Universal Serial Bus

Kurze Geschichte

Die erste Version des Universal Serial Bus wurde 1995 geschaffen. Diese neue Technologie wurde ein sofortiger Erfolg. Seit der Einführung von USB haben die Hersteller elektronischer Geräte darüber nachgedacht, wie sie in Zukunft eingesetzt werden könnte. Heute verbindet USB einen Computer oder andere Geräte wie Laptops und MP3-Player mit Peripheriegeräten.

Der Bus wurde von sieben Unternehmen eingeführt, die die führenden Unternehmen in der Informationstechnologiebranche vertreten: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom und Digital Equipment Corporation (DEC).

Einige Jahre zuvor hielten Adoptierende und Entwickler von USB in einem speziellen Hotel in Kalifornien ein Treffen namens Plugfest ab, um ihre Geräte zu testen. Sie wählten ein Hotel aus, das Zimmer zum Schlafen und zum Testen enthielt. Das Treffen dauerte drei Tage. Während des Treffens schlossen die Vertreter von etwa 50 Firmen ihre USB-Geräte an ein allgemeines Host-System an.

Auch das Logo des USB-Geräts hat seine eigene Geschichte. Das USB-Logo war mehrere Monate lang in Entwicklung.

• 1994 - Sieben Unternehmen schlossen sich zusammen, um mit der Entwicklung von USB zu beginnen.
• 1995 - 340 Unternehmen gründeten das USB Implementation Forum.
• 1996 - Weltweit wurden bereits mehr als fünfhundert USB-Produkte entwickelt.
• 1997 - Das USB Implementation Forum wurde um 60 weitere Unternehmen reicher.
• 1998 - USB wird die populärste Technologie auf dem Elektronikmarkt.
• 2000 - Die Einführung von USB 2.0. Heute ist es das am weitesten verbreitete USB-Gerät.
• 2005 - USB wird drahtlos.
• 2008 - USB 3.0 wird eingeführt. Es ist über 10-mal schneller als USB 2.0.
• 2013 - USB 3.1 wird eingeführt. Es ist etwa doppelt so schnell wie USB 3.0.
• 2015 - USB Typ-C wird eingeführt. Es handelt sich um einen reversiblen Stecker, was bedeutet, dass man ihn in beide Richtungen anschließen kann.

USB-B-Stecker in voller Größe

Unterschiedliche Standards

Derzeit werden fünf verschiedene USB-Standards verwendet: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 und USB 3.1. USB 3.1 wurde 2016 veröffentlicht und hat die Geschwindigkeit von 3.0 verdoppelt. Es verwendet optional einen anderen Anschluss namens USB Typ-C, der reversibel ist (d.h. Sie können ihn auf beide Arten anschließen). USB 1.0 wird heute nur noch selten verwendet.

USB bietet fünf verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten: 1,5 MBit pro Sekunde (Low Speed genannt), 12 MBit pro Sekunde (Full Speed), 480 MBit/Sekunde (Hi Speed), 5 Gbit pro Sekunde (Super Speed genannt) und 10 Gbit/s ("Super Speed+"). Hi Speed ist nur in USB 2.0 und höher verfügbar, und Super Speed ist nur in USB 3.0 verfügbar. Diese Geschwindigkeiten sind rohe Bitraten (in Millionen Bits pro Sekunde). Die tatsächliche Datenrate ist in der Regel aufgrund des Protokoll-Overheads niedriger.

Um die Hochgeschwindigkeits-Übertragungsrate nutzen zu können, müssen sowohl der USB-Controller als auch das angeschlossene Gerät diese unterstützen. USB ist abwärtskompatibel. Schnellere und langsamere USB-Geräte und -Controller können miteinander verbunden werden, aber sie werden mit der langsameren Geschwindigkeit laufen.

USB-Hubs

Fast alle heute verkauften Computer verfügen über USB-Anschlüsse, und die meisten von ihnen unterstützen USB 2.0 oder höher. Die Anzahl ihrer Anschlüsse ist jedoch in der Regel begrenzt. Zwischen zwei und sechs Anschlüsse sind üblich. USB ermöglicht den Anschluss von USB-Hubs, um weitere USB-Anschlüsse hinzuzufügen.

