Entschlüsselung der USB-Standards 1.0 bis 4.0

(Bildquelle: Same Sky)

Der universelle serielle Bus, besser bekannt in der Kurzform USB, ist der wohl bekannteste Verbindungsstandard auf dem heutigen Markt. Viele Menschen, vor allem diejenigen, die nicht aus dem Bereich der Technik kommen, machen sich jedoch keine Gedanken darüber, was USB bedeutet. Einfach ausgedrückt, ist der „Bus“ ein Weg, um Daten oder Strom in einem elektronischen System zwischen verschiedenen Komponenten zu übertragen, während der Begriff „seriell“ darauf hinweist, dass die Daten bitweise über dieselbe Leitung (oder mehrere Leitungen) übertragen werden. Zusammengenommen stellt USB einen technischen Standard dar, der „universelle“ Spezifikationen für die Stecker und Kabel festlegt, die zur Verbindung der verschiedenen Geräte in einem elektronischen System verwendet werden.

Als einfaches und bequemes Mittel zur Verbindung und Datenübertragung zwischen Geräten hat sich USB seit seinem Debüt im Jahr 1996 weiterentwickelt und kann heute viel mehr. Vor seiner Einführung in den 1990er Jahren war die Verbindungslandschaft von Komplexität und langsamen Datenübertragungsraten geprägt. Dank mehr als 25 Jahren ständiger Verbesserungen und Änderungen haben USB und das USB Implementers Forum (USB-IF) Verbindungsmöglichkeiten geschaffen, die weit über das hinausgehen, was ursprünglich für möglich gehalten wurde, mit immer höheren Datengeschwindigkeiten, Stromübertragungen und mehr. Mit diesen ständigen Verbesserungen sind jedoch auch neue Normen, Aktualisierungen bestehender Normen und eine Vielzahl von Namenskonventionen einhergegangen. Daher kann der Versuch, mit den neuesten USB-Standards Schritt zu halten, zu einer verwirrenden und widersprüchlichen Aufgabe werden. Dieser Artikel soll einen detaillierten Überblick über die Geschichte der USB-Standards geben und die neuesten USB-Namenskonventionen erläutern.

Verbindungstechnik vor USB

Wie bereits erwähnt, waren in der Zeit vor USB langsame Datenübertragungsraten die Norm, die oft zwischen 100 Kilobyte (kB) pro Sekunde bei parallelen und 450 Kilobit (kb) pro Sekunde bei seriellen Verbindungen lagen. Die Computerhersteller verwendeten nicht nur serielle und parallele Schnittstellen, sondern auch eine Vielzahl von proprietären Steckern, Anschlüssen und Kabeln, die häufig spezielle Treiber und Karten erforderten. Darüber hinaus war das Hot-Swapping oder Hot-Plugging nur begrenzt möglich, so dass die Hardware ausgeschaltet werden musste, bevor ein Gerät angeschlossen und wieder eingeschaltet werden konnte.

USB-IF begann die Entwicklung des USB-Standards 1994 mit mehreren Vorabversionen (USB 0.8 und 0.9), die zwar angekündigt wurden, aber nie im Handel erhältlich waren. 1995 beendete USB 0.99 die Liste der vorveröffentlichten Standards und war erneut nicht im Handel erhältlich.

USB 1.0 und 1.1

USB 1.0 war die erste größere Version des USB-Standards im Jahr 1996 und bot Datenübertragungsraten von 1,5 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) bei niedriger Geschwindigkeit und 12 Mbit/s bei voller Geschwindigkeit. Obwohl USB 1.0 den Komfort des Hot-Swap und der Selbstkonfiguration bot, wurde es als erste kommerziell verfügbare Version von USB nicht weit verbreitet.

