USB

Der Universal Serial Bus ist ein serielles Bussystem zur Verbindung eines Computers mit externen Geräten. Mit USB ausgestattete Geräte oder Speichermedien können im laufenden Betrieb miteinander verbunden (Hot-Plugging) und angeschlossene Geräte und deren Eigenschaften automatisch erkannt werden.

Moderne Computer haben meist eine große Anzahl von USB-Schnittstellen; stehen zu wenig USB-Anschlüsse zur Verfügung, kann man über Hubs bis zu 127 USB-Geräte an einer Schnittstelle betreiben, wobei zu beachten ist, dass jeder Hub auch eines der Geräte darstellt.

USB eignet sich für viele Geräte wie Massenspeicher (etwa Festplatte, Diskette, DVD-Laufwerk), Drucker, Scanner, Webcams, Maus, Tastatur, aber auch Dongles. Einige Geräte, zum Beispiel USB-Speichersticks, sind überhaupt erst mit USB entstanden. USB kann für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Mäuse, Telefone, Tastaturen, aber auch einige CIS-Scanner oder manche 2,5?-Festplatten die Stromversorgung übernehmen, wobei in einigen Fällen spezielle Anschlusskabel eingesetzt werden, die die Stromversorgung auf zwei USB-Anschlüsse aufteilen.

Seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich, dadurch ist USB zum Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Foto-Kameras geeignet. USB ersetzt zunehmend ältere serielle und parallele Anschlüsse, aber auch PCI-Bussysteme und PCMCIA-Slots.

Die USB-Schnittstelle hat die SCSI-Schnittstelle bei vielen externen Geräten, wie beispielsweise Scannern, weitgehend abgelöst, steht unter anderem bei externen Massenspeicherlösungen jedoch in Konkurrenz zu iSCSI, FireWire und eSATA.

USB ist ein bitserieller Bus, die einzelnen Bits des Datenpaketes werden also nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt differentiell über zwei verdrillte Leitungen, die eine überträgt das Datensignal unverändert, die andere das invertierte Signal. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungshub zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß. Das erhöht die Übertragungssicherheit, unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert damit die elektromagnetische Verträglichkeit.

Zwei weitere Leitungen dienen zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Durch die Verwendung von nur vier Adern in einem Kabel können diese dünner und preiswerter als bei parallelen Schnittstellen ausgeführt werden. Eine hohe Datenübertragungsrate ist mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale mit identischem elektrischen und zeitlichen Verhalten übertragen werden müssen.

Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (den sogenannten Master) vor, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den sog. Slave-Clients) übernimmt. Daran können bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einen USB-Port kann immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden. Wenn an einen Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen, muss deshalb ein Verteiler (Hub) für die Kopplung dieser Geräte sorgen. Durch den Einsatz von Hubs entstehen Baumstrukturen, die alle im Host-Controller enden.

Der USB ersetzt die älteren PC-Schnittstellen RS-232 (seriell), Gameport, die Centronics-Schnittstelle sowie die PS/2-Schnittstelle für Tastatur und Maus. Im Vergleich zu diesen bietet USB deutlich höhere Datenübertragungsraten. USB überträgt seine Daten jedoch in Paketen, für manche zeitkritische Anwendungen ist er deshalb weniger geeignet – etwa bei nur mit wenigen Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde.

Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein physischer Datenbus. Bei einem solchen werden mehrere Geräte parallel an eine Leitung angeschlossen. Die Bezeichnung „Bus“ bezieht sich auf die logische Vernetzung, die tatsächliche elektrische Ausführung erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

Den universellen seriellen Bus (USB 1.0) entwickelte Intel, die Markteinführung erfolgte 1996. Der Bus war zum Anschluss von Peripheriegeräten an den PC konzipiert. Er sollte die Nachfolge einer ganzen Reihe damals verwendeter PC-Schnittstellen antreten und diese vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auch andere Peripheriegeräte wie Drucker und Scanner mit ein. Massenspeicher – wie etwa Festplatten – wurden bereits von USB 1.0 unterstützt, aufgrund der maximalen Datenrate von 12MBit/s war die Brauchbarkeit aber relativ eingeschränkt.

Intel war Vorreiter bei der Markteinführung. Als erste Chipsätze unterstützten 1997 die Intel-Produkte 430HX und 430VX das USB-Protokoll. 1998 wurde die Schnittstelle mit der Entwicklung des iMac bei der Firma Apple eingeführt. Bei diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen ADB durch den USB – damit war die systemübergreifende Akzeptanz dieser Schnittstelle etabliert.

Ab Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der 1.0-Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit erhöhte sich nicht. USB 1.x stellte deshalb keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394) dar, der von Anfang an (1995) eine Datenrate von bis zu 400 MBit/s bot und im April 2003 auf bis zu 3200 MBit/s beschleunigt wurde.

Im Jahr 2000 folgte die Spezifikation für USB 2.0, die vor allem die Datenrate auf bis zu 480 MBit/s (60 MByte/s) erweiterte und so den sinnvollen Anschluss von Festplatten oder Videogeräten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt. Zu beachten ist hierbei allerdings, dass pro Anschluss nur max. 500 mA (High Power) oder 100 mA (Low Power) zur Verfügung stehen. Das reicht aber für externe Festplatten meist nicht aus, weswegen oft ein externes Netzteil benötigt wird. Aktuelle 2,5?-Festplatten benötigen zum Beispiel einen Startstrom, der über einem Ampere liegt und daher auch bei Anschluss der Festplatte über 2 USB-Ports außerhalb der Spezifikation liegt.

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