Was ist USB (Universal Serial Bus)? Typen und Bedeutung

Universal Serial Bus (USB) ist als Standard definiert, der die von Kabeln, Ports und Protokollen verwendeten Spezifikationen erwähnt, die eine einfache und allgemein akzeptierte Konnektivität zwischen einem Host und einem Peripheriegerät ermöglichen. In diesem Artikel wird erklärt, was USB ist, welche USB-Typen es gibt und welche Bedeutung die Technologie hat.

USB oder Universal Serial Bus ist ein Mechanismus zum Anschließen von Peripheriegeräten an Computer. Vor dem Aufkommen der USB-Technologie verfügte ein PC normalerweise über einen oder zwei serielle Anschlüsse, einen parallelen Anschluss, Tastatur- und Mausanschlüsse und in einigen Fällen einen Joystick-Anschluss.

Der USB-Standard wurde Mitte der 1990er Jahre von einer Reihe amerikanischer Unternehmen, insbesondere IBM, Intel und Microsoft Corporation, als einfachere Möglichkeit zum Anschluss von Computerperipheriegeräten eingeführt. Der Port stellte eine Standardmethode zum Anschließen verschiedener Geräte dar und bot erhebliche Geschwindigkeitsvorteile gegenüber anderen Alternativen.

Anfangs war die Akzeptanz der USB-Technologie schleppend:

Die Einführung des ersten Modells des iMac von Apple Inc. im Jahr 1998 war ein großer Durchbruch. Durch die Entwicklung eines beliebten und gut angenommenen Geräts nur mit USB-Anschlüssen zwang Apple andere Hersteller, den Standard zu übernehmen. Seitdem verwenden die meisten Peripheriegeräte, darunter Drucker, Scanner und Tastaturen, USB. Sogar die Entwicklung neuer Technologien (wie tragbare Speichersticks, im Volksmund USB-Speicher genannt, die schließlich Disketten ersetzten) wurde durch die Akzeptanz dieses Standards vorangetrieben.

Das USB-Design wird jetzt vom USB Implementers Forum (USB-IF) standardisiert, das sich aus Organisationen zusammensetzt, die USB unterstützen und fördern. Das USBIF unterstützt nicht nur den USB, sondern hält auch den Standard aufrecht und setzt das Compliance-Programm durch.

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Der „Bus“ eines Computers ist ein Netzwerk aus Kabeln, das Daten zwischen internen Komponenten oder einem Computer und seinen externen Geräten transportiert. Es ist eine Metapher für eine elektronische Sammelschiene, die Strom über große, energiehungrige Standorte wie Fabriken oder Rechenzentren verteilt.

Vor der Einführung von USB wurde jedes Peripheriegerät über einen eigens konstruierten Anschluss an einen Computer angeschlossen. Da im Laufe der Jahre die Anzahl der Peripheriegeräte zunahm, wurde eine neue standardisierte Methode zum Datenaustausch zwischen dem primären Host und einer Vielzahl von Geräten erforderlich. Dies führte schließlich zur Erfindung von USB.

Wenn ein Peripheriegerät über USB an einen Host-Computer angeschlossen wird, erkennt der Host-Computer automatisch den Gerätetyp und installiert einen Treiber, der den Betrieb ermöglicht.

USB überträgt Daten zwischen zwei Geräten in kleineren, mundgerechten Mengen, die als „Pakete“ bezeichnet werden. Jedes Paket überträgt eine vorgegebene Menge an Bytes (eine digitale Informationseinheit). Dazu können Details wie die Quelle und das Ziel des Materials sowie etwaige Anomalien gehören das könnte ja entdeckt worden sein.

Die Funktionsweise eines USB lässt sich wie folgt aufschlüsseln:

Wenn die Anzahl der Geräte zunimmt, zeichnet der Host die Gesamtbandbreite auf, die von allen isochronen und Interrupt-Geräten angefordert wird. Zusammen können sie bis zu 90 % der verfügbaren Bandbreite beanspruchen, was 480 Megabit pro Sekunde bei Standard-USB oder 4,8 Gigabit pro Sekunde bei USB 3.0 entspricht.

Der Host verhindert den Zugriff auf weitere isochrone oder Interrupt-Geräte, sobald 90 % verbraucht sind. Kontrollpakete und Massenübertragungspakete nutzen die verbleibende Bandbreite (die immer mindestens 10 % beträgt). Über diesen Schwellenwert hinaus können nicht mehrere USB-Verbindungen gleichzeitig Daten übertragen.

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Der USB-Anschluss ist eine Standardschnittstelle zum Anschluss von Kabeln an PCs und Geräte der Unterhaltungselektronik. An diesen Anschluss können Benutzer ein speziell entwickeltes Kabel namens USB-Kabel anschließen. Ein Ende des Kabels wird mit dem Host und das andere mit dem Peripheriegerät verbunden. Je nach USB-Typ können die beiden Enden symmetrisch sein oder auch nicht.

USB-Kabel können sowohl Strom als auch Informationen übertragen. Um dies zu erreichen, verfügt jedes USB-Kabel über zwei Arten von Drähten. Ein Satz transportiert Strom, während der andere Datensignale überträgt.

Im Inneren des herkömmlichen USB-2.0-Anschlusses befinden sich vier Metallstreifen. Die beiden äußersten Streifen sind die positiven und negativen Anschlüsse des Netzteils. Die beiden mittleren Streifen sind für die Datenübertragung vorgesehen. Beim neuesten USB-3.0-Anschluss erhöht die Einbindung zusätzlicher Datenträger die Datenübertragungsrate. Vier zusätzliche Signalleitungen ermöglichen die überlegene Geschwindigkeit von USB 3.0.

Universelle serielle Busverbindungen (ermöglicht durch USB-Anschlüsse und USB-Kabel) unterstützen Folgendes:

Hot-Swapping ist eines der Hauptmerkmale von USB. Diese Funktionalität ermöglicht das Entfernen oder Ersetzen eines Geräts, ohne dass ein Systemneustart oder eine Unterbrechung erforderlich ist.

Bei der Installation oder Deinstallation eines Geräts über einen älteren Port muss der PC neu gestartet werden. Elektrostatische Entladung (ESD), ein unbeabsichtigter elektrischer Strom, der empfindlichen elektronischen Geräten erheblichen Schaden zufügen kann, wurde zunächst durch einen Neustart verhindert. Bei USB ist dies nicht notwendig. Hot-Swapping ist fehlersicher, d. h. es kann trotz Hardwarefehlern weiter funktionieren.

Ein weiterer Aspekt von USB ist die Verwendung von Gleichstrom (DC). Mehrere Geräte sind über einen USB-Stromanschluss an Gleichstrom angeschlossen, kommunizieren jedoch keine Daten. Bemerkenswerte Beispiele sind USB-Lautsprecher, kleine Kühlschränke, Tastaturlampen und sogar USB-basierte Geräteladegeräte.

Alle USB-Anschlüsse verfügen über mindestens vier Kontakte für Strom, Masse und zwei Datenleitungen (D + und D -). USB 3.0-Anschlüsse und höher verfügen über fünf Kontakte. Der USB-Anschluss soll 5V bei einem maximalen Strom von 500mA übertragen. Der USB-Anschluss darf nur in einer Richtung eingesteckt werden. Es ist möglich, eine falsche Verbindung zu erzwingen. Dies könnte jedoch zu Geräteschäden führen.

Der USB-Anschluss ist isoliert und verfügt über ein Metallgehäuse, das nicht Teil des Stromkreises ist. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität in einer elektrisch „ausgelasteten“ Umgebung. Alle USB-Kabel sind am Anschlussende mit Kunststoff umwickelt, um Schäden am Kabel und am elektrischen Anschluss zu vermeiden.

USB kann anhand von vier Entwicklungsgenerationen oder der Art der verwendeten Kabelverbindungen klassifiziert werden. Schauen wir uns zunächst die vier USB-Versionen an, die sich im Laufe der Jahre entwickelt haben.

Arten von USB

Vor USBs verfügten Systeme, wie bereits erläutert, über serielle und parallele Anschlüsse. Viele Computerhersteller wie Intel, Microsoft und Apple haben zusammengearbeitet, um ein universelles Gerät zu entwickeln, das mehrere externe Quellen an einen PC anschließt, ohne dass ein Neustart erforderlich ist. Dies war die erste Generation, wie sie in den 90er Jahren erhältlich war.

Im Jahr 2000 erlangte USB 2.0 eine weitverbreitete Dominanz. Die Übertragungsgeschwindigkeit war der größte Unterschied zwischen Version 2.0 und Version 1.1. USB 2.0 lieferte Daten mit einer Geschwindigkeit von 480 Megabit pro Sekunde, was vierzigmal schneller ist als USB 1.1. Zusätzlich zu den deutlich höheren Geschwindigkeiten war USB 2.0 mit jedem USB 1.1-Anschluss konfigurierbar und umgekehrt.

