern (9 Fuß 10 Zoll) bei Geräten mit niedriger Geschwindigkeit (1,5 Mbit/s) haben kann.[101][102][103]

USB 2.0 sieht eine maximale Kabellänge von 5 Metern (16 Fuß 5 Zoll) für Geräte vor, die mit hoher Geschwindigkeit (480 Mbit/s) betrieben werden.[103]

Der USB-3.0-Standard gibt keine direkte maximale Kabellänge vor, sondern verlangt lediglich, dass alle Kabel eine elektrische Spezifikation erfüllen: Bei Kupferkabeln mitAWGDie maximale praktische Länge beträgt bei 26 Drähten 3 Meter (9 Fuß 10 Zoll).[104]

[Quelltext bearbeiten]

USB-Brückenkabel oder Datenübertragungskabel sind auf dem Markt erhältlich und ermöglichen direkte PC-zu-PC-Verbindungen. Ein Brückenkabel ist ein spezielles Kabel mit einem Chip und aktiver Elektronik in der Mitte des Kabels. Der Chip in der Mitte des Kabels fungiert als Peripheriegerät für beide Computer und ermöglicht die Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen den Computern. Die USB-Brückenkabel werden verwendet, um Dateien zwischen zwei Computern über deren USB-Anschlüsse zu übertragen.

Von Microsoft populär gemacht als Windows Easy Transfer, das Microsoft-Dienstprogramm verwendete ein spezielles USB-Brückenkabel, um persönliche Dateien und Einstellungen von einem Computer mit einer älteren Windows-Version auf einen Computer mit einer neueren Version zu übertragen. Im Zusammenhang mit der Verwendung der Software Windows Easy Transfer wird das Brückenkabel manchmal als Easy Transfer-Kabel bezeichnet.

Viele USB-Brücken-/Datenübertragungskabel sind immer noch USB 2.0, aber es gibt auch eine Reihe von USB-3.0-Übertragungskabeln. Obwohl USB 3.0 zehnmal schneller ist als USB 2.0, sind USB-3.0-Übertragungskabel aufgrund ihres Designs nur zwei- bis dreimal schneller.[Klarstellung erforderlich]

Die USB-3.0-Spezifikation führte ein A-zu-A-Cross-Over-Kabel ohne Stromversorgung für die Verbindung zweier PCs ein. Diese sind nicht für die Datenübertragung gedacht, sondern für Diagnosezwecke vorgesehen.

[Quelltext bearbeiten]

USB-Brückenkabel haben mit der Einführung der USB-3.1-Spezifikation und der Unterstützung von USB-Dual-Role-Device-Funktionen an Bedeutung verloren. Gemäß den neuesten Spezifikationen unterstützt USB die meisten Szenarien, in denen Systeme direkt mit einem Typ-C-Kabel verbunden werden. Damit diese Funktion jedoch funktioniert, müssen die verbundenen Systeme das Umschalten der Rollen unterstützen. Die Dual-Role-Funktion erfordert zwei Controller im System sowie einen Rollencontroller. Während dies bei mobilen Plattformen wie Tablets oder Telefonen zu erwarten ist, unterstützen Desktop-PCs und Laptops oft keine Dual-Rollen.[105]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel:USB-Hardware § Stromversorgung

Upstream-USB-Anschlüsse liefern über den V_BUS-Pin eine Nennspannung von 5 V Gleichstrom an nachgeschaltete USB-Geräte.

[Quelltext bearbeiten]

Dieser Abschnitt beschreibt das Stromverteilungsmodell von USB, das vor Power-Delivery (USB-PD). Bei Geräten, die kein PD verwenden, liefert USB bis zu 4,5 W über Typ-A- und Typ-B-Steckverbinder und bis zu 15 W über USB-C. Die gesamte USB-Stromversorgung vor PD erfolgt mit 5 V.

Für einen Host, der Geräte mit Strom versorgt, hat USB das Konzept der Einheitslast. Jedes Gerät kann eine Einheit Strom beziehen, und Geräte können in diesen diskreten Schritten mehr Strom anfordern. Der Host ist nicht verpflichtet, den angeforderten Strom bereitzustellen, und ein Gerät darf nicht mehr Strom beziehen als ausgehandelt.