Die Hubs selbst sind ebenfalls mit einem der USB-Standards konform. Geräte, die an einen USB 1.1-Hub angeschlossen sind, sind nur so schnell wie die USB 1.1-Raten. Geräte, die an einen späteren Controller angeschlossen sind, können andere Standards verwenden.

USB-Hubs wie dieser sind weit verbreitet.

USB-Anschlüsse

USB wurde so konzipiert, dass es einfach zu benutzen ist. Die Ingenieure lernten von anderen Steckverbindern, bevor sie USB-Stecker entwarfen. Es gibt 3 Anschlüsse.

• Typ A, häufig am Computer-Ende des Kabels verwendet
• Mikro-A (selten)
• Typ B, am peripheren Ende, selten außer bei Druckern
• Micro-B, am peripheren Ende, für die meisten Smartphones
• Typ C, an beiden Enden. Ab 2017 wird es von vielen neuen Computern, Telefonen und Peripheriegeräten verwendet.

Benutzerfreundlichkeit

• Es ist nicht möglich, einen USB A- oder B-Anschluss falsch herum anzuschließen. Sie können nicht verkehrt herum eingesteckt werden, und es ist am Aussehen und am kinästhetischen Gefühl offensichtlich, wenn er richtig eingesteckt wird. Manchmal versteht oder sieht ein Benutzer jedoch nicht, wie der Anschluss funktioniert, so dass es notwendig sein kann, beide Richtungen auszuprobieren.
• USB-Stecker vom Typ C können auf beide Arten eingesteckt werden. Dabei spielt es keine Rolle, auf welche Weise der Stecker eingesteckt wird.
• Es ist nicht nötig, sehr hart zu drücken oder zu ziehen, um den Stecker zu stecken oder zu ziehen. Dies stand in der Spezifikation. USB-Kabel und kleine USB-Geräte werden durch die Greifkraft aus der Steckdose in Position gehalten. USB benötigt keine Schrauben, Clips oder andere Befestigungselemente. Die zum Herstellen oder Trennen einer Verbindung erforderliche Kraft ist gering. Dadurch können Verbindungen auch in ungünstigen Positionen oder von Menschen mit motorischen Behinderungen hergestellt werden.
• Vor dem Aufkommen von Typ C erzwangen die Konnektoren die gerichtete Topologie eines USB-Netzwerks. USB unterstützt keine zyklischen Netzwerke, so dass die Konnektoren von inkompatiblen USB-Geräten selbst inkompatibel sind. Im Gegensatz zu anderen Kommunikationssystemen (z.B. RJ-45-Verkabelung) wurden vor dem Aufkommen von USB-On-The-Go (OTG) fast nie Geschlechtsumwandlungen vorgenommen, was den Aufbau eines zyklischen USB-Netzwerks erschwert.