Zwei Jahre später, 1998, wurde USB 1.1 eingeführt. Es entsprach zwar den Datenübertragungsmöglichkeiten von USB 1.0, konnte aber auch mit niedrigeren Geschwindigkeiten für Geräte mit geringerer Bandbreite betrieben werden. Unter dem Markennamen Full Speed wurde USB 1.1 bekanntlich vom iMac G3 von Apple übernommen, der die Verwendung serieller und paralleler Anschlüsse abschaffte. Dies ebnete den Weg für die weitere Verbreitung von USB-Standards. USB 1.0 und 1.1 spezifizierten auch die Verwendung von physischen USB-Steckerstandards, Typ A und Typ B.

Abbildung 1: USB-Steckernormen vom Typ A und Typ B. (Bildquelle: Same Sky)

USB 2.0

Mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts stieg der Bedarf an höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten durch die zunehmende Verbreitung von PCs und deren Peripheriegeräten. Daher kam USB 2.0 im April 2000 auf den Markt. Dieser Standard sah eine Datenübertragungsleistung von 480 Mbit/s vor, die jedoch durch Busbeschränkungen auf 280 Mbit/s reduziert wurde. USB 2.0 erhielt die Bezeichnung High Speed und war abwärtskompatibel mit den vorherigen Standards und deren Geschwindigkeiten von 1,5 oder 12 Mbit/s. Zu diesem Zeitpunkt begann sich die Verwendung von USB als Stromquelle durchzusetzen, und die elektrischen Standards boten eine Leistung von bis zu 500 mA bei 5 V.

Mit USB 2.0 wurde auch USB On-the-Go eingeführt, das die Interaktion zwischen zwei Geräten ermöglicht, ohne dass ein separater USB-Host erforderlich ist. Bis dahin wurden USB-Verbindungen immer zwischen einem Host (einem Computer) und einem Peripheriegerät (einer Maus, einer Tastatur, einem Musikgerät usw.) hergestellt.

Was die physischen Anschlussstandards betrifft, so ist USB 2.0 mit den USB-Anschlüssen Typ A, B und C sowie Mini und Micro A und B kompatibel. Die physischen Anschlüsse Micro A und B sowie Typ C wurden jedoch erst viele Jahre später, 2007 bzw. 2014, eingeführt.

USB 3.0

Ab USB 3.0 haben die USB-Standards mehrere Iterationen und Änderungen ihrer Namenskonventionen durchlaufen. Um Verwirrung zu vermeiden, werden wir die Normen mit ihrem ursprünglichen Namen bezeichnen, bevor wir die neuen Namenskonventionen näher erläutern.

USB 3.0 wurde 2008 eingeführt und unterstützte eine Datenübertragung von bis zu 5 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s), erreichte aber eher Geschwindigkeiten von 3 Gbit/s. Der als SuperSpeedUSB bezeichnete USB 3.0 verdoppelte die vier Anschlussleitungen der USB2.0-Hardware auf acht und ermöglichte die bidirektionale Datenübertragung, wobei er mit USB 2.0 abwärtskompatibel blieb. Der Standard erhöht auch die Stromversorgungsmöglichkeiten auf 900 mA bei 5 V. Es ist auch wichtig zu beachten, dass USB3.0-spezifische Hardware, wie z. B. USB3.0-Anschlüsse vom Typ A und B, blau gefärbt sind, um ihre Kompatibilität anzuzeigen.

Mit der Einführung der USB3.2-Namenskonventionen wird USB 3.0 nun als USB 3.2 Gen 1 bezeichnet.

USB 3.1

USB 3.1 ist identisch mit USB 3.0 und war ein Zwischenstandard, der 2013 veröffentlicht wurde und die Datenrate auf 10 Gbit/s verdoppelte. Er wurde als SuperSpeed+ bezeichnet und hatte eine Zeit lang eine zweistufige Namenskonvention: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) und USB 3.1 Gen 2. Mit der Einführung der USB3.2-Namenskonventionen wird USB 3.1 Gen 2 nun als USB 3.2 Gen 2 bezeichnet.