Geräte, die nicht mehr als eine Einheit beziehen, werden als Niedrigenergiegeräte bezeichnet. Alle Geräte müssen sich beim Start als nicht konfigurierte Geräte wie Niedrigenergiegeräte verhalten. Für USB-Geräte bis USB 2.0 beträgt eine Einheitslast 100 mA (oder 500 mW), während USB 3.0 eine Einheitslast von 150 mA (750 mW) definiert. Voll ausgestattetes USB-C kann Niedrigenergiegeräte mit einer Einheitslast von 250 mA (oder 1250 mW) unterstützen.

Geräte, die mehr als eine Einheit beziehen, sind Hochleistungsgeräte (wie typische 2,5-Zoll-Festplatten). USB bis 2.0 erlaubt einem Host oder Hub, jedem Gerät bis zu 2,5 W in fünf diskreten Schritten von 100 mA bereitzustellen, und SuperSpeed-Geräte (USB 3.x) erlauben einem Host oder Hub, bis zu 4,5 W in sechs Schritten von 150 mA bereitzustellen. USB-C ermöglicht den Zweikanalbetrieb von USB 3.x mit einer größeren Einheitslast (250 mA; bis zu 7,5 W).[106] USB-C ermöglicht außerdem den Typ-C-Strom als Ersatz für USB BC, der die verfügbare Leistung auf einfache Weise signalisiert, ohne dass eine Datenverbindung erforderlich ist.[107]

Um den Batterielademodus zu erkennen, legt ein dedizierter Ladeanschluss einen Widerstand von nicht mehr als 200 Ω über die D+- und D−-Anschlüsse. Kurzgeschlossene oder nahezu kurzgeschlossene Datenleitungen mit einem Widerstand von weniger als 200 Ω über die D+- und D−-Anschlüsse kennzeichnen einen dedizierten Ladeanschluss (DCP) mit unbegrenzten Laderaten.[108][109]

Neben dem standardmäßigen USB gibt es ein proprietäres Hochleistungssystem namens PoweredUSB, entwickelt in den 1990er Jahren und hauptsächlich in Point-of-Sale-Terminals wie Registrierkassen verwendet.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-Kommunikation § Signalübertragung (USB PHY)

USB-Signale werden mittels differentielle Signalübertragung auf Twisted-Pair Datenleitungen mit 90 Ω ± 15% charakteristische Impedanz.[110] USB 2.0 und frühere Spezifikationen definieren ein einzelnes Paar in Halbduplex (HDx). USB 3.0 und spätere Spezifikationen definieren ein dediziertes Paar für USB 2.0-Kompatibilität und zwei oder vier Paare für die Datenübertragung: Zwei Datenleitungspaare, die Vollduplex (FDx) für Einzelspur-Varianten (×1) realisieren, erfordern mindestens SuperSpeed (SS)-Steckverbinder; vier Paare, die Vollduplex für Zweispur-Varianten (×2) realisieren, erfordern USB-C-Steckverbinder.

USB4 Gen 4 erfordert die Verwendung aller vier Paare, erlaubt jedoch asymmetrische Paarkonfigurationen.[111] In diesem Fall wird ein Datenleitungspaar für die Upstream-Daten und die anderen drei für die Downstream-Daten oder umgekehrt verwendet. USB4 Gen 4 verwendet Pulsamplitudenmodulation auf 3 Ebenen, was eine Trit von Informationen alle Baud übertragen, die Übertragungsfrequenz von 12,8 GHz entspricht einer Übertragungsrate von 25,6 GBd[112] und die 11-Bit-zu-7-Trit-Umwandlung bietet eine theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von knapp über 40,2 Gbit/s.[113]

Eine USB-Verbindung besteht stets zwischen einem **A-Ende**, entweder einem **Host** oder einem nachgeschalteten Port eines Hubs, und einem **B-Ende**, entweder einem **Peripheriegerät** oder dem vorgeschalteten Port eines Hubs. Historisch wurde dies dadurch verdeutlicht, dass Hosts nur Typ-A- und Peripheriegeräte nur Typ-B-Anschlüsse besaßen, und jedes kompatible Kabel einen Typ-A-Stecker und einen Typ-B-Stecker aufwies. USB-C (Typ-C) ist ein einzelner Steckverbinder, der alle älteren Typ-A- und Typ-B-Steckverbinder ersetzt. Wenn daher beide Seiten mit USB-Typ-C-Anschlüssen ausgestattet sind, handeln sie aus, welcher der **Host** und welcher das **Gerät** ist.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB (Kommunikation) § Protokollschicht

