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USB

Allgemeines

usb

USB ist ein technischer Standard zum Datenaustausch zwischen einem Computer und externen Geräten, z.B. einem Drucker, einer Maus oder einer Tastatur. Das Kürzel USB steht für Universal Serial Bus, frei übersetzt als "standardisierte, serielle Schnittstelle".

Die Vorzüge

USB zeichnet sich aus durch eine hohe Übertragungsstabilität und die oben bereits erwähnte, weitreichende Kompatibilität. Außerdem ist USB anwendungsfreundlich: Nutzer können Geräte im laufenden Betrieb verbinden und trennen.Dabei werden Informationen über Gerätetypen und spezielle Eigenschaften automatisch ausgetauscht und vom Host (dem Computer) erkannt.

Die technischen Spezifikationen FerritKern

Eine USB-Kette besteht im Wesentlichen aus einem Host-Controller, USB-Ports, USB-Hubs und Slave-Clients. Der Host-Controller ist der PC. USB-Ports und -Hubs lassen sich als USB-Steckdosen bzw. -Mehrfachsteckdosen beschreiben. Slave-Clients sind die angeschlossenen Peripheriegeräte. USB-Kabel sind Daten- und Stromkabel zugleich. Eine ausreichende Schirmung des Kabels ist entscheidend für den störungsfreien Datentransfer. Dabei gilt: Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erfordern effektivere Schirmung. Eine besondere Entstörung für High-Power-Geräte, die ihren Betriebsstrom ausschließlich über das USB-Kabel beziehen (z.B. externe 2,5"-Festplatten oder Slimline-DVD-Brenner), gewährleisten sogenannte Ferritkerne.

Steckertypen

USB-Stecker lassen sich grundsätzlich in Typ A und Typ B unterscheiden:

  • Typ A ist breit und flach und kommt hauptsächlich beim Anschluss am PC zum Einsatz.
  • Typ B ist kleiner, nahezu quadratisch und stellt in der Regel den Anschluss zum Peripheriegerät her.

Speziell für kleine, mobile Geräte wie MP3-Player, Digitalkameras und Mobiltelefone kommen beide Typen als Mini- bzw. Micro-USB-Stecker zum Einsatz.

USB 2

USB 2 A USB 2 Micro A USB 2 B USB 2 Mini B USB 2 Micro B
USB2A USB2_MicroA USB2B USB2_MiniB USB2_MicroB

USB 3

USB 3 A USB 3 B USB 3 Micro B
USB3A USB3B USB3_MicroB

Micro-USB ist der kleinste USB-Stecker. Auch in dieser Ausführung gibt es die Steckertypen Micro-A und Micro-B, die den "großen Brüdern" in Form und Verwendung nachempfunden sind. Als Nachfolger der Mini-USB-Stecker etabliert sich Micro-USB mehr und mehr als Standard für universell verwendbare Ladegeräte.Bei Handys und Smartphones haben sich quasi alle namhaften Hersteller auf die Micro-USB-Schnittstelle geeinigt, so dass Ladegeräte markenübergreifend genutzt werden können und auch der kabelgebundene Datentransfer erleichtert wird.

USB 3.1 und Typ C Stecker

Schneller, stärker, kompakter!

USBCDie neueste USB Spezifikation 3.1 soll zusammen mit dem neuen USB Typ C Stecker geräteunabhängig der Standard zur Daten, Strom und Bildübertragung werden. Die eierlegende Wollmilchsau vereint Geschwindigkeit und Stromstärke mit einer kompakten Bauweise und eignet sich somit nicht nur für PC’s, sondern auch Smartphones, Tablets und Notebooks.

Als einer der ersten Hersteller hat Apple im Macbook 12 den neuen Port verbaut und das nur einmal als einzige Schnittstelle! Inzwischen findet sich die Schnittstelle in Tablets, Notebooks und Smartphones von  Asus, Google, Acer, HP, Lenovo, LG, Toshiba, Huawei, Microsoft und vielen mehr.

Ausführliche Informationen zu USB Typ C finden Sie hier

 

Die Übertragungsraten

USB ist nicht gleich USB. Das wird vor allem bei den unterschiedlichen Datenübertragungsraten deutlich. Allgemein lassen sich vier Geschwindigkeiten unterscheiden.

Low Speed

Low-Speed entspricht einer Übertragungsrate von 1,5 Mbit/s, wird von allen USB-Standards (1.1, 2.0 und 3.0) unterstützt und eignet sich zum Verbinden von Tastaturen, Mäusen, Modems oder ISDN-Karten mit dem PC.

