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Der Universal Serial Bus, kurz USB genannt, ist eine weit verbreitete serielle Schnittstelle, über die elektronische Geräte miteinander verbunden werden und Daten austauschen können. Die USB-Technologie stammt ursprünglich aus dem PC-Bereich und wurde entwickelt, um periphere Geräte wie Drucker, Scanner und weitere Hardware an den Heimcomputer anzuschließen.

Allgemeines zu USB-Steckverbindern

Der Universal Serial Bus, kurz USB genannt, ist eine weit verbreitete serielle Schnittstelle, über die elektronische Geräte miteinander verbunden werden und Daten austauschen können. Die USB-Technologie stammt ursprünglich aus dem PC-Bereich und wurde entwickelt, um periphere Geräte wie Drucker, Scanner und weitere Hardware an den Heimcomputer anzuschließen.

Durch Komfortmerkmale wie die Möglichkeit zum Verbinden von Geräten im laufenden Betrieb (Hot Plugging) oder das automatische Erkennen von Hardware (Plug & Play) brachte USB seit seiner Markteinführung 1996 eine deutliche Vereinfachung für die Anwender mit sich. Mit der Einführung von USB 2.0 im Jahr 2000 konnte die Datentransferrate massiv gesteigert werden, so dass USB auch zur Anbindung externer Massenspeicher genutzt wurde und sich mittlerweile als Standard gegenüber konkurrierenden Systemen wie FireWire oder eSATA durchgesetzt hat. Stand mit USB 1.0 eine Übertragungsrate von maximal 12 Mbit/s zur Verfügung, sind mit USB 3.1 Übertragungsraten von 10 Gbit/s möglich. Dabei besteht eine weitgehende Abwärtskompatibilität, die jedoch (vor allem in Verbindung mit der gestiegenen Variationsbreite an Steckverbindern) Grenzen hat.

Seit Mobiltelefone USB als Standard-Schnittstelle und zur Stromversorgung nutzen, sind zahlreiche Kabel mit USB-C- oder Micro-USB-Steckern im Einsatz. Dagegen verwenden klassische PC-Peripheriegeräte wie Drucker oder Scanner eher USB-Anschlussstecker des Typs B, während Host-seitig der Steckertyp A erwartet wird. Beim Kauf von USB-Steckverbindern sollte also vorab ermittelt werden, welche USB-Generation und welches Steckerformat tatsächlich benötigt wird.

Wie funktioniert die Datenübertragung bei USB?

Die Kommunikation in einem USB-System wird zentral von einem Host-Controller gesteuert, der üblicherweise zu den implementierten Baugruppen eines Heimcomputer-Mainboards gehört. Der Host-Controller liest Daten von verbundenen Geräten aus. Angebundene Geräte dürfen Daten nur auf Anfrage durch den Host-Controller senden. Eine Ausnahme sind „USB on the Go“-Geräte, die auch ohne Beteiligung eines Host-Controllers kommunizieren können. Neu angeschlossene Geräte bekommen vom Host-Controller eine eindeutige Adresse zugeteilt und werden unter anderem nach Hersteller- und Produkt-ID gefragt. Der USB-Standard definiert unterschiedliche Geräteklassen, die mit generischen Treibern steuerbar sind. Dadurch ist nicht für jedes Gerät ein eigener Treiber erforderlich. So lassen sich Geräte mit grundlegenden Funktionen wie Tastaturen, Mäuse oder Massenspeicher ohne vorige Treiber-Installation sofort verwenden.

USB liefert angeschlossenen Geräten bereits seit der ersten Version eine Stromversorgung über die verwendete Kabelverbindung. Die maximale Leistungsaufnahme von Abnehmern wurde mit der Fortführung der USB-Spezifikation von anfangs 0,5 W auf bis zu 100 W erweitert.

Welche USB-Generationen werden unterschieden?

Der USB-Standard lässt sich in folgende Versionen einteilen:

USB 1.0

USB 1.0 wurde 1996 als vereinheitlichender Nachfolger einer Reihe unterschiedlicher PC-Schnittstellen eingeführt. Durch den universellen Anspruch begrenzte sich der Standard nicht auf Tastatur und Maus, sondern war auch für weitergehende PC-Peripherie vorgesehen.  Mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von maximal 12 Mbit/s kam die Anbindung von Massenspeichern kaum zum Zug.

USB 1.1

USB 1.1 wurde 1998 als Spezifikation eingeführt, wobei damit in erster Linie Fehler und ungelöste Probleme des Vorgängers beseitigt wurden. Die Transferrate blieb gleich. 

USB 2.0

Die im Jahr 2000 eingeführte USB 2.0-Spezifikation („High-Speed“) ist die bis heute verbreitetste und in nahezu allen Computersystemen zu finden. Mit einer Übertragungsrate von 480 Mbit/s ermöglichte sie den regulären Einsatz datenintensiver Anbindungen wie Massenspeicher oder Videogeräte. Dadurch konnte USB mit dem FireWire-System konkurrieren. Die maximal bereitgestellte Leistung wurde von vormals 0,5 W auf 2,5 W erhöht.

USB 3.0

2008 wurde USB 3.0 mit dem Namenszusatz „SuperSpeed“ und einer theoretischen Übertragungsrate von 5 Gbit/s eingeführt. Die maximal mögliche Netto-Datenrate liegt derweil bei etwas unter 4GBit/s. Mit USB 3.0 wurden neue Steckerformen und Kabel eingeführt. Handelsübliche Heimcomputer besitzen neben den bekannten USB 2.0- meist mehrere USB 3.0-Anschlüsse. Allerdings finden USB 3.0-Übertragungen nur dann statt, wenn sowohl Host-Controller als auch Kabel und Endgerät den Standard beherrschen. Andernfalls wird in den USB 2.0-Modus gewechselt. Mit USB 3.0 ist regulär eine Leistungsaufnahme von 4,5 W verfügbar – mit dem 2014 vorgestellten USB-Typ-C-Stecker sogar 15 W oder 100 W im Modus USB Power Delivery (USB-PD).

USB 3.1

Der 2013 aufgekommene USB 3.1-Standard verdoppelte unter der Bezeichnung „SuperSpeed +“ die Übertragungsgeschwindigkeit auf brutto 10 Gbit/s. Der bisherige USB 3.0-Standard ging in der neuen Spezifikation auf und heißt seither offiziell „USB 3.1 Gen 1“. SuperSpeed + wird demnach als „USB 3.1 Gen 2“ bezeichnet.

Kompatibilität

Die USB-Technologie zeichnet sich durch eine weitgehende Abwärtskompatibilität aus, die auch den längerfristigen Einsatz älterer Endgeräte ermöglicht. So können USB 2.0-Geräte an einem USB 3.0-fähigen Host-Controller genutzt werden. Ebenso ist es möglich, USB 3.0-Geräte an einem maximal USB 2.0-fähigen Host-Controller zu betreiben. Es sollte allerdings darauf geachtet werden, dass dieser die benötigte Leistungsaufnahme des Endgerätes bedienen kann. Für einen tatsächlichen Betrieb in der USB 3.0-Spezifikation müssen neben dem Host-Controller auch das Kabel sowie das jeweilige Endgerät den Standard beherrschen. 

Welches Steckerformat benötige ich?

Die üblichen Formate sind:

Typ A

Die gängigste Bauform ist der Stecker-Typ A, für den als klassischer USB-Anschlusstyp an fast jedem Computer eine passende Buchse zu finden ist. Die eher große Bauform ist der Entwicklungsgeschichte im PC-Bereich geschuldet und macht ihn für kleine oder mobile Geräte wenig interessant. Typ-A-Stecker werden meist zum Anschluss an einen Host verwendet. 

Typ B

Stecker-Typ B ist deutlich weniger verbreitet als Typ A. Gebräuchlichster Anwendungsbereich ist der Anschluss von Druck- und Kopiergeräten. Häufig kommt er auch beim Anschluss von externen Festplatten zum Einsatz.

Typ C

Die Bauform des Typs C wurde 2014 vorgestellt und ist das neueste Format der USB-Steckerfamilie. Gegenüber Typ A und Typ B ist diese Bauform deutlich kompakter. Wegen des punktsymmetrischen Aufbaus muss der Stecker nicht in einer bestimmten Ausrichtung eingesteckt werden, was die Bedienung deutlich vereinfacht. Der Typ C-Stecker ermöglicht gegenüber den bisherigen Spezifikationen eine Stromstärke von regulär 3 A bei 5 V Nennspannung und kann daher 15 W Leistungsaufnahme gewährleisten. Im USB-PD-Modus ist eine Stromstärke von 5 A möglich. Dabei kann die Spannung von regulär 5 auf 12 oder 20 V erhöht werden, was Leistungsaufnahmen bis 100 W ermöglicht. Durch die Freigabe der Flussrichtung ist die Stromversorgung nun auch in beide Richtungen möglich.

Micro-USB

Der Micro-USB-Stecker ist aktuell der gängigste Anschluss für mobile Endgeräte wie Smartphones oder Tablets. Durch seine kompakte Bauform findet er leicht Platz in einem Gehäuse. Dieser Stecker-Typ wird in der laufenden Entwicklung durch den Typ C ersetzt.

Bauformen

Der universelle Anwendungsbereich von USB-Steckverbindungen bringt verglichen mit der Anfangsphase der USB-Technologie heute eine deutlich größere Auswahl an Bauformen mit. Dabei sind die Spezifikationen der jeweiligen USB-Generation ebenso zu beachten wie die möglichen Kombinationen und das Platzangebot im Einsatzbereich. Durch Micro- und Mini-Stecker gibt es Varianten für geringe Platzangebote, die mit dem neuen Typ C ergänzt und langfristig ersetzt werden.

Es gibt also einige Kriterien, die es beim Kauf von USB-Steckverbindern zu beachten gilt. Wichtigster Aspekt sollte die Kompatibilität der zu verbindenden Geräte sein. Je nach Konfiguration kann sich die Auswahl zur Verfügung stehender Varianten bereits dadurch auf ein besser überschaubares Maß reduzieren. Daneben spielt das Platzangebot im Anwendungsbereich möglicherweise eine Rolle oder spezielle Verwendungszwecke wie etwa eine leistungsstärkere Stromversorgung, die gegebenenfalls für die Wahl des Typ-C-Steckers sprechen. In jedem Fall hilft ein Blick in die technischen Spezifikationen und Datenblätter der verwendeten Endgeräte, um Leistungsmerkmale eindeutig beurteilen zu können und Unklarheiten auszuräumen. 

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