USB (Universal Serial Bus)

Was ist USB (Universal Serial Bus)?

USB (Universal Serial Bus) ist ein Datenübertragungsstandard, der häufig für Computerperipheriegeräte verwendet wird. USB wurde mehrfach überarbeitet, weshalb es mehrere Versionen gibt.

USB 3.0, 3.1 und 3.2, sind auch als SuperSpeed USB bekannt. Sie unterstützen Geschwindigkeiten zwischen 5 und 20 GBit/s – abhängig von der Generation und dem Übertragungsmodus. USB 3 ist heute der gängigste Port für Peripheriegeräte und wird häufig für den Anschluss externer Hochgeschwindigkeitsgeräte wie portable Massenspeicher, Netzwerkadapter und hochauflösende Kameras verwendet. Da USB 3 mit USB 2.0 und USB 1.1 abwärtskompatibel ist, können die meisten Peripheriegeräte wie zum Beispiel Mäuse, Tastaturen und Drucker daran angeschlossen werden.

Thunderbolt und USB4 (auch bekannt als USB 4.0) sind neuere Standards, die höhere Geschwindigkeiten und mehr Möglichkeiten als USB 3 bieten. Trotzdem bleibt USB 3 ein beliebter Anschluss, da er einfach zu implementieren, für die Hersteller kostengünstig ist und von nahezu allen Betriebssystemen nativ unterstützt wird, sowie über eine breite Rückwärtskompatibilität verfügt.

Moderne Computer verfügen häufig über USB-3-Ports als USB-A- und USB-C-Anschlüsse. USB 3 bietet immer noch eine ausreichende Geschwindigkeit für fast alle Verbraucheranwendungen, mit Ausnahme von extrem schnellen externen Datenübertragungen auf Flash-Speichern. Auch bei Dockingstationen, Monitoranschlüssen und Gaming-Zubehör kommt USB 3 weiterhin breit zum Einsatz.

Welche USB-Versionen gibt es?

Das USB Implementers Forum, kurz USB-IF, ist eine gemeinnützige Organisation, die 1995 gegründet wurde. Das USB-IF fördert und verwaltet die USB-Standards, einschließlich der Spezifikationen und Übertragungsverfahren für USB-Verbindungen. Das USB-IF ist auch für die Zertifizierung und das Compliance-Programm verantwortlich, um sicherzustellen, dass USB-Produkte den Standards entsprechen. Zu den Mitgliedern zählen große Technologieunternehmen wie HP, Intel, Microsoft und Apple.

Die USB Promoter Group unterstützt das USB-IF bei der Entwicklung neuer USB-Standards. Diese Gruppe besteht aus führenden Technologieunternehmen, die sich aktiv an der Entwicklung und Förderung neuer USB-Technologien beteiligen. Zu den Mitgliedern zählen Unternehmen wie Apple, HP, Intel und Microsoft. Die USB Promoter Group war maßgeblich an der Einführung von USB4 beteiligt.

Die Entwicklung von USB begann mit dem Ziel, eine einheitliche Schnittstelle für verschiedene Peripheriegeräte zu schaffen.

USB 1.0 wurde im Januar 1996 veröffentlicht und unterstützte zunächst eine maximale Datenrate von 1,5 MBit/s (Low Speed) bzw. 12 MBit/s (Full Speed).

USB 1.1 folgte bereits 1998. Es behob kleinere Fehler der ersten Version und verhalf USB zum eigentlichen Durchbruch, auch wegen der weiten Verbreitung in PCs, Druckern und Mäusen.

USB 2.0 kam im April 2000 als großes Sprung, der als High Speed vermarktet wurde. USB 2.0 erhöhte die maximale Datenrate auf 480 MBit/s und war vollständig abwärtskompatibel zu USB 1.x. USB 2.0 wurde zum neuen Standard für viele Jahre und ist bis heute in vielen Geräten weit verbreitet – vor allem bei Eingabegeräten, Druckern, Audiogeräten oder einfacheren USB-Sticks. USB 2.0 unterstützte auch zum ersten Mal grundlegende Stromversorgungsfunktionen über USB, was das Aufladen kleiner Geräte wie MP3-Player oder später Smartphones ermöglichte.

USB 3.0 wurde im November 2008 vorgestellt. Verbrauchergeräte waren ab 2010 erhältlich. Die Industrie entwickelte den Standard, um den maximalen Durchsatz des vorherigen USB-Standards zu erhöhen, um mit anderen Anschlüssen wie zum Beispiel FireWire zu konkurrieren und gleichzeitig die Abwärtskompatibilität mit bestehenden USB-2.0-Geräten zu erhalten. USB 3.0 bietet außerdem Vollduplex-Kommunikation.