USB 3.0 war das erste Gerät seiner Art, das hochauflösende Videos effizient übertragen konnte. Es war auch als SuperSpeed ​​USB bekannt und hatte Übertragungsgeschwindigkeiten von 5 Gigabit pro Sekunde oder etwa 5.120 Megabit pro Sekunde. Ähnlich wie USB 1.0 konnte sich USB 3.0 jedoch nicht durchsetzen und seine Nachfolger fanden deutlich mehr Akzeptanz. MacBooks und Chromebooks gehörten zu den ersten Laptops, die das 2014 eingeführte USB 3.1 übernahmen. Die maximale Übertragungsrate von USB 3.1 betrug 10 Gigabit pro Sekunde. Genau drei Jahre später kam USB 3.2 auf den Markt, mit Übertragungsraten von 20 Gigabit pro Sekunde, doppelt so schnell wie USB 3.1. Nur diese USBs sind mit Typ-C-Anschlüssen kompatibel. Diese Ports sind Vollduplex-Ports, was bedeutet, dass Daten in beide Richtungen gesendet werden können, da USB symmetrisch ist.

USB4 (auch bekannt als USB 4.0) ist ein 2019 vom USB-IF herausgegebener Standard in der Version 1.0. Das USB4-Protokoll basiert auf dem Thunderbolt 3-Standard, den die Intel Corporation dem USB-IF vorgelegt hat. Sein Design kann dynamisch eine einzelne Hochgeschwindigkeitsverbindung mit zahlreichen Endgerätetypen nutzen und jede Übertragung entsprechend ihrem Daten- oder Anwendungstyp ausführen. Die ersten mit USB4 kompatiblen Produkte waren Intels Tiger-Lake-Prozessoren, weitere Geräte kamen gegen Ende 2020 auf den Markt . Diese Art der USB-Verbindung hat sich noch nicht durchgesetzt. Eine andere Möglichkeit, die verschiedenen USB-Typen zu verstehen, besteht darin, sie anhand der Art der Kabelverbindung und des physischen Designs zu klassifizieren. Hier sind die wichtigsten USB-Typen, die Sie beachten sollten, und setzen die vorherige Liste fort:

USB-Typ-A-Anschlüsse, oft auch als Typ-A-Stecker bezeichnet, gehören zu den am weitesten verbreiteten USB-Anschlüssen. Daher werden sie auch als Standard-A-Anschlüsse bezeichnet. Wenn Laptops oder Desktop-Computer über einen USB-Anschluss verfügen (an den USB-Geräte angeschlossen werden können), handelt es sich wahrscheinlich um einen Typ-A-Anschluss. Beachten Sie, dass die meisten neueren Apple-Laptops (Macs) keine USB-Typ-A-Anschlüsse haben.

Typ B ist quadratisch und kleiner als Typ A. Dies ist weniger verbreitet als Typ A; Es kann jedoch auf Computerkomponenten wie Scannern, Druckern, externen Festplattenlaufwerken usw. gefunden werden. Dieser Typ eignet sich hauptsächlich für Massendatenübertragungsverbindungen. USB Typ B ist bei Laptops selten zu finden, kann jedoch bei älteren Desktop-Workstations, Servern und Großrechnern weit verbreitet sein.

USB Typ-C ist wahrscheinlich die derzeit am weitesten verbreitete USB-Verbindung. Aufgrund seiner kompakten Größe passt es problemlos in die kleinsten Peripheriegeräte, die wir heute verwenden, wie Mobiltelefone, Bluetooth-Lautsprecher usw. Einer der zahlreichen Vorteile des Typ-C gegenüber anderen aktuellen Varianten besteht darin, dass er die „umgekehrte Steckerausrichtung“ unterstützt, was bedeutet, dass der Stecker unabhängig von seiner Ausrichtung eingesteckt werden kann. Dies bedeutet, dass Sie Ihr Telefon über Ihren Laptop aufladen können oder umgekehrt Verwendung der bidirektionalen Stromversorgung vom Typ C. Der Binnenmarktausschuss des Europäischen Parlaments (IMCO) hat außerdem bestätigtÖffnet ein neues Fenster, dass alle in der EU eingeführten Geräte zwingend über USB-C-Ladefunktionen verfügen müssen.

