USB - Universal Serial Bus
Der USB ist eine universelle externe Schnittstelle für alle möglichen Peripheriegeräte, die an einem Computer angeschlossen werden können. Egal ob Tastatur, Maus, Modem, Drucker, Mikrofon, Lautsprecher, Kamera oder Scanner. Der USB kennt nur einen Steckertyp für alle Geräte auf der Computerseite, so dass Verwechslungen von Schnittstellen ausgeschlossen sind. Mit USB werden die Anwender unabhängig von der Anzahl der verfügbaren Schnittstellen und Steckplätze für Erweiterungskarten. Die Identifikation der Geräte wird vom USB-Hostadapter im Rechner durchgeführt, der auch das Laden der Treiber und die Grundkonfiguration vornimmt. Zusätzlich reduziert Hot-Plugging, durch das Hinzufügen und Entfernen von Peripherie-Geräten im laufenden Betrieb, die Fehlerrate.
Übersicht: USB - Universal Serial Bus
Warum wurde der USB eingeführt/entwickelt?
Der Kauf von externen Geräte scheiterte vor der Zeit von USB häufig daran, dass ein PC nicht genug freie Schnittstellen hatte. Und der Einbau von Erweiterungskarten war wegen begrenzter Ressourcen nicht immer möglich. Hinzu kam, dass die unterschiedlichen Geräte unterschiedliche Stecker und Schnittstellen hatten. Fast jeder Gerätetyp hatte seine eigene Schnittstelle. Zwar konnte ein Gerät leichter einem festen Steckplatz zugeordnet werden. Doch das war etwas für Experten und nicht für unbedarfte Anwender.
- Serielle Schnittstelle 1: Maus/Modem
- Serielle Schnittstelle 2: Modem
- Parallele Schnittstelle: Drucker/Scanner
- Game-Port: Joystick
- verschiedene Audio-Anschlüsse: Mikrofon, Lautsprecher
- SCSI (extern): Scanner, externe Laufwerke
- PS/2 1: Maus
- PS/2 2: Tastatur
Der USB sollte mit den unterschiedlichen Schnittstellen und Anschlussbegrenzungen Schluss machen. Gefordert wurde:
- eine einheitliche Schnittstelle für alle Peripherie-Geräte
- eine mechanisch stabile und trotzdem einfach steckbare Verbindung
- kleine platzsparende Stecker/Buchsen
Installation von USB-Geräten
Die Installation eines USB-Geräts ist vergleichsweise einfach. Die Installation ist ohne technisches Wissen und im laufenden Betrieb möglich. Bei den meisten Geräten reicht es aus, den Stecker einzustecken. Danach installiert das Betriebssystem die Treiber selbst. Nach einer kurzen Installationsphase ist das Gerät betriebsbereit. Manche USB-Geräte verfügen über einen internen Speicher in dem der Treiber gespeichert ist. Er wird automatisch beim erstmaligen Einstecken installiert. Bei den meisten USB-Geräten ist es jedoch so, dass nach dem Einstecken nach einer Treiber-CD gefragt wird. Der Treiber muss dann von CD installiert werden. Alternativ lässt sich auch der aktuelle Treiber von der Webseite des Herstellers herunterladen und installieren.
Bei manchen Geräten ist etwas mehr Aufwand nötig. Der Treiber muss zuerst von einer CD-ROM installiert werden, um nach einen Systemneustart das Gerät einstecken und in Betrieb nehmen zu können. Doch auch das erweist sich als einfach, da man in der Regel nur die CD oder DVD einlegen muss und danach der Treiber fast automatisch installiert wird. Alle weiteren Handgriffe seitens des Anwenders werden während des Installationsvorgangs erklärt, manchmal sogar in einer Kurzanleitung erläutert.
Warum der USB die serielle und parallele Schnittstelle nicht ersetzen kann!