Während der USB-Kommunikation werden Daten als Pakete. Anfangs werden alle Pakete vom Host über den Root-Hub und möglicherweise weitere Hubs an die Geräte gesendet. Einige dieser Pakete weisen ein Gerät an, als Antwort einige Pakete zu senden.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB (Kommunikation) § Transaktion

Die grundlegenden Transaktionen von USB sind:

[Quelltext bearbeiten]

Das Wireless-USB-Logo

[Quelltext bearbeiten]

Das USB Implementers Forum führte am 29. Juli 2015 den Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0-Kommunikationsstandard auf Basis des USB-Protokolls ein. Wireless USB ist eine Kabelersatztechnologie und verwendet Ultrabreitband drahtlose Technologie für Datenraten von bis zu 480 Mbit/s.[114]

Das USB-IF verwendete die WiGig Serial Extension v1.2-Spezifikation als anfängliche Grundlage für die MA-USB-Spezifikation und ist kompatibel mit SuperSpeed USB (3.0 und 3.1) und Hi-Speed USB (USB 2.0). Geräte, die MA-USB verwenden, werden mit „Powered by MA-USB“ gekennzeichnet, sofern das Produkt das Zertifizierungsprogramm besteht.[115]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: InterChip-USB

InterChip USB ist eine Chip-zu-Chip-Variante, die die herkömmlichen Transceiver eliminiert, die in normalem USB zu finden sind. Der HSIC physikalische Schicht verbraucht etwa 50 % weniger Strom und 75 % weniger Platine Fläche im Vergleich zu USB 2.0.[116] Es ist ein alternativer Standard zu SPI und I2C.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-C

USB-C (offiziell USB Type-C) ist ein Standard, der einen neuen Steckverbinder und mehrere neue Anschlussfunktionen definiert. Unter anderem unterstützt er den Alternate Mode, der den Transport anderer Protokolle über den USB-C-Steckverbinder und das Kabel ermöglicht. Dies wird häufig verwendet, um die DisplayPort oder HDMI Protokolle, die den Anschluss eines Displays, wie z. B. eines Computermonitor oder Fernsehgerät, über USB-C.

Alle anderen Steckverbinder sind nicht in der Lage, zwei Spuren (Gen 1×2 und Gen 2×2) in USB 3.2 zu betreiben, können jedoch für den Betrieb mit einer Spur (Gen 1×1 und Gen 2×1) verwendet werden.[117]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: DisplayLink

DisplayLink ist eine Technologie, die es ermöglicht, mehrere Bildschirme über USB an einen Computer anzuschließen. Sie wurde um 2006 eingeführt und war vor dem Aufkommen des Alternate Mode über USB-C die einzige Möglichkeit, Bildschirme über USB anzuschließen. Es handelt sich um eine proprietäre Technologie, die nicht vom USB Implementers Forum standardisiert ist und in der Regel einen separaten Gerätetreiber am Computer.

[Quelltext bearbeiten]

[Quelltext bearbeiten]

Zunächst wurde USB als Ergänzung zu FireWire betrachtet (IEEE 1394) Technologie, die als serieller Hochgeschwindigkeitsbus konzipiert wurde, der Peripheriegeräte wie Festplatten, Audio-Schnittstellen und Videogeräte effizient miteinander verbindet. Im ursprünglichen Design arbeitete USB mit einer weitaus niedrigeren Datenrate und verwendete weniger anspruchsvolle Hardware. Es war für kleine Peripheriegeräte wie Tastaturen und Zeigegeräte geeignet.

Die bedeutendsten technischen Unterschiede zwischen FireWire und USB umfassen:

Diese und andere Unterschiede spiegeln die unterschiedlichen Designziele der beiden Busse wider: USB wurde für Einfachheit und niedrige Kosten entwickelt, während FireWire für hohe Leistung ausgelegt ist, insbesondere bei zeitkritischen Anwendungen wie Audio und Video. Obwohl die theoretische maximale Signalisierungsrate ähnlich ist, ist FireWire 400 im praktischen Einsatz schneller als USB 2.0 mit hoher Bandbreite,[118] insbesondere bei bandbreitenintensiven Anwendungen wie externen Festplatten.[119][120][121][122] Der neuere FireWire 800 Standard ist doppelt so schnell wie FireWire 400 und sowohl theoretisch als auch praktisch schneller als USB 2.0 mit hoher Bandbreite.[123] Allerdings beruhen die Geschwindigkeitsvorteile von FireWire auf Low-Level-Techniken wieDirektspeicherzugriff (DMA), was wiederum Möglichkeiten für Sicherheitslücken wie den DMA-Angriff.

