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