Teil I: Die Entstehung von USB

Von Jeff Smoot, CUI Devices

USB ist zu einem festen Bestandteil der modernen Elektronik geworden und ist aus unserem Arbeitsalltag nicht mehr wegzudenken. Doch die meisten Menschen benutzen USB, ohne zu wissen, was es eigentlich bedeutet. USB ist die Abkürzung für „Universal Serial Bus“. Ein „Bus“ ist eine Möglichkeit, Daten oder Strom in einem elektronischen System zwischen verschiedenen Komponenten zu übertragen. Der Begriff „seriell“ bedeutet, dass die Daten Bit für Bit über dieselbe Leitung (oder mehrere Leitungen) übertragen werden, im Gegensatz zur „parallelen“ Übertragung, bei der ganze Bytes auf 8 Leitungen gleichzeitig übertragen werden. Mit USB wurde ein spezieller Standard geschaffen, um verschiedene Geräte einfach und unkompliziert miteinander zu verbinden.

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung des USB-Standards war es, die Verbindung und Datenübertragung zwischen Geräten möglichst einfach und bequem zu gestalten. Diese Einfachheit ist heute vielleicht eine Selbstverständlichkeit, aber in den frühen 1990er-Jahren waren die Möglichkeiten zur Verbindung von Geräten uneinheitlich, komplex und auch noch langsam. Aufgrund seiner enormen Popularität ist USB heute viel mehr als nur eine Datenverbindung zwischen einem Computer und einem Gerät. Im Laufe von 25 Jahren hat das USB Implementers Forum (USB-IF) die Leistungsfähigkeit des USB-Protokolls und der USB-Hardware im Hinblick auf die Datenübertragungsgeschwindigkeit, die Stromversorgung und vieles mehr immer weiter verbessert. Die Verbesserungen in diesen Bereichen waren zwar stetig und signifikant, aber die Namenskonventionen waren ziemlich verwirrend und manchmal widersprüchlich. In diesem Beitrag greifen wir zunächst auf die ursprünglichen Namenskonventionen aus dem Jahr 2013 zurück, werden aber später auch auf diese verwirrenden Änderungen eingehen.

Verbindungen, bevor es USB gab

Wie bereits erwähnt, gab es vor der Einführung von USB viele verschiedene Verbindungsoptionen. Diese Verbindungen konnten entweder seriell oder parallel sein, wenngleich parallele Schnittstellen in den letzten zwei Jahrzehnten fast vollständig verschwunden sind. Sie benötigten außerdem spezielle Treiber und interne Hardware und erreichten trotzdem nur sehr geringe Datenübertragungsraten von deutlich weniger als 1 Mbps. Auch Hot-Swapping oder Hot-Plugging war nur selten möglich. Daher musste die Hardware erst ausgeschaltet werden, bevor man ein Gerät anschließen und wieder einschalten konnte. Die Entwicklung von USB begann 1994, wurde aber erst 1996 auf den Markt gebracht, und zwar in einer Phase, in der die Standards am Markt rückblickend deutlich schlechter waren.

USB 1.0

Der ursprüngliche USB-Standard „USB 1.0“ kam 1996 auf den Markt und war die erste öffentliche Version des Standards. Nach heutigen Maßstäben war die Datenübertragungsrate von 1,5 Mbit/s zwar ziemlich langsam, aber im Vergleich zu den anderen Optionen zu dieser Zeit unglaublich schnell. Die Hot-Swap-Fähigkeit machte diesen Standard auch viel praktischer und war den anderen weit überlegen. Es handelte sich jedoch um die erste kommerzielle Version, und der Markt reagierte nicht besonders enthusiastisch auf diese neue und einzigartige Verbindung. An dieser Stelle sollte man bedenken, dass das Softwareprotokoll USB 1.0 zusammen mit dem physischen Standard mit der Bezeichnung Typ A eingeführt wurde. Dabei handelt es sich um die allgegenwärtige rechteckige Form, die auch heute noch gebräuchlich ist, oder um Typ B, das Quadrat mit abgeschrägten oberen Ecken, das häufig bei Druckern zum Einsatz kommt.

USB 1.1

Bereits 1998, nur zwei Jahre später, kam USB 1.1 auf den Markt. Es verwendete dieselbe Schnittstelle, bot aber jetzt eine höhere Übertragungsrate, die als Full Speed bezeichnet wurde. Diese Full Speed-Option brachte eine fast zehnmal höhere Übertragungsrate von bis zu 12 Mbit/s. USB 1.1 war auch abwärtskompatibel mit dem 1.0-Standard. Das bedeutet, wenn eines der Geräte mit dem ursprünglichen Standard arbeitet, werden beide Geräte mit der langsameren Geschwindigkeit von 1,5 Mbit/s verbunden. Damals integrierte Apple den neuen USB-Standard in seine iMac-Reihe und schaffte die anderen seriellen und parallelen Anschlüsse ab. So konnte sich das Protokoll in der gesamten Branche durchsetzen und es wurden mehr Peripheriegeräte für die Verwendung von USB entwickelt. Die physische Verwendung von Typ-A- und Typ-B-Steckern wurde dadurch beibehalten.

USB 2.0

Wieder zwei Jahre später, im Frühjahr 2000, wurde USB 2.0 eingeführt. Der USB-Standard hatte sich inzwischen fest in der Branche etabliert und viele Peripheriegeräte nutzten sowohl den software- als auch den hardwaretechnischen Standard. Entsprechend stiegen auch die Anforderungen an die Anschlüsse, da die Anwendungen immer komplexer wurden. Mit der neuesten Version war eine Datenübertragung mit 480 Mbit/s möglich, die allerdings durch elektrische Beschränkungen der umgebenden Hardware auf 280 Mbit/s gedrosselt werden konnte. Diese Version wurde als High Speed bezeichnet und war auch rückwärtskompatibel. Dadurch wurde die Kompatibilität mit mehr Multimedia- und Speichergeräten, wie z. B. externen Festplatten und USB-Sticks, verbessert. Dabei wurde USB immer häufiger als Stromquelle genutzt und die elektrischen Standards boten eine Stromstärke von bis zu 500 mA bei einem Ausgang von 5 Vdc.

Gleichzeitig wurde eine neue Form von USB geschaffen: USB On-the-Go. In der Vergangenheit wurden USB-Verbindungen immer zwischen einem Host (einem Computer) und einem Peripheriegerät (einer Maus, einer Tastatur, einem Musikgerät usw.) hergestellt. Mit USB OTG konnten jedoch bei Bedarf zwei Peripheriegeräte mithilfe eines speziellen Kabels direkt miteinander kommunizieren.

Bei USB 2.0 wurden zwar immer noch physische Stecker des Typs A und B verwendet, aber es wurden kleinere Varianten geschaffen. Zunächst kamen die Ministecker vom Typ A und B auf, einige Jahre später dann die Mikrostecker. Typ A-Stecker sind immer noch weit verbreitet, die Ministecker verschwanden jedoch ziemlich schnell wieder, sodass die kleineren, robusteren Micro-Stecker zum Standard wurden.

Wireless USB

Im Jahr 2005 wurde ein drahtloser USB-Standard (W-USB) für die Netzwerkkommunikation über kurze Distanzen vorgestellt. Dieses Wireless-Protokoll entsprach dem High-Speed-Protokoll, war aber nur sehr kurzlebig. Es hat sich nie durchgesetzt und der Standard ist heute nicht mehr verfügbar.

USB Micro

Die Micro-USB-Stecker wurden, wie bereits erwähnt, wenige Jahre nach den Ministeckern entwickelt. Im Jahr 2007 waren sie im Grunde kleinere Versionen der Ministecker mit leicht veränderter Bauform. Obwohl sie kleiner sind, unterstützen sie deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten, sind leistungsfähiger und haben sich zum De-facto-Standard für die meisten Mobilgeräte entwickelt, die nicht von Apple stammen. Auch wenn sie in der Liste der Protokollgenerationen aufgeführt sind, sollte noch einmal betont werden, dass es sich bei den Micro-USB-Steckern um einen Hardware-Standard handelt, der mit den Protokollstandards zwar verbunden, aber nicht mit ihnen identisch ist.