Full-Speed

Full-Speed erreicht einen Durchsatz von 12 Mbit/s und ist ebenfalls mit sämtlichen USB-Standards erreichbar.

High-Speed

High-Speed garantiert eine Datenübertragung von bis zu 480 Mbit/s und ermöglicht damit den Betrieb "schneller" Peripherie wie z.B. externen Festplatten, CD-/DVD-Brenner oder Digital- und Videokameras. High-Speed wird von USB 2.0 und USB 3.0 unterstützt.

Super-Speed

Super-Speed ist eine Errungenschaft von USB 3.0. Mit einer Übertragungsrate von bis zu 5 Gbit/s ist Super-Speed mehr als 10x schneller als High-Speed und eignet sich zur Übertragung großer Datenmengen. Beispielhaft dauert die Kopie einer 25 GB großen Videodatei nur gut eine Minute, während USB 2.0 und High-Speed knapp 14 min benötigt. Um die weite Verbreitung von USB als Standardschnittstelle zu unterstützen und fortzusetzen, ist USB 3.0 abwärtskompatibel zu den Vorgängerversionen.

Als Innovationen bringt diese aktuelle Entwicklungsstufe eine höhere Stromversorgung (900 mA statt 500 mA) und die Möglichkeit der zeitgleichen Datenübertragung in beide Richtungen (Vollduplex) mit. Diese Leistungssteigerungen von USB 3.0 werden durch fünf zusätzliche Kontakte erreicht, wodurch aber auch die Anforderungen an die Kabel verändert sind. Sie sind nun etwas dicker und weniger flexibel. Auch bei USB 3.0 unterscheidet man zwischen den Steckertypen A, B und Micro.

Super Speed+

Super-Speed+ ist ab USB 3.1 Gen2 möglich und in der Theorie mit 10Gbit/s doppelt so schnell wie Super-Speed. Diese Geschwindigkeit kann mit der neuen, spezifizierten Steckernorm USB Typ C erreicht werden. Außerdem stellt der neue Stecker mit 5A bzw. 25 Watt eine deutlich höhere Stromversorgung zur Verfügung (Neben dem Standard USB Spannungsversorgungsprofil von 5V werden zwei weitere Profile mit 12V und 20V zur Verfügung gestellt, die so Geräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 Watt mit Strom versorgen können). In Kombination mit der USB Power Delivery Technologie (PD wird auch von den USB Steckern Typ A und B ab USB 2.0 unterstützt. Bei PB verständigen sich Quelle, Empfänger und Kabel untereinander, um die maximal elektrische Leistung zu ermitteln) können über eine USB-Leitung sogar bis zu 100 Watt bereitgestellt werden (USB 3.0 4,5 Watt; USB 2.0 2,5 Watt).

Bei einigen Modellen kann über USB Typ C ausgerüstet mit einem entsprechenden Zusatzchip mit Alternate Mode Funktion sogar die Ton- und Bildübertragung z. B. im DisplayPort 1.3 Standard erfolgen. Aufgrund der kompakten Bauweise gibt es bei diesem Standard keine A-, B-, Micro- oder Mini-Steckervariationen mehr. Ein Abwärtskompatibilität ist nur über Adapter gegeben. Dafür ist der Stecker beidseitig verwendbar.

Zu beachten gilt: Der USB Typ C Port (bzw. die Schnittstelle) am Endgeräte determiniert die Leistungsfähigkeit der Verbindung, d.h. ob 5Gbit/s oder 10Gbit/s möglich sind oder z.B. auch eine Bildübertragung über USB Typ C möglich ist. Hier weisen verschiedene Symbole (10 für 10Gbit/s oder P für DisplayPort Multi-Function) auf die Funktionen hin. Um die volle Leistungsfähigkeit der Schnittstelle nutzen zu können, muss dann noch das richtige Kabel gewählt werden. Nicht alle Typ C Kabel sind für die Videoübertragung geeignet und  ein Typ C auf USB 2.0 Kabel kann auch nur in USB 2.0 Geschwindigkeit Daten übertragen.

Die Kabellänge

Laut Standard dürfen USB-Kabel nicht länger als 5 m sein. Kabel der Low-Speed-Spezifikation sind auf nur 3 m Länge beschränkt. Eine Verlängerungsmöglichkeit bieten USB-Hubs, mithilfe derer sich mehrere Kabel in Reihe verbinden lassen. Für einen stabilen Betrieb sollte man hierbei allerdings folgende Aspekte beachten:

  • Alle Hubs sollten über eine eigene Stromversorgung verfügen (selfpowered oder auch aktiv genannt), um eine optimale Versorgung zu gewährleisten.
  • Man sollte die kleinstmögliche Anzahl von Hubs nehmen (eher die Zahl der Ports größer wählen), um Konflikte bei der Hardwareerkennung zu vermeiden.

Über sogenannte USB-Repeaterkabel lässt sich eine Gesamtstrecke von bis zu 30 m überwinden. Den zur Signalverstärkung notwendigen Strom beziehen diese Kabel direkt aus dem USB-Bus. Für die Überbrückung von USB-Kabelstrecken über 30 m bieten sich entweder USB-Line-Extender oder USB-Remote-Hosts an.

USB-Line-Extender und Remote Hosts

Der USB-Line-Extender besteht aus einem Sende- und einem Empfangs-Modul. Ersteres wird an den Host, das zweite an das Peripheriegerät angeschlossen. Für den Datentransfer werden beide Module mit einem Ethernetkabel oder Lichtleiter verbunden.Remote Hosts bestechen vor allem durch ihre äußerst zuverlässige Datenübertragung und ihre einfache Anwendung. Der USB-Host-Controller sitzt dazu außerhalb des Computers. Die zu überbrückende Distanz zum Rechner wird z. B. über Ethernet hergestellt. Damit ersetzt diese Verbindung den Anschluss am lokalen USB-Bus. Ein Treiber sorgt für die interne Kommunikation zwischen Ethernet und Hostcontroller.

Wireless USB

Für Wireless USB gibt es derzeit zwei Ansätze:

  • Die drahtlose Adaption der USB-Schnittstelle mit Datentransferraten von 480 Mbit/s, basierend auf dem Funkstandard von Ultra Wideband (UWB).
  • Die Cypress-Lösung für die drahtlose Anbindung von Endgeräten und industriellen Steuerungen, die im ISM-Band operiert.

Beide Technologien befinden sich noch im Entwicklungsstadium und stellen sich Herausforderungen, wie Reichweite, Batterielebensdauer, Sendeleistung, Sicherheit, Störanfälligkeit usw.

USB

Allgemeines

usb

USB ist ein technischer Standard zum Datenaustausch zwischen einem Computer und externen Geräten, z.B. einem Drucker, einer Maus oder einer Tastatur. Das Kürzel USB steht für Universal Serial Bus, frei übersetzt als "standardisierte, serielle Schnittstelle".

Die Vorzüge

USB zeichnet sich aus durch eine hohe Übertragungsstabilität und die oben bereits erwähnte, weitreichende Kompatibilität. Außerdem ist USB anwendungsfreundlich: Nutzer können Geräte im laufenden Betrieb verbinden und trennen.Dabei werden Informationen über Gerätetypen und spezielle Eigenschaften automatisch ausgetauscht und vom Host (dem Computer) erkannt.

Die technischen Spezifikationen FerritKern

Eine USB-Kette besteht im Wesentlichen aus einem Host-Controller, USB-Ports, USB-Hubs und Slave-Clients. Der Host-Controller ist der PC. USB-Ports und -Hubs lassen sich als USB-Steckdosen bzw. -Mehrfachsteckdosen beschreiben. Slave-Clients sind die angeschlossenen Peripheriegeräte. USB-Kabel sind Daten- und Stromkabel zugleich. Eine ausreichende Schirmung des Kabels ist entscheidend für den störungsfreien Datentransfer. Dabei gilt: Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erfordern effektivere Schirmung. Eine besondere Entstörung für High-Power-Geräte, die ihren Betriebsstrom ausschließlich über das USB-Kabel beziehen (z.B. externe 2,5"-Festplatten oder Slimline-DVD-Brenner), gewährleisten sogenannte Ferritkerne.

Steckertypen

USB-Stecker lassen sich grundsätzlich in Typ A und Typ B unterscheiden:

  • Typ A ist breit und flach und kommt hauptsächlich beim Anschluss am PC zum Einsatz.
  • Typ B ist kleiner, nahezu quadratisch und stellt in der Regel den Anschluss zum Peripheriegerät her.

Speziell für kleine, mobile Geräte wie MP3-Player, Digitalkameras und Mobiltelefone kommen beide Typen als Mini- bzw. Micro-USB-Stecker zum Einsatz.