Haltbarkeit

• Die Steckverbinder sind so konstruiert, dass sie widerstandsfähig sind. Die ersten Steckverbinderdesigns waren zerbrechlich, mit Stiften oder anderen empfindlichen Komponenten, die sich leicht verbiegen oder brechen konnten, selbst wenn sie schonend behandelt wurden. Die elektrischen Kontakte in einem USB-Steckverbinder werden durch eine Kunststoffzunge geschützt. Die gesamte Verbindungsbaugruppe wird in der Regel zusätzlich durch eine umschließende Metallummantelung geschützt. Daher können USB-Steckverbinder selbst von einem kleinen Kind sicher gehandhabt, eingesteckt und entfernt werden.
• Die Steckverbinderkonstruktion stellt immer sicher, dass die äußere Ummantelung an den Steckkontakten mit ihrem Gegenstück in der Buchse übereinstimmt, bevor die vier Steckverbinder im Inneren angeschlossen werden. Diese Ummantelung ist typischerweise mit der Systemmasse verbunden, so dass ansonsten schädliche statische Ladungen auf diesem Weg (und nicht über empfindliche elektronische Bauteile) sicher abgeleitet werden können. Diese Art der Kapselung bedeutet auch, dass das USB-Signal auf seinem Weg durch das zusammengesteckte Steckverbinderpaar einen (mäßigen) Grad an Schutz vor elektromagnetischen Interferenzen erhält (dies ist die einzige Stelle, an der das ansonsten verdrillte Datenpaar eine Strecke parallel zurücklegen muss). Auch die Strom- und gemeinsamen Anschlüsse werden nach der Systemmasse, aber vor den Datenverbindungen hergestellt. Diese Art des gestuften Make-Break-Timing ermöglicht ein sicheres Hot-Swapping und wurde bereits für Steckverbinder in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.
• Die neueren USB-Mikrosteckverbinder sind so konzipiert, dass bis zu 10.000 Steck- und Belastungszyklen zwischen Steckverbinder und Stecker möglich sind, im Vergleich zu 500 Zyklen bei den Standard-USB- und Mini-USB-Steckverbindern. Dies geschieht durch Hinzufügen einer Verriegelungsvorrichtung und durch Verschieben des Blattfeder-Steckverbinders von der Buchse zum Stecker, so dass sich der am meisten belastete Teil auf der Kabelseite der Verbindung befindet. Diese Änderung wurde vorgenommen, damit der Stecker am (relativ kostengünstigen) Kabel anstelle der Mikro-USB-Buchse den größten Verschleiß aufweist.

Kompatibilität

• Der USB-Standard spezifiziert relativ große Toleranzen für konforme USB-Stecker. Dies geschieht, um Inkompatibilitäten in Steckverbindern verschiedener Hersteller zu minimieren (ein Ziel, das sehr erfolgreich erreicht wurde). Im Gegensatz zu den meisten anderen Steckverbinder-Standards definiert die USB-Spezifikation auch Grenzen für die Größe eines Anschlussgeräts im Bereich um seinen Stecker herum. Dies wurde getan, um zu verhindern, dass ein Gerät aufgrund seiner Größe benachbarte Ports blockiert. Nachgiebige Geräte müssen entweder innerhalb der Größenbeschränkungen passen oder ein nachgiebiges Verlängerungskabel unterstützen, was dies tut.
• Eine Zwei-Wege-Kommunikation ist ebenfalls möglich. Normalerweise haben Kabel nur Stecker und Hosts und Geräte nur Buchsen: Hosts mit Buchsen vom Typ A und Geräte vom Typ B. Stecker vom Typ A verbinden sich nur mit Steckdosen vom Typ A, und Geräte vom Typ B mit Steckdosen vom Typ B. Eine USB-Erweiterung namens USB On-The-Go ermöglicht es jedoch, dass ein einzelner Anschluss entweder als Host oder als Gerät fungiert - je nachdem, welches Ende des Kabels in die Buchse am Gerät gesteckt wird. Selbst nachdem das Kabel angeschlossen ist und die Geräte sprechen, können die beiden Geräte programmgesteuert die Enden "vertauschen". Diese Einrichtung zielt auf Geräte wie PDAs ab, bei denen die USB-Verbindung in einem Fall als Gerät an den Host-Port eines PCs angeschlossen wird, in einem anderen Fall jedoch als Host selbst an ein Tastatur- und Mausgerät.

A Serie "A" Stecker und Buchse.


Ein USB-Typ-C-Anschluss.


USB-Verlängerungskabel

Wie USB gemacht wird

Ein USB-System hat einen asymmetrischen Aufbau. Es besteht aus einem Host, mehreren nachgeschalteten USB-Ports und mehreren Peripheriegeräten, die in einer Sterntopologie angeschlossen sind. Zusätzliche USB-Hubs können in die Ebenen aufgenommen werden, wodurch eine Verzweigung in eine Baumstruktur mit bis zu fünf Ebenen möglich ist.