Moderne Apple-Geräte wie das iPhone und das iPad verfügen häufig über einen separaten USB-Anschluss: das Lightning-Kabel. An einem Ende des Kabels befindet sich ein schmaler, rechteckiger Anschluss und am anderen Ende ein Typ-C-Stecker. Ähnlich wie USB C ist es reversibel oder symmetrisch, d. h. es kann in beide Richtungen eingesteckt werden. Aufgrund seines Designs kann der Lightning-Anschluss jedoch in keinem anderen Produkt oder Gerät als Apple-Produkten verwendet werden.

Dieser USB-Typ optimiert USB-A- oder B-Verbindungen für etwas ältere, tragbare Geräte. Dies sind die Miniaturversionen der USB-Anschlüsse Typ A und Typ B. USB Mini findet sich häufig in tragbaren Kameras, Gaming-Controllern und älteren Mobiltelefonen.

Auch hier optimiert die Micro-Variante USB A oder B für mobile Geräte – allerdings für relativ neuere. Mit der Einführung von USB Typ C werden Micro-USBs nun aus neueren High-End-Smartphone-Modellen ausgemustert. Micro-USB wird jedoch immer noch häufig in preiswerten Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten wie Kopfhörern auf der ganzen Welt verwendet. USB Micro B SuperSpeed ​​ist eine zusätzliche Variante des Micro-USB-Standards. Wie der Name schon sagt, ermöglicht dies eine schnellere Datenübertragung als herkömmliche Micro-USB-B-Anschlüsse. Daher sind diese Verbindungen häufig auf externen Festplattenlaufwerken zu finden, wo es häufig zu massiven Datenübertragungen kommt. Mehr erfahren: Was ist räumliche Analyse? Definition, Arbeitsweise und Beispiele

Aus verschiedenen Gründen ist USB für Verbraucher und Unternehmen gleichermaßen eine grundlegende Technologie im modernen digitalen Zeitalter.

Bedeutung von USB

Die Anpassungsfähigkeit von USB macht separate Verbindungstypen und Hardwarespezifikationen für jedes Zubehör überflüssig. Darüber hinaus verfügen die meisten PCs über drei bis vier USB-Anschlüsse. Wenn mehr USB-Anschlüsse benötigt werden, können USB-Hubs verwendet werden, um externe Anschlüsse hinzuzufügen.

Im Vergleich zu älteren Anschlüssen sind USB-Buchsen kleiner dimensioniert. Darüber hinaus wurde die USB-Schnittstelle von Anfang an als Gleichstromquelle konzipiert. Über seinen USB-Anschluss kann jedes Host-Gerät das Peripheriegerät mit 5 V Gleichstrom versorgen – zwischen 500 mA (USB 1.0 und 2.0) und 900 mA (USB 3.0).

Das Betriebssystem des Hostgeräts muss den USB-Gerätetreiber nur einmal installieren. Danach wird beim Anschließen des Peripheriegeräts sofort der Treiber gestartet, um das Peripheriegerät einzurichten. Normalerweise wird der Gerätetreiber für jedes USB-Peripheriegerät automatisch geladen, wenn das Peripheriegerät zum ersten Mal an den Host angeschlossen wird.

USB bietet mehrere Geschwindigkeitseinstellungen, was es produktivitätsfreundlicher und effizienter macht. Es bietet Geschwindigkeiten zwischen 1,5 Mbit/s und 5 Gbit/s. Im Jahr 2013 kam USB 3.1 auf den Markt, wodurch die Geschwindigkeit auf 10 Gbit/s gesteigert wurde. Darüber hinaus kann das USB-Protokoll Fehler bei der Datenübertragung erkennen und den Sender anweisen, die Daten erneut zu senden.

Aufgrund der Skalierbarkeit des Herstellungsprozesses sowie der Anpassungsfähigkeit und Beliebtheit von USB ist es jetzt erschwinglich, USB-unterstützte Produkte herzustellen. Dadurch sind die Komponenten, Anschlüsse und Kabel weithin zugänglich und kostengünstig. Im „Suspend-Modus“ verbraucht das Peripheriegerät weniger als 500 Mikroampere bei USB 2.0 und weniger als 2,5 Milliampere bei USB 3.0, was die Ausgaben drastisch senkt.

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In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich USB zum am weitesten verbreiteten Verbindungstyp für Verbrauchergeräte entwickelt. Es bietet zahlreiche Anwendungen für PC-Peripheriegeräte bei der Arbeit von zu Hause bis hin zur Erweiterung des Speichers mobiler Geräte. Unternehmen können die USB-Technologie nutzen, um ihre primären Speicherkapazitäten zu erweitern und den Mitarbeitern mehr Flexibilität zu ermöglichen.

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Technischer Schreiber