Was bedeutet USB? Universal Serial Bus erklärt

Mit Hilfe des USB-Standards können digitale Geräte mit­ein­an­der kom­mu­ni­zie­ren. Fast alle Pe­ri­phe­rie­ge­rä­te besitzen mitt­ler­wei­le diese An­schluss­mög­lich­keit. Dabei mag die Be­zeich­nung „Standard“ täuschen, denn die Tech­no­lo­gie hat im Laufe der Zeit mehrere Upgrades erlebt und ist jedes Mal leis­tungs­fä­hi­ger geworden.

Den Begriff „USB“ haben Sie sicher schon gehört. USB-Kabel und USB-An­schlüs­se gehören heute zum Alltag. Von der Di­gi­tal­ka­me­ra über den Drucker und die externe Fest­plat­te bis zum Smart­phone können digitale Geräte verbunden werden und mit­ein­an­der kom­mu­ni­zie­ren. Doch was genau verbirgt sich hinter der Idee des USB?

USB, kurz für „Universal Serial Bus“, ist eine uni­ver­sel­le Schnitt­stel­le, die auf einem seriellen Bussystem basiert. Über diese Schnitt­stel­le lassen sich externe Geräte an einen Computer oder ein anderes Endgerät zur Da­ten­über­tra­gung an­schlie­ßen. Die Da­ten­über­tra­gung funk­tio­niert in beide Rich­tun­gen. Die Schnitt­stel­le lässt sich außerdem zur Strom­ver­sor­gung der externen Geräte nutzen. Dadurch kann z. B. eine externe Fest­plat­te im 2,5''-Format mit einem einzigen USB-Kabel betrieben werden.

USB wurde Ende der 1990er Jahre als eine uni­ver­sel­le Com­pu­ter­schnitt­stel­le ge­schaf­fen. Andere Techniken für Schnitt­stel­len (seriell oder parallel) wurden damit abgelöst. USB nutzt serielle Da­ten­über­tra­gung, genauer Bit-serielle Da­ten­über­tra­gung. Dabei werden Daten Bit für Bit hin­ter­ein­an­der über einen Da­ten­ka­nal gesendet, statt parallel über mehrere Leitungen. Auf diese Weise sind höhere Da­ten­über­tra­gungs­ra­ten möglich. Anders als bei par­al­le­ler Da­ten­über­tra­gung müssen zudem keine un­ter­schied­li­chen Lauf­zei­ten bei den je­wei­li­gen Da­ten­lei­tun­gen be­rück­sich­tigt werden. Dennoch können bei der seriellen Da­ten­über­tra­gung mehrere Leitungen parallel benutzt werden. Standards wie Ethernet, HDMI und SATA verwenden ebenfalls serielle Da­ten­über­tra­gungs­me­tho­den.

Viele USB-Geräte lassen sich bei laufendem Betrieb an einen Rechner oder ein anderes Endgerät an­schlie­ßen (Hot Plugging). Die USB-Schnitt­stel­le erkennt sie meist au­to­ma­tisch und startet die In­ter­ak­ti­on (Plug and Play). Auch das Her­aus­zie­hen des USB-Steckers im laufenden Betrieb ist möglich.

Ins­be­son­de­re die aktuellen Versionen USB 3.1 und 3.2 sind gut geeignet, um hohe Da­ten­ra­ten zu über­tra­gen. Auch deswegen werden externe Fest­plat­ten immer beliebter, z. B. als Backup-Lösung. Sie sind klein und mobil und benötigen kein zu­sätz­li­ches Strom­ka­bel, da sie über das Da­ten­ka­bel mit Energie versorgt werden. Zudem sind ihre Ka­pa­zi­tä­ten mit der Zeit be­trächt­lich gestiegen und bewegen sich mitt­ler­wei­le im Terabyte-Bereich.

• Externe Schnitt­stel­le mit uni­ver­sel­lem Standard für eine Vielzahl von End­ge­rä­ten
• Hot-Plug-fähig (An­schlie­ßen und Entfernen bei laufendem Betrieb)
• Plug-and-Play-fähig (au­to­ma­ti­sches Erkennen und Betreiben des an­ge­schlos­se­nen Geräts)
• Zugleich für Strom­ver­sor­gung nutzbar
• Über einen USB-Hub er­wei­ter­bar (aus einem USB-Anschluss mehrere Schnitt­stel­len machen)
• Stabiler, platz­spa­ren­der und ver­po­lungs­si­che­rer Stecker
• Zu älteren USB-Standards stets ab­wärts­kom­pa­ti­bel

Im Laufe seiner Ent­wick­lung ent­stan­den ver­schie­de­ne Bauformen des Universal Serial Bus. Aufgrund der Mi­nia­tu­ri­sie­rung vieler Geräte musste auch die Ste­cker­grö­ße mit­schrump­fen. Dies hat diverse Mini- und Mi­cro­va­ri­an­ten her­vor­ge­bracht. Be­sit­ze­rin­nen und Besitzer einer Kiste mit un­ge­nutz­ten Com­pu­ter­ka­beln können ein Lied vom Va­ri­an­ten­reich­tum der Ka­bel­en­den singen. Alle USB-Ste­cker­ty­pen sind sicher gegen Ver­tau­schung und Verpolung. Im Folgenden ein kurzer Überblick über die ver­schie­de­nen Typen der USB-Steck­ver­bin­dun­gen:

Dieser Ste­cker­typ ist der ge­läu­figs­te der ersten Ge­ne­ra­ti­on. Der häufigste Ein­satz­be­reich der Typ-A-Steck­ver­bin­dun­gen sind Tas­ta­tu­ren oder Com­pu­ter­mäu­se. Der recht­ecki­ge, flache Stecker enthält 4 Leitungen inklusive Schirmung. In der Variante Type A Super Speed sind 9 Leitungen verbaut. USB-A gibt es zu­sätz­lich in einer Mini- und einer Mi­cro­aus­füh­rung.

Steck­ver­bin­dun­gen von der Bauform Typ-B sind oft auf der Ge­häu­se­sei­te von Geräten wie Fest­plat­ten oder Druckern zu finden. Sie sind annähernd qua­dra­tisch und besitzen vier Leitungen plus Schirmung. Auch hier gibt es eine Variante für USB 3 mit mehr Leitungen und jeweils eine Mini- und eine Mi­cro­aus­füh­rung.

Die mi­nia­tu­ri­sier­te USB-C-Steck­ver­bin­dung wurde 2014 ein­ge­führt und ist den immer flacher werdenden Gehäusen von Notebooks und Smart­phones ge­schul­det. Diese neue Bauform ist so designt, dass es kein Oben und Unten mehr gibt und es somit keine Rolle spielt, wie herum der Stecker ein­ge­steckt wird. Auch die neue USB-4-Ge­ne­ra­ti­on wird diesen Ste­cker­typ nutzen.

Die Über­tra­gung der Daten über den Bus erfolgt seriell. Auf einer Leitung werden nach­ein­an­der die einzelnen Bits gesendet und empfangen. Das Da­ten­si­gnal wird sym­me­trisch über­tra­gen: Eine Leitung überträgt das Da­ten­si­gnal, die andere Leitung ein in­ver­tier­tes Signal. Daraus Vorteil ergibt sich eine hohe Über­tra­gungs­si­cher­heit. Von außen an­lie­gen­de elek­tri­sche Felder löschen sich ge­gen­sei­tig, was Störungen bei der Über­tra­gung ver­hin­dert.

In den älteren Spe­zi­fi­ka­ti­on USB 1.0 und USB 2.0 werden die Daten in beide Rich­tun­gen über dieselbe Si­gnal­lei­tung über­tra­gen. Ab der USB-3.0-Version kommen weitere Leitungen zum Einsatz. Zur Strom­ver­sor­gung über das USB-Kabel sind weitere Adern hin­zu­ge­fügt worden. Der Anschluss liefert je nach USB-Version und Ste­cker­typ eine konstante Spannung von min­des­tens fünf Volt. Die maximale Strom­stär­ke ist abhängig von der je­wei­li­gen Spe­zi­fi­ka­ti­on.

Während A, B oder C die Stecker-Bauform be­zeich­nen, steht die Version für die elek­tri­schen Pro­to­kol­le. Diese de­fi­nie­ren, was das jeweilige Format technisch leisten muss:

Der Universal Serial Bus un­ter­stützt die prio­ri­sier­te Über­tra­gung der Daten und stellt ver­schie­de­ne Da­ten­über­tra­gungs­ra­ten bis zur maximal spe­zi­fi­zier­ten Rate zur Verfügung. Die Bus-Logik wird vom Host-Con­trol­ler über­nom­men, der den Da­ten­aus­tausch der ver­bun­de­nen USB-Geräte ko­or­di­niert. Die Bedeutung von USB hat seit seiner Ein­füh­rung im Jahr 1996 mit der Version 1.0 rasant zu­ge­nom­men. Oben­ste­hen­de Tabelle zeigt die Stei­ge­rung der maximal möglichen Da­ten­über­tra­gungs­ra­ten vom Standard zu Standard. In der Praxis sind diese Raten meist deutlich niedriger:

Der USB-Standard wurde u.a. deswegen ent­wi­ckelt, um ein ein­heit­li­ches Über­tra­gungs­sys­tem für nahezu alle Pe­ri­phe­rie­ge­rä­te zu de­fi­nie­ren. Deswegen lassen sich heut­zu­ta­ge fast alle externen Geräte mittels USB an PC oder Laptop an­schlie­ßen. Dazu gehören bei­spiels­wei­se:

• externe Fest­plat­ten, USB-Sticks
• Drucker und Scanner
• Di­gi­tal­ka­me­ras und Webcams
• Tas­ta­tu­ren und Com­pu­ter­mäu­se
• Laufwerke und Brenner für DVD oder CD
• Smart­phones, Tablets und Smart­wat­ches