Ein USB-Host kann mehrere Host-Controller haben. Jeder Host-Controller stellt einen oder mehrere USB-Ports zur Verfügung. Bis zu 127 Geräte, einschließlich der Hub-Geräte, können an einen einzigen Host-Controller angeschlossen werden.

USB-Geräte sind über Hubs in Reihe geschaltet. Es gibt immer einen Hub, der als Root-Hub bezeichnet wird. Der Root-Hub ist in den Host-Controller integriert. Es gibt spezielle Hubs, die als "Sharing Hubs" bezeichnet werden. Diese ermöglichen es mehreren Computern, auf die gleichen Peripheriegeräte zuzugreifen. Sie funktionieren durch Umschalten des Zugriffs zwischen PCs, entweder manuell oder automatisch. Sie sind in kleinen Büroumgebungen beliebt. Was das Netzwerk anbelangt, so konvergieren sie eher, als dass sie divergieren.

Ein physisches USB-Gerät kann mehrere logische Untergeräte haben, die als Gerätefunktionen bezeichnet werden. Ein einzelnes Gerät kann mehrere Funktionen bieten, z.B. eine Webcam (Videogerätefunktion) mit einem eingebauten Mikrofon (Audiogerätefunktion).

Die Kommunikation mit USB-Geräten basiert auf Pipes (logischen Kanälen). Pipes sind Verbindungen vom Host-Controller zu einer logischen Einheit auf dem Gerät, die als Endpunkt bezeichnet wird. Der Begriff Endpunkt wird gelegentlich verwendet, um fälschlicherweise auf die Pipe zu verweisen. Ein USB-Gerät kann bis zu 32 aktive Pipes haben, 16 in den Host-Controller und 16 aus dem Controller heraus.

Jeder Endpunkt kann Daten nur in eine Richtung übertragen, entweder in das Gerät hinein oder aus dem Gerät heraus, so dass jede Pipe unidirektional ist. Endpunkte sind in Schnittstellen gruppiert, und jede Schnittstelle ist einer einzigen Gerätefunktion zugeordnet. Eine Ausnahme bildet der Endpunkt Null, der für die Gerätekonfiguration verwendet wird und keiner Schnittstelle zugeordnet ist.

Wenn ein USB-Gerät zum ersten Mal an einen USB-Host angeschlossen wird, wird der Enumerationsprozess für das USB-Gerät gestartet. Die Aufzählung beginnt mit dem Senden eines Reset-Signals an das USB-Gerät. Während der Reset-Signalisierung wird die Geschwindigkeit des USB-Geräts bestimmt. Nach dem Zurücksetzen werden die Informationen des USB-Geräts vom Host gelesen, dann wird dem Gerät eine eindeutige 7-Bit-Adresse zugewiesen. Wenn das Gerät vom Host unterstützt wird, werden die für die Kommunikation mit dem Gerät erforderlichen Gerätetreiber geladen, und das Gerät wird in einen konfigurierten Zustand versetzt. Wenn der USB-Host neu gestartet wird, wird der Aufzählungsvorgang für alle angeschlossenen Geräte wiederholt.

Der Host-Controller fragt den Bus nach Datenverkehr ab, normalerweise in einer Round-Robin-Art, so dass kein USB-Gerät ohne explizite Anfrage des Host-Controllers Daten auf dem Bus übertragen kann.

Host-Controller

Die Computerhardware, die den Host-Controller und den Root-Hub enthält, verfügt über eine Schnittstelle für den Programmierer. Sie wird Host Controller Device (HCD) genannt und vom Hardware-Implementierer definiert.

Für USB 1.0 und 1.1 gab es zwei verschiedene HCD-Implementierungen, Open Host Controller Interface (OHCI) und Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI wurde von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt, UHCI von Intel.

VIA Technologies hat den UHCI-Standard von Intel lizenziert; alle anderen Chipsatz-Implementierer verwenden OHCI. UHCI verlässt sich mehr auf Software. Das bedeutet, dass UHCI etwas prozessorintensiver als OHCI ist, aber einfacher und billiger herzustellen ist. Da es zwei verschiedene Implementierungen gab, mussten die Hersteller von Betriebssystemen und Hardware auf beiden entwickeln und testen. Dies erhöhte die Kosten.