USB 3.0 (oder USB 3.2 Gen 1×1)

An diesem Punkt werden die Namenskonventionen etwas verwirrend. Zur Erinnerung: Wir folgen den ursprünglichen Namenskonventionen, bevor wir die neuesten Namenskonventionen im Detail besprechen. Im Jahr 2008 wurde USB 3.0 mit einer weiteren Steigerung der Datenübertragungsraten auf bis zu 5 Gbps vorgestellt. In der Praxis lagen die erreichten Geschwindigkeiten normalerweise eher bei 3 Gbit/s, aber das ist immer noch eine erhebliche Steigerung im Vergleich zum High-Speed-Standard von 480 Mbit/s. Diese höhere Geschwindigkeit wurde erreicht, indem die Anzahl der Übertragungsleitungen in den Anschlüssen und Kabeln von vier auf acht verdoppelt wurde. Dadurch war auch eine bidirektionale Datenübertragung möglich, sodass die Kommunikation zu und von Peripheriegeräten möglich wurde. Es ist erstaunlich, dass dieses Protokoll trotz all dieser Verbesserungen immer noch rückwärtskompatibel zu USB 1.0 ist und die gleiche Hardware-Schnittstelle verwendet werden kann. Die 3.0-spezifische Hardware sieht zwar genauso aus wie frühere Hardware, aber intern gibt es durchaus Unterschiede, damit die neuen Funktionen in vollem Umfang genutzt werden können. Um die verschiedenen Generationen besser unterscheiden zu können, sind die 3.0-fähigen Steckeranschlüsse blau gekennzeichnet.

Neben den blauen Typ-A-Anschlüssen wurden auch Typ-C-Anschlüsse eingeführt, die für eine bessere Kompatibilität mit allen zukünftigen Verbesserungen des Protokolls sorgen sollen. Die Leistungsfähigkeit bei der Stromversorgung wurde ebenfalls von 500 mA auf 900 mA erhöht.

Bislang hatten wir diese Schnittstelle als USB 3.0 bezeichnet, sie wurde jedoch rückwirkend in USB 3.2 Gen 1×1 umbenannt. Beide Bezeichnungen beziehen sich auf diese Generation des Standards.

USB 3.1 (oder USB 3.2 Gen 2×1)

Der einzige wesentliche Unterschied zu USB 3.1 war die Erhöhung der Datenrate auf 10 Gbps, d. h. eine Verdoppelung der Übertragungsgeschwindigkeit. Dieser Standard wird manchmal als Übergangsstandard betrachtet, da er alle alten Hardware-Schnittstellen verwendet und keine weiteren wirklich wegweisenden Verbesserungen bietet.

USB 3.2 und USB-C

USB 3.2 ist die letzte Version der dritten USB-Generation. Mit USB 3.2 wurden die früheren Namenskonventionen über Bord geworfen. Das sollte für mehr Klarheit sorgen und verwirrte gleichzeitig. Mit der Version 3.2 konnte die Geschwindigkeit durch die Verdoppelung der Datenübertragungskanäle nochmals auf 20 Gbps verdoppelt werden. Dieser Standard nutzte die Vorteile der Typ-C-Anschlüsse voll aus. Es war die letzte stufenweise Weiterentwicklung der 3.0-Generation und bildet die Grundlage für die erheblichen Verbesserungen der 4.0-Generation.

USB 4.0

Mitte 2019 wurde USB 4.0 veröffentlicht, das auf dem Thunderbolt 3 Protokoll basiert. Damit wurde nicht nur die Datenrate noch einmal auf 40 Gbit/s verdoppelt und ein spezielles Videoübertragungsverfahren entwickelt, sondern auch ein Power Delivery-Standard eingeführt, der weit über die bisher verfügbare Option von 5 V und 900 mA hinausgeht. Mit dem Power Delivery 3.1-Standard ändert sich die verfügbare Leistung von mageren 4,5 W auf bis zu 240 W mit unterschiedlichen Spannungsoptionen. Die Power-Delivery-Standards und USB 4.0 sind zwar technisch gesehen getrennt, wurden aber parallel entwickelt und werden häufig gemeinsam verwendet. Diese Verbesserungen können nur mit der neuesten Hardware (d. h. Typ C) voll genutzt werden. Bei älterer Hardware kommt es zu entsprechenden Einschränkungen. Dennoch ist USB 4.0 weiterhin technisch abwärtskompatibel mit früheren USB-Versionen.