USB 2

USB 2 A USB 2 Micro A USB 2 B USB 2 Mini B USB 2 Micro B
USB2A USB2_MicroA USB2B USB2_MiniB USB2_MicroB

USB 3

USB 3 A USB 3 B USB 3 Micro B
USB3A USB3B USB3_MicroB

Micro-USB ist der kleinste USB-Stecker. Auch in dieser Ausführung gibt es die Steckertypen Micro-A und Micro-B, die den "großen Brüdern" in Form und Verwendung nachempfunden sind. Als Nachfolger der Mini-USB-Stecker etabliert sich Micro-USB mehr und mehr als Standard für universell verwendbare Ladegeräte.Bei Handys und Smartphones haben sich quasi alle namhaften Hersteller auf die Micro-USB-Schnittstelle geeinigt, so dass Ladegeräte markenübergreifend genutzt werden können und auch der kabelgebundene Datentransfer erleichtert wird.

USB 3.1 und Typ C Stecker

Schneller, stärker, kompakter!

USBCDie neueste USB Spezifikation 3.1 soll zusammen mit dem neuen USB Typ C Stecker geräteunabhängig der Standard zur Daten, Strom und Bildübertragung werden. Die eierlegende Wollmilchsau vereint Geschwindigkeit und Stromstärke mit einer kompakten Bauweise und eignet sich somit nicht nur für PC’s, sondern auch Smartphones, Tablets und Notebooks.

Als einer der ersten Hersteller hat Apple im Macbook 12 den neuen Port verbaut und das nur einmal als einzige Schnittstelle! Inzwischen findet sich die Schnittstelle in Tablets, Notebooks und Smartphones von  Asus, Google, Acer, HP, Lenovo, LG, Toshiba, Huawei, Microsoft und vielen mehr.

Ausführliche Informationen zu USB Typ C finden Sie hier

 

Die Übertragungsraten

USB ist nicht gleich USB. Das wird vor allem bei den unterschiedlichen Datenübertragungsraten deutlich. Allgemein lassen sich vier Geschwindigkeiten unterscheiden.

Low Speed

Low-Speed entspricht einer Übertragungsrate von 1,5 Mbit/s, wird von allen USB-Standards (1.1, 2.0 und 3.0) unterstützt und eignet sich zum Verbinden von Tastaturen, Mäusen, Modems oder ISDN-Karten mit dem PC.

Full-Speed

Full-Speed erreicht einen Durchsatz von 12 Mbit/s und ist ebenfalls mit sämtlichen USB-Standards erreichbar.

High-Speed

High-Speed garantiert eine Datenübertragung von bis zu 480 Mbit/s und ermöglicht damit den Betrieb "schneller" Peripherie wie z.B. externen Festplatten, CD-/DVD-Brenner oder Digital- und Videokameras. High-Speed wird von USB 2.0 und USB 3.0 unterstützt.

Super-Speed

Super-Speed ist eine Errungenschaft von USB 3.0. Mit einer Übertragungsrate von bis zu 5 Gbit/s ist Super-Speed mehr als 10x schneller als High-Speed und eignet sich zur Übertragung großer Datenmengen. Beispielhaft dauert die Kopie einer 25 GB großen Videodatei nur gut eine Minute, während USB 2.0 und High-Speed knapp 14 min benötigt. Um die weite Verbreitung von USB als Standardschnittstelle zu unterstützen und fortzusetzen, ist USB 3.0 abwärtskompatibel zu den Vorgängerversionen.

Als Innovationen bringt diese aktuelle Entwicklungsstufe eine höhere Stromversorgung (900 mA statt 500 mA) und die Möglichkeit der zeitgleichen Datenübertragung in beide Richtungen (Vollduplex) mit. Diese Leistungssteigerungen von USB 3.0 werden durch fünf zusätzliche Kontakte erreicht, wodurch aber auch die Anforderungen an die Kabel verändert sind. Sie sind nun etwas dicker und weniger flexibel. Auch bei USB 3.0 unterscheidet man zwischen den Steckertypen A, B und Micro.