Die erste Version war USB 3.0 und unterstützte Geschwindigkeiten von bis zu 5 GBit/s. Neuere Revisionen nennen dies auch USB 3.1 Gen 1 und USB 3.2 Gen 1x1.

Der Standard wurde im Januar 2013 auf USB 3.1 aktualisiert. Damit wurde ein neuer Modus namens SuperSpeed+ oder USB 3.1 Gen 2 eingeführt, der mit 10 GBit/s arbeiten kann. Durch eine effizientere Codierung mit geringerem Overhead werden höhere effektive Datenraten erreicht als bei USB 3.0.

USB 3.2 wurde im Juli 2017 eingeführt. Der Standard umfasst einen neuen Übertragungsmodus von bis zu 20 GBit/s, der mit USB-C-Anschlüssen funktioniert. USB 3.2 ist als SuperSpeed+ oder USB 3.2 Gen 2x2 bekannt. Mit dem 3.2-Standard wurden auch die älteren Übertragungsgeschwindigkeiten umbenannt, was zu Verwirrung bei Bezeichnungen und Logos geführt hat.

Aufgrund der etwas komplizierten Namensgebung sollten neue USB-3.x-Geräte die maximal unterstützte Datentransferrate im Gerätelogo angeben. Glücklicherweise sind alle USB-Geschwindigkeitsstandards abwärtskompatibel, das heißt, dass fast jedes Gerät mit jedem Stecker verwendet werden kann und automatisch auf die beste von beiden Seiten unterstützte Geschwindigkeit zurückfällt.

USB4 wurde im August 2019 eingeführt. Der Standard bietet eine höhere Geschwindigkeit, Power Delivery sowie einen Videoausgang und behält gleichzeitig die Abwärtskompatibilität mit USB 3.0 bei. USB4 basiert auf der Thunderbolt-3-Architektur und unterstützt Übertragungsraten von bis zu 40 GBit/s – allerdings nur, wenn sowohl Host als auch Gerät diese Geschwindigkeit unterstützen. Die Mindestgeschwindigkeit beträgt 20 GBit/s.

USB4 verwendet ausschließlich USB-C-Anschlüsse und integriert verschiedene Protokolle wie DisplayPort und PCI Express (PCIe). Dadurch ermöglicht USB4 neben der Datenübertragung auch die gleichzeitige Übertragung von Videosignalen und Strom über ein einziges Kabel. USb4 ist grundsätzlich abwärtskompatibel zu den Vorgängerversionen

Ein weiterer Vorteil ist das sogenannte Protokoll-Tunneling: USB4 erkennt automatisch, welche Art von Daten übertragen wird (zum Beispiel Video, Daten, Strom) und passt die Ressourcenverteilung dynamisch an. Das erhöht die Effizienz besonders bei Multitasking-Anwendungen mit mehreren angeschlossenen Geräten.

Mit USB4 wurde auch ein klareres Branding eingeführt, das durch Symbole auf Kabeln und Ports die maximal unterstützte Datenrate kennzeichnen soll (beispielsweise 40 Gbps). Trotzdem ist die Kompatibilität mit älteren USB-Standards (USB 2.0, 3.x) weiterhin gegeben. Zar bemühten sich das USB-IF und USB Promoter Group um ein klareres Branding, entschieden sich jedoch zu einem Bruch mit der USB-Namenskonvention (PDF). Die korrekte Schreibweise ist USB4 und nicht USB 4 wie bei den vorherigen Version mit Leerzeichen vor der Versionsnummer.

Seit 2022 gibt es außerdem USB4 Version 2.0, das bis zu 80 GBit/s über symmetrische Verbindungen (mit verbesserten Kabeln) unterstützen kann. Diese Erweiterung ist abwärtskompatibel zu USB4 und USB 3.x.

Welche USB-Steckertypen gibt es?

Um die höhere Geschwindigkeit zu unterstützen, benötigt USB ab Version 3 fünf Pins mehr als USB 2.0. Der neue Stecker wurde so konzipiert, dass die physische Kompatibilität mit den alten Steckern in vielen Fällen erhalten bleibt. Es gibt daher mehrere USB-Steckertypen:

• USB 3.0 Typ-A: Kompatibel mit USB-2.0-Buchsen, aber intern mit zusätzlichen Kontakten für höhere Geschwindigkeit ausgestattet.
• USB 3.0 Typ-B: Größer als der USB-2.0-Typ-B-Stecker, meist bei Druckern und Scannern.
• USB 3.0 Micro-B: Doppelt so breit wie der ältere Micro-USB-Anschluss, oft bei externen Festplatten.
• USB-C: Unterstützt ab USB 3.1 bidirektionale Datenübertragung, Ladefunktion (Power Delivery). Der USB-C-Stecker zeichnet sich durch seine ovale, längliche und symmetrische Form aus, die ein beidseitiges Einstecken in die Buchse ermöglicht, die Handhabung vereinfacht und Beschädigungen verhindert. Die USB-C-Schnittstelle ist heute Standard bei vielen Laptops, Smartphones und Tablets – auch wegen ihrer Vielseitigkeit und geringen Bauform.

Wenn physisch inkompatible USB-Anschlüsse vorhanden sind, gibt es verschiedene Lösungen, um dieses Problem zu beheben. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Adaptern, die verschiedene USB-Typen miteinander verbinden können. Beispielsweise kann man einen USB-C-zu-USB-A-Adapter verwendet, um ein USB-C-Gerät an einen USB-A-Anschluss anzuschließen.

USB-Hubs sind ebenfalls nützlich, da sie mehrere verschiedene Anschlüsse bieten und so die Kompatibilität zwischen verschiedenen USB-Typen erhöhen. Es gibt Hubs, die USB-A, USB-C und andere Anschlüsse unterstützen.

Eine weitere Option sind Kabel mit verschiedenen Anschlüssen, die an einem Ende einen USB-A-Stecker und am anderen Ende einen USB-C-Stecker haben. Mit diesen Kabeln können Geräte mit unterschiedlichen Anschlüssen verbunden werden.

Manchmal können Staub und Schmutz eine korrekte Verbindung verhindern, daher ist es ratsam, die Anschlüsse vorsichtig mit Druckluft oder einem weichen Pinsel zu reinigen. Schließlich sollte sichergestellt werden, dass die USB-Treiber auf dem Computer auf dem neuesten Stand sind, da veraltete Treiber zu Kompatibilitätsproblemen führen können. Diese Lösungen sollten helfen, die Kompatibilität zwischen verschiedenen USB-Anschlüssen zu gewährleisten.

Welche USB-Protokolle gibt es?

USB ist nicht auf die reine Datenübertragung beschränkt. Moderne Versionen unterstützen eine Reihe zusätzlicher Protokolle, die den Anschluss vielseitiger machen. Diese Protokolle nutzen die erweiterten Pins und die höhere Bandbreite von USB-C-Anschlüssen, um zusätzliche Funktionen wie schnelles Laden, Videoausgabe oder sogar Netzwerkverbindungen zu ermöglichen.

Eines der wichtigsten Protokolle ist USB Power Delivery (PD), das bidirektionales Laden mit bis zu 240 Watt (seit USB PD 3.1) unterstützt. Das bedeutet, dass ein Laptop über USB-C nicht nur seinen eigenen Akku laden, sondern auch andere Geräte wie Smartphones oder Tablets mit Strom versorgen kann. Power Delivery ist intelligent genug, um die optimale Spannung und Leistung zwischen den Geräten auszuhandeln, ein großer Vorteil gegenüber älteren USB-Standards. USB4 bietet zudem ein eeffizientere Stromverwaltung für Laptops, Monitore und externe Geräte.

Für die Videoausgabe gibt es den DisplayPort Alt Mode, der den Transport von hochauflösenden Bildsignalen über USB-C ermöglicht. Damit können Monitore mit einer Auflösung von bis zu 8K bei 60 Hz oder mehrere 4K-Bildschirme gleichzeitig betrieben werden. Viele moderne Dockingstationen nutzen dieses Protokoll, um Daten, Strom und Video über ein einziges Kabel zu übertragen. Ähnlich funktioniert der HDMI Alt Mode, der HDMI-Signale direkt über USB-C ausgibt - allerdings ist dieser Standard weniger verbreitet, da viele Hersteller stattdessen DisplayPort mit HDMI-Adaptern kombinieren.

Ein weiteres wichtiges Protokoll ist Thunderbolt das zwar technisch eigenständig ist, aber USB-C als Steckverbinder nutzt. Thunderbolt ermöglicht bis zu 40 GBit/s, unterstützt Daisy-Chaining (mehrere Geräte in Reihe) und kann sogar PCIe-Verbindungen für externe Grafikkarten oder SSDs bereitstellen. Praktisch alle Thunderbolt-3/4-Geräte sind abwärtskompatibel zu USB 3.2, jedoch nicht umgekehrt. Thunderbolt 4 ist eine optimierte Variante von USB4 mit strengeren Mindestanforderungen.