Der Chipsatz und die Treiber, die zur Implementierung von USB und FireWire verwendet werden, haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie viel der von der Spezifikation vorgeschriebenen Bandbreite in der realen Welt erreicht wird, sowie auf die Kompatibilität mit Peripheriegeräten.[124]

[Quelltext bearbeiten]

Die IEEE 802.3af-, 802.3at- und 802.3bt-Power over Ethernet (PoE)-Standards spezifizieren ausgefeiltere Leistungsaushandlungsmechanismen als USB mit Stromversorgung. Sie arbeiten mit 48 V DC und kann mehr Leistung (bis zu 12,95 W für 802.3af, 25,5 W für 802.3at, auch bekannt als PoE+, 71 W für 802.3bt, auch bekannt als 4PPoE) über ein Kabel von bis zu 100 Metern liefern, verglichen mit USB 2.0, das 2,5 W bei einer maximalen Kabellänge von 5 Metern bereitstellt. Dies hat PoE beliebt gemacht für Voice over IPTelefone,Überwachungskameras, drahtlose Zugangspunkteund andere vernetzte Geräte in Gebäuden. Allerdings ist USB günstiger als PoE, sofern die Entfernung kurz und der Strombedarf gering ist.

EthernetNormen verlangen eine elektrische Isolierung zwischen dem vernetzten Gerät (Computer, Telefon usw.) und dem Netzwerkkabel von bis zu 1500 V AC oder 2250 V DC für 60 Sekunden.[125] USB hat eine solche Anforderung nicht, da es für Peripheriegeräte entwickelt wurde, die eng mit einem Host-Computer verbunden sind, und tatsächlich verbindet es die Masse von Peripheriegerät und Host. Dies verleiht Ethernet einen erheblichen Sicherheitsvorteil gegenüber USB bei Peripheriegeräten wie Kabel- und DSL-Modems, die an externe Verkabelung angeschlossen sind, die unter bestimmten Fehlerbedingungen gefährliche Spannungen annehmen kann.[126][127]

[Quelltext bearbeiten]

Die USB-Geräteklassendefinition für MIDI-Geräte überträgt Music Instrument Digital Interface (MIDI) Musikdaten über USB.[128] Die MIDI-Fähigkeit wird erweitert, um bis zu sechzehn gleichzeitige virtuelle MIDI-Kabel zu ermöglichen, von denen jedes die üblichen sechzehn MIDI-Kanäle und Takte übertragen kann.

USB ist wettbewerbsfähig für kostengünstige und physisch benachbarte Geräte. Allerdings haben Power over Ethernet und der MIDI Steckerstandard haben einen Vorteil bei hochwertigen Geräten, die möglicherweise lange Kabel haben. USB kann Masseleitung (Ground Loop) Probleme zwischen Geräten, da es die Erdungsreferenzen beider Sender/Empfänger verbindet. Im Gegensatz dazu vermeiden der MIDI-Steckerstandard und Ethernet verfügen über eine eingebaute Isolierung bis zu 500 V oder mehr.

[Quelltext bearbeiten]

Der eSATA Anschluss ist ein robusterer SATAAnschluss, der für den Anschluss externer Festplatten und SSDs vorgesehen ist. Die Übertragungsrate von eSATA (bis zu 6 Gbit/s) ist ähnlich der von USB 3.0 (bis zu 5 Gbit/s) und USB 3.1 (bis zu 10 Gbit/s). Ein über eSATA angeschlossenes Gerät erscheint als gewöhnliches SATA-Gerät und bietet sowohl volle Leistung als auch volle Kompatibilität, die mit internen Laufwerken verbunden ist.