Trotz ihrer langsamen Übertragungsgeschwindigkeit hielten sich die parallele und auch die serielle Schnittstelle sehr lange. Der Grund, sie lassen sich einfacher programmieren als der USB. Die serielle Schnittstelle lässt sich sehr einfach ansteuern. Jede Programmiersprache hat die dafür notwendigen Befehle und Bibliotheken integriert. So muss man nur den gewünschten Port öffnen (COM1, COM2, ...) und die Daten in den Port schreiben oder daraus lesen. Die gesamte Steuerung des Datenflusses übernimmt der Treiber des Betriebssystems.
Inzwischen gibt es keinen Grund mehr auf die alten Schnittstellen zurückzugreifen. Über programmierbare Schnittstellen (API) lassen sich alle elektronischen Geräte mit einem USB-Port ausstatten.
Trotzdem sind USB-Stecker im industriellen Umfeld weniger gern gesehen. Die Standard-USB-Stecker sind nicht industrietauglich. Sie lassen sich nicht gegen Herausziehen sichern. Außerdem sind sie nicht vibrationsfest. Die Auswahl industriekompatibler USB-Stecker ist gering und teuer. Der Stecker der seriellen und parallelen Schnittstelle lässt sich dagegen festschrauben. Wenn nötig kann man sich so einen Stecker auch selber an ein Kabel löten und so zum Beispiel ein paar Meter mehr überbrücken, als es mit dem USB-Kabel möglich ist.
Ein weiterer Nachteil des USB ist das fehlende Übertragungsprotokoll auf der Anwendungsebene. Das hat den Effekt, dass für die USB-Gerätetreiber entwickelt werden "müssen". Der einfache Wechsel von einer alten Schnittstelle zum USB ist nicht möglich, weil dazu ein neues Protokoll notwendig wäre. Für bestimmte USB-Geräte, wie zum Beispiel Maus, Tastatur und Massenspeicher haben sich Standard-Treiber vom Betriebssystem durchgesetzt. Für viele andere Anwendungen, die die serielle Schnittstelle unterstützen, wird ein VCP-Treiber (Virtual COM Port) installiert, der im Betriebssystem eine serielle Schnittstelle emuliert. Der Zugriff auf Anwendungsebene erfolgt dann wie auf eine physikalisch vorhandene serielle Schnittstelle. Das hat den Vorteil, dass für bestehende Anwendungen, die eine serielle Schnittstelle unterstützen kein neuer Treiber entwickelt werden muss.
Topologie und Verkabelung
Obwohl der USB von der Namensgebung her ein Bus sein müsste, handelt es sich dabei um eine mehrstufige Sterntopologie. Der Mittelpunkt des Sterns wird jeweils von einem Hub gebildet. Der Ausgangspunkt des USB ist der Host-Controller (Root Hub) auf dem Motherboard des Computers. Der Host-Controller steuert den gesamten Datenverkehr des USB. Am Host-Controller können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Das können einzelne Geräte (Node) oder Hubs sein, an denen wiederum Geräte (Node) hängen.
Neben der Stromverteilung sorgen die Hubs auch dafür, dass immer nur ein USB-Gerät seine Daten zum Host-Controller schickt. Die Hubs können beliebig kaskadiert werden, wodurch ein pyramidenförmiger Aufbau entsteht. Wobei jedes Leitungssegment eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist.
Ursprünglich ist eine direkte Kommunikation zwischen den USB-Geräten nicht vorgesehen. Eine Ergänzung (durch USB 2.0) ist USB-on-the-Go (OTG). Innerhalb eines USB-Baumes, der an einem PC hängt, kann ein Gerät ein anderes Gerät dadurch ansprechen.
USB-Geräte-Treiber
Für viele USB-Geräte gibt es Standard-Treiber in den Betriebssystemen. Dazu zählen Tastaturen, Mäuse, Digitalkameras, Scanner und Massenspeicher. Im Prinzip kann man jede Tastatur, Maus oder USB-Stick an jedem Computer ohne Probleme in Betrieb nehmen.
Die Treiber in Windows bestehen aus einer oder mehreren *.sys-Dateien (der eigentliche Treiber) sowie einer oder mehreren Windows-DLL-Dateien. Die DLL-Dateien enthalten die Softwareschnittstelle zum Treiber. Jedes Windows-Programm kann die DLL-Funktionen benutzen, um mit dem Geräte-Treiber zu kommunizieren.
HID-Treiber
Der HID-Treiber (human interface device, hid.dll) gehört zu Windows. Er ist für den Anschluss einfacher Geräte wie Tastatur oder Maus gedacht. Die Bezeichnung HID (human interface device) leitet sich aus der Anwendung für Bediengeräte für Menschen ab. Tastaturen und Mäuse, die sich an den HID-Standard halten, werden von den HID-Treibern von Windows unterstützt, so dass diese Geräte keine eigenen Treiber benötigen. Um den HID-Treiber nutzen zu können, muss sich das USB-Gerät als HID-Gerät in Windows anmelden.
CDC-Treiber
Der CDC-Treiber (communication device class, usbser.sys, MsPorts.dll) von Windows ermöglicht die RS232-Emulation über den USB. Beim Anschluss eines entsprechenden USB-Geräts wird in Windows ein virtueller COM-Port eingerichtet. Jedes Programm kann darauf zugreifen, wie wenn es eine echte RS232-Schnittstelle wäre. Die erreichbare Transfergeschwindigkeit beträgt bis zu 1 MBit/s (125 kByte/s) und ist deutlich schneller als bei der echten RS232-Hardware mit nur 115.200 Bit/s.
Storage-Treiber
Für USB 2.0 gibt es das USB-Mass-Storage-Protocol, welches bei der Kommunikation mit USB-Massenspeicher, also externe Festplatten und USB-Sticks, zum Einsatz kommt. Die entsprechenden Treiber bringen alle Betriebssysteme mit (bei Windows usbstor.sys). Deshalb werden in der Regel alle USB-Speichersticks und USB-Festplatten ohne Probleme erkannt.
USB 3.0 bringt das USB Attached SCSI Protocol (UASP) mit, welches das USB-Mass-Storage-Protocol ablösen soll. Es bringt unter anderem die Unterstützung für NCQ (Native Command Queuing) mit. Das hat auch Vorteile für alte USB-2.0-Massenspeicher. Sie sind an einem USB-3.0-Port um bis zu 15% schneller.
Stromversorgung
Über die Kabelverbindungen versorgt der USB einfache Geräte, wie Maus und Tastatur, aber auch Scanner mit Strom. Unabhängig vom Stecker muss ein Host oder Hub die angeschlossenen Geräte mit mindestens 100 mA versorgen. Bis zu 500 mA (2,5 Watt) kann er dem Gerät auf Anforderung liefern.
Übertragungstechnik
Neben den beiden Leitungen für die Stromversorgung (+5V) gibt es zwei Datenleitungen. Die Datenübertragung erfolgt symmetrisch über zwei verdrillte Leitungen. Die eine Leitung überträgt das Datensignal, die andere das invertierte Datensignal. Man spricht von einer differenziellen Übertragung. Dabei ist der Spannungsunterschied bei der Signalspannung doppelt so groß, als wenn das Datensignal gegen Masse übertragen werden würde. Beim Empfänger wird die Differenz zwischen beiden Signalen gebildet, wobei Signalstörungen ausgeblendet werden. Das erhöht die Übertragungssicherheit, unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit.
Übertragungsgeschwindigkeit
| USB-Version | USB 1.0/1.1 | USB 2.0 | USB 3.0 | |
|---|---|---|---|---|
| Low-Speed | Medium-Speed | Hi-Speed | Super-Speed | |
| Übertragungs- geschwindigkeit (brutto) |
1,5 MBit/s | 12 MBit/s | 480 MBit/s | 5 GBit/s |
| Übertragungs- geschwindigkeit (netto) |
ca. 150 kByte/s | ca. 1 MByte/s | ca. 30 MByte/s | ca. 300 MByte/s |
| Anwendungen | Maus, Tastatur | Audio | Video, Speichermedien | |
Um langsame Geräte wie Tastatur, Maus und auch schnelle Geräte wie Modems oder Videokameras über ein und den selben Bus zu führen, wurde die Übertragung in Kanäle unterteilt.
Es gibt einen Low-Speed-Kanal bis 1,5 MBit/s (Maus, Tastatur) und einen Medium-Speed-Kanal mit 12 MBit/s (ISDN, Audio) die über dieselbe Schnittstelle geführt werden. Ein High-Speed-Kanal mit 480 MBit/s (Video, Speichermedien) ist auch vorgesehen (USB 2.0).
Neben der Geschwindigkeitskategorie gibt es auch unterschiedliche Prioritäten bei der Übertragung. Die höchste Priorität haben Geräte, die Daten in Echtzeit liefern und bei denen der Datenfluss nicht unterbrochen werden darf. Die mittlere Priorität ist für Interrupt-Übertragungen, wenn z. B. ein Gerät die Aufmerksamkeit des Prozessors erhalten will. Die niedrigste Priorität haben Massentransfer-Geräte. Die Übertragung dieser Daten ist meist nicht besonders dringend.
Mögliche USB-Geräte
- Maus
- Tastatur
- Joystick
- ISDN-Adapter
- Digitalkamera
- Modem
- Drucker
- Scanner
- Dongle
- Lautsprecher (ohne Soundkarte nutzbar)
- USB-Speichersticks
- USB-Parallelport-Adapter
- USB-V.24-Adapter
- USB-EIDE-Adapter
Stecker und Kabel
Die Anschlusskabel dürfen maximal 5 Meter lang sein. Nach 5 Metern muss ein aktiver Hub oder ein aktives USB-Kabel als Verlängerung in die Kabelverbindung eingefügt werden. Trotzdem haben manche USB-Geräte ein Problem mit langen USB-Kabeln oder -Kabelstrecken. Meist melden sie sich nicht am System an. Es scheint, als ob sie nicht angeschlossen sind.
Unabhängig welcher Geschwindigkeitskategorie ein Gerät angehört, es wird immer der gleiche vierpolige Stecker verwendet. Unterschiede gibt es nur beim Anschlusskabel. High-Speed-Geräte benötigen ein geschirmtes und verdrilltes Kabel (USB 2.0). Für Low-speed-Gerät kann ein ungeschirmtes und unverdrilltes Kabel verwendet werden (USB 1.0/1.1).
Wegen der zunehmenden Miniaturisierung von Geräten, wie Digitalkameras, Handys und MP3-Player, war ein besonders kleiner Stecker gefragt. Der Micro-USB-Stecker ist eine noch kleinere Steckverbindung als der Mini-USB-Stecker.
 |
USB-A-Stecker (Host) |
|---|---|
 |
USB-B-Stecker (Endgerät) |
| momentan kein Bild | Mini-A-Stecker (innen Weiß) |
 |
Mini-B-Stecker (innen Schwarz) |
| momentan kein Bild | Mini-AB-Stecker |
 |
Mini-B-Stecker von Hirose (z. B. für Digitalkameras) |
 |
Mini-B-Stecker von Mitsumi (z. B. für Digitalkameras) |
 |
Mini-B-Stecker von Fuji (z. B. für Digitalkameras) |
Übersicht: Externe Schnittstellen, die durch den USB ersetzt werden
- Serielle Schnittstelle (RS232 V.24 COM)
- Parallele Schnittstelle (Centronics)
- PS/2 - Mini-DIN
- Game-/Midi-Schnittstelle