Die USB-Spezifikation spezifiziert keine HCD-Schnittstellen und befasst sich nicht mit ihnen. Mit anderen Worten: USB definiert das Format der Datenübertragung über den Port, aber nicht das System, über das die USB-Hardware mit dem Computer, in dem sie sitzt, kommuniziert.

Während der Entwurfsphase von USB 2.0 bestand die USB-IF darauf, dass es nur eine Implementierung gab. Die USB 2.0 HCD-Implementierung wird als Enhanced Host Controller Interface (EHCI) bezeichnet. Nur EHCI kann Übertragungen mit hoher Geschwindigkeit (480 Mbit/s) unterstützen. Die meisten PCI-basierten EHCI-Controller verfügen über andere HCD-Implementierungen, die als 'companion host controller' bezeichnet werden, um Full Speed (12 Mbit/s) zu unterstützen, und können für jedes Gerät verwendet werden, das behauptet, Mitglied einer bestimmten Klasse zu sein. Ein Betriebssystem soll alle Geräteklassen implementieren, so dass es generische Treiber für jedes USB-Gerät bereitstellen kann. Die Geräteklassen werden von der Device Working Group des USB Implementers Forum festgelegt.

USB-Geräte-Klassen

Geräteklassen umfassen:

Klasse	Verwendung	Beschreibung	Beispiele
00h	Gerät	Nicht spezifizierte Klasse 0	(Die Geräteklasse ist nicht spezifiziert. Zur Bestimmung der erforderlichen Treiber werden Schnittstellen-Deskriptoren verwendet).
01h	Schnittstelle	Audio	Lautsprecher, Mikrofon, Soundkarte
02h	Beide	Kommunikation und CDC-Kontrolle	Ethernet-Adapter, Modem, Adapter für die serielle Schnittstelle
03h	Schnittstelle	Menschliches Interface-Gerät (HID)	Tastatur, Maus, Joystick
05h	Schnittstelle	Physikalisches Schnittstellengerät (PID)	Force-Feedback-Joystick
06h	Schnittstelle	Bild	Digitalkamera (Die meisten Kameras fungieren als Massenspeicher für den direkten Zugriff auf Speichermedien).
07h	Schnittstelle	Drucker	Laserdrucker, Tintenstrahldrucker
08h	Schnittstelle	Massenspeicher	USB-Flash-Laufwerk, Speicherkartenleser, digitaler Audioplayer, externe Laufwerke
09h	Gerät	USB-Hub	Full-Speed-Nabe, Hi-Speed-Nabe
0Ah	Schnittstelle	CDC-Daten	(Diese Klasse wird zusammen mit Klasse 02h - Kommunikation und CDC-Steuerung verwendet).
0Bh	Schnittstelle	Chipkarte	USB-Chipkarten-Lesegerät
0Dh	Schnittstelle	Sicherheit von Inhalten	-
0Eh	Schnittstelle	Video	Webcam
0Fh	Schnittstelle	Persönliche Gesundheitspflege	-
DCh	Beide	Diagnostisches Gerät	Gerät zur Prüfung der USB-Konformität
E0h	Schnittstelle	Drahtloser Controller	Wi-Fi-Adapter, Bluetooth-Adapter
EFh	Beide	Verschiedenes	ActiveSync und Palm-Synchronisationsgerät
FEh	Schnittstelle	Anwendungsspezifisch	IrDA-Brücke
FFh	Beide	Anbieter-spezifisch	(Dieser Klassencode zeigt an, dass das Gerät herstellerspezifische Treiber benötigt).

Hinweis Klasse 0: Verwenden Sie Klasseninformationen in den Schnittstellendeskriptoren. Diese Basisklasse ist für die Verwendung in den Gerätedeskriptoren definiert, um anzugeben, dass die Klasseninformationen aus den Schnittstellendeskriptoren im Gerät bestimmt werden sollen.

Ein typischer USB-Anschluss.


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

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