Super Speed+

Super-Speed+ ist ab USB 3.1 Gen2 möglich und in der Theorie mit 10Gbit/s doppelt so schnell wie Super-Speed. Diese Geschwindigkeit kann mit der neuen, spezifizierten Steckernorm USB Typ C erreicht werden. Außerdem stellt der neue Stecker mit 5A bzw. 25 Watt eine deutlich höhere Stromversorgung zur Verfügung (Neben dem Standard USB Spannungsversorgungsprofil von 5V werden zwei weitere Profile mit 12V und 20V zur Verfügung gestellt, die so Geräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 Watt mit Strom versorgen können). In Kombination mit der USB Power Delivery Technologie (PD wird auch von den USB Steckern Typ A und B ab USB 2.0 unterstützt. Bei PB verständigen sich Quelle, Empfänger und Kabel untereinander, um die maximal elektrische Leistung zu ermitteln) können über eine USB-Leitung sogar bis zu 100 Watt bereitgestellt werden (USB 3.0 4,5 Watt; USB 2.0 2,5 Watt).

Bei einigen Modellen kann über USB Typ C ausgerüstet mit einem entsprechenden Zusatzchip mit Alternate Mode Funktion sogar die Ton- und Bildübertragung z. B. im DisplayPort 1.3 Standard erfolgen. Aufgrund der kompakten Bauweise gibt es bei diesem Standard keine A-, B-, Micro- oder Mini-Steckervariationen mehr. Ein Abwärtskompatibilität ist nur über Adapter gegeben. Dafür ist der Stecker beidseitig verwendbar.

Zu beachten gilt: Der USB Typ C Port (bzw. die Schnittstelle) am Endgeräte determiniert die Leistungsfähigkeit der Verbindung, d.h. ob 5Gbit/s oder 10Gbit/s möglich sind oder z.B. auch eine Bildübertragung über USB Typ C möglich ist. Hier weisen verschiedene Symbole (10 für 10Gbit/s oder P für DisplayPort Multi-Function) auf die Funktionen hin. Um die volle Leistungsfähigkeit der Schnittstelle nutzen zu können, muss dann noch das richtige Kabel gewählt werden. Nicht alle Typ C Kabel sind für die Videoübertragung geeignet und  ein Typ C auf USB 2.0 Kabel kann auch nur in USB 2.0 Geschwindigkeit Daten übertragen.

Die Kabellänge

Laut Standard dürfen USB-Kabel nicht länger als 5 m sein. Kabel der Low-Speed-Spezifikation sind auf nur 3 m Länge beschränkt. Eine Verlängerungsmöglichkeit bieten USB-Hubs, mithilfe derer sich mehrere Kabel in Reihe verbinden lassen. Für einen stabilen Betrieb sollte man hierbei allerdings folgende Aspekte beachten:

  • Alle Hubs sollten über eine eigene Stromversorgung verfügen (selfpowered oder auch aktiv genannt), um eine optimale Versorgung zu gewährleisten.
  • Man sollte die kleinstmögliche Anzahl von Hubs nehmen (eher die Zahl der Ports größer wählen), um Konflikte bei der Hardwareerkennung zu vermeiden.

Über sogenannte USB-Repeaterkabel lässt sich eine Gesamtstrecke von bis zu 30 m überwinden. Den zur Signalverstärkung notwendigen Strom beziehen diese Kabel direkt aus dem USB-Bus. Für die Überbrückung von USB-Kabelstrecken über 30 m bieten sich entweder USB-Line-Extender oder USB-Remote-Hosts an.

USB-Line-Extender und Remote Hosts

Der USB-Line-Extender besteht aus einem Sende- und einem Empfangs-Modul. Ersteres wird an den Host, das zweite an das Peripheriegerät angeschlossen. Für den Datentransfer werden beide Module mit einem Ethernetkabel oder Lichtleiter verbunden.Remote Hosts bestechen vor allem durch ihre äußerst zuverlässige Datenübertragung und ihre einfache Anwendung. Der USB-Host-Controller sitzt dazu außerhalb des Computers. Die zu überbrückende Distanz zum Rechner wird z. B. über Ethernet hergestellt. Damit ersetzt diese Verbindung den Anschluss am lokalen USB-Bus. Ein Treiber sorgt für die interne Kommunikation zwischen Ethernet und Hostcontroller.

Wireless USB

Für Wireless USB gibt es derzeit zwei Ansätze:

  • Die drahtlose Adaption der USB-Schnittstelle mit Datentransferraten von 480 Mbit/s, basierend auf dem Funkstandard von Ultra Wideband (UWB).
  • Die Cypress-Lösung für die drahtlose Anbindung von Endgeräten und industriellen Steuerungen, die im ISM-Band operiert.

Beide Technologien befinden sich noch im Entwicklungsstadium und stellen sich Herausforderungen, wie Reichweite, Batterielebensdauer, Sendeleistung, Sicherheit, Störanfälligkeit usw.

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