USB 3.2

Der im September 2017 eingeführte USB3.2-Standard ersetzte die Namenskonventionen der USB3.0- und USB3.1-Standards und fügte gleichzeitig eine dritte Stufe der Datenkapazität von bis zu 20 Gbit/s hinzu. Dieser als USB 3.2 Gen 2x2 bezeichnete Standard nutzt die Dual-Lane-Datenübertragungskanäle des USB-Typ-C®-Steckers, der 10 Gbit/s in jeder Richtung über zwei Adernpaare übertragen kann, vollständig aus. Es ist auch üblich, die beiden unteren Stufen des USB3.2-Standards als USB 3.2 Gen 1x1 oder USB 3.2 Gen 2x1 zu bezeichnen, was lediglich einen zusätzlichen Hinweis auf die Anzahl der verwendeten Datenleitungen gibt.

Zur weiteren Verdeutlichung hat die USB-IF ein aktualisiertes Branding für jede Stufe zur Verfügung gestellt, das aus dem bekannten SuperSpeed-USB-Branding gefolgt von der Datenübertragungsgrenze besteht. Wie in Tabelle 1 unten dargestellt, lauten diese alternativen Bezeichnungen wie folgt: SuperSpeed USB 5 Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps und SuperSpeed USB 20 Gbps.

Tabelle 1: Definierte USB3.2-Namenskonventionen. (Bildquelle: Same Sky)

USB 4.0

Basierend auf dem Thunderbolt3-Protokoll wurde USB 4.0 im August 2019 mit einer Datenübertragung von bis zu 40 Gbit/s und einer speziellen Videoübertragungsmethode veröffentlicht. Mit dem Power-Delivery-3.1-Standard wurde auch die USB-Leistungsfähigkeit auf bis zu 240 W erhöht. Obwohl die Power-Delivery-Standards und USB 4.0 technisch gesehen getrennt sind, wurden sie parallel entwickelt und sind häufig zusammen zu finden. Beide aktuellen Standards werden nur durch die Hardware-Fähigkeiten des physischen USB-Typ-C-Steckers voll ausgeschöpft.

Die USB-IF hat auch die USB4.0-Namenskonventionen verfeinert und sie in USB4 mit den folgenden zwei Stufen geändert:

• USB4 20 Gbps (die Datengeschwindigkeit entspricht der Namensgebung)
• USB4 40 Gbps (die Datengeschwindigkeit entspricht der Namensgebung)

Jede der bereits erwähnten Stufen für USB4 und USB 3.2 hat ein neues Logo, das auf den Produkten verwendet werden kann, in der Hoffnung, die Verwirrung der Verbraucher auf dem Markt zu beseitigen. Die Vielfalt der Bezeichnungen für die USB-Standards hat jedoch einige Herausforderungen mit sich gebracht, da die Geräte häufig noch nach dem alten Bezeichnungsschema bezeichnet werden.

Tabelle 2: Aktuelle USB-Namenskonventionen und zugehörige Logos (Bildquelle: Same Sky)

Die Zukunft von USB

Wir hoffen, dass dieser Artikel dazu beigetragen hat, die Verwirrung um die USB-Standards zu klären und gleichzeitig einen Einblick in die sich schnell entwickelnde Geschichte ihrer immer besser werdenden Fähigkeiten und Funktionen zu geben. Diese kleine, kostengünstige und einfache Möglichkeit, Peripheriegeräte in Smartphones, mobilen Geräten und sogar in industriellen Anwendungen anzuschließen, kann man leicht als selbstverständlich ansehen. USB-Stecker, die nur zum Laden verwendet werden (USB Typ C für reine Stromübertragungsanwendungen), ohne dass Daten übertragen werden, werden sogar zur gängigen Praxis. Es scheint sicher zu sein, dass USB auch in Zukunft neue Anwendungen und Möglichkeiten finden wird, und Same Sky deckt Ingenieure mit einer Reihe von USB-Steckern und USB-Kabeln in verschiedenen Formfaktoren ab, die mehrere USB-Standards erfüllen.