eSATA versorgt externe Geräte nicht mit Strom. Dies ist ein zunehmender Nachteil im Vergleich zu USB. Obwohl die 4,5 W von USB 3.0 manchmal nicht ausreichen, um externe Festplatten mit Strom zu versorgen, schreitet die Technologie voran und externe Laufwerke benötigen allmählich weniger Strom, wodurch der eSATA-Vorteil schwindet.eSATAp (Power over eSATA, auch bekannt als ESATA/USB) ist ein 2009 eingeführter Steckverbinder, der angeschlossene Geräte mit Strom versorgt und einen neuen, abwärtskompatiblen Anschluss verwendet. Bei einem Notebook liefert eSATAp in der Regel nur 5 V, um eine 2,5-Zoll-Festplatte/SSD zu betreiben; bei einem Desktop-Workstation kann es zusätzlich 12 V liefern, um größere Geräte wie 3,5-Zoll-Festplatten/SSDs und 5,25-Zoll-Optische Laufwerke zu betreiben.

Die eSATAp-Unterstützung kann bei einem Desktop-Computer in Form eines Brackets hinzugefügt werden, das die SATA-, Strom- und USB-Ressourcen des Mainboards verbindet.

eSATA unterstützt, wie USB, Hot-Plugging, obwohl dies durch Betriebssystemtreiber und Geräte-Firmware eingeschränkt sein kann.

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Thunderbolt (Schnittstelle)

Thunderbolt kombiniert PCI Express und DisplayPort in eine neue serielle Datenschnittstelle. Ursprüngliche Thunderbolt-Implementierungen verfügen über zwei Kanäle mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von jeweils 10 Gbit/s, was zu einer aggregierten unidirektionalen Bandbreite von 20 Gbit/s führt.[129]

Thunderbolt 2 verwendet Link-Aggregation, um die beiden 10-Gbit/s-Kanäle zu einem bidirektionalen 20-Gbit/s-Kanal zu kombinieren.[130]

Thunderbolt 3 und Thunderbolt 4 verwendet USB-C.[131][132][133] Thunderbolt 3 verfügt über zwei physische bidirektionale Kanäle mit 20 Gbit/s, die zu einem einzigen logischen bidirektionalen Kanal mit 40 Gbit/s zusammengefasst werden. Thunderbolt-3-Controller können einen USB-3.1-Gen-2-Controller integrieren, um Kompatibilität mit USB-Geräten zu gewährleisten. Sie sind auch in der Lage, den DisplayPort Alternate Mode sowie DisplayPort über USB4 Fabric bereitzustellen, wodurch die Funktion eines Thunderbolt-3-Anschlusses eine Obermenge der eines USB-3.1-Gen-2-Anschlusses darstellt.

DisplayPort Alternate Mode 2.0: USB4 (erfordert USB-C) verlangt, dass Hubs DisplayPort 2.0 über einen USB-C Alternate Mode unterstützen. DisplayPort 2.0 kann 8K-Auflösung bei 60 Hz mit HDR10-Farbe unterstützen.[134] DisplayPort 2.0 kann bis zu 80 Gbit/s nutzen, was dem Doppelten der für USB-Daten verfügbaren Bandbreite entspricht, da es alle Daten in eine Richtung (zum Monitor) sendet und somit alle acht Datenleitungen gleichzeitig verwenden kann.[134]

Nachdem die Spezifikation lizenzgebührenfrei gemacht und die Verwaltung des Thunderbolt-Protokolls von Intel an das USB Implementers Forum übertragen wurde, wurde Thunderbolt 3 effektiv in die USB4-Spezifikation integriert – wobei die Kompatibilität mit Thunderbolt 3 optional, aber für USB4-Produkte empfohlen wird.[135]

[Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: USB-zu-Seriell-Adapter

Verschiedenes Protokollkonverter sind verfügbar, die USB-Datensignale in andere Kommunikationsstandards umwandeln und umgekehrt.

[Quelltext bearbeiten]

Aufgrund der Verbreitung des USB-Standards gibt es viele Exploits, die den USB-Standard nutzen. Eines der größten Beispiele hierfür ist heute als USB-Killer ein Gerät, das USB-Geräte beschädigt, indem es Hochspannungsimpulse über die Datenleitungen sendet.

In Versionen von Microsoft Windows vorWindows XP, würde Windows automatisch ein Skript (falls vorhanden) auf bestimmten Geräten überAutoRun, von denen es sich bei einem um USB-Massenspeichergeräte handelt, die schädliche Software enthalten können.[136]