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Universal Serial Bus, kurz USB, ist ein Standard, welcher eine Schnittstelle
zwischen PC\'s und Peripheriegeräten definiert.
Der USB ist also eine preiswerte serielle Schnittstelle, die bidirektional und isochron arbeitet. In seiner derzeitigen Version 1.1 eignet er sich besonders für Peripheriegeräte mit kleinem bis mittlerem Datenaufkommen. Die Palette an erhältlichen USB Geräten ist sehr breit - im wesentlichen werden folgende Kategorien abdeckt:
- Telefone
- Digitale Kameras
- Modems
- Tastaturen
- Mäuse
- Digitale Joysticks
- CDROM-Laufwerke
- Bandlaufwerke und andere Massenspeichergeräte
- Diskettenlaufwerke
- Scanner
- Spezialdrucker
USB wurde bereits 1993 von Intel und Microsoft, sowie Compaq, DEC, IBM PC Company, Nec und Northern Telekom definiert. Der aktuelle Standart ist USB 1.1 der 1998 eingeführt wurde und Windows 98 war das erste Windows Betriebsprogramm das USB voll unterstützt. (Im Herbst 2002 soll USB.2.0 folgen.)
4.1. Die Vorteile von USB
Bei herkömmlichen Peripherieanschlüssen an PC's (z.B. Parallel-, PS/2- oder Serieller Port) kann man jeweils ein Gerät an jede Buchse am PC anschliessen. Dies stellt oft ein Problem dar, da normale PC's nicht mit einer übermässig grossen Anzahl dieser Anschlüssen ausgestattet sind. Ausserdem gibt es für jeden Typ von Gerät in der Regel eine spezifische Buchse, welche sich nicht mit anderen Gerätetypen verträgt.
- USB ist einfach: Es gibt nur eine Art von Kabeln. Diese Kabel sind an beiden Enden unterschiedlich. Das Ende für den Anschluss am Computer ist flach. Der Stecker für das Gerät, also den Drucker, den Scanner oder die Kamera ist viereckig. (Einige Geräte, zum Beispiel Kameras haben eigene Anschlüsse, die sich aber auch deutlich von dem flachen Stecker für den Computer unterscheiden.) Damit besteht keine Gefahr Stecker zu verwechseln und USB-Geräte falsch zu verkabeln.
- Hot Pluggin. USB lässt sich bei eingeschaltetem PC an- und abstecken. So kann man eine Kamera oder einen Scanner anschließen, während der Computer läuft. Das Betriebsprogramm erkennt das Gerät und lädt das entsprechende Steuerungsprogramm. Falls man das Gerät zum ersten Mal einsteckt, muss man in den meisten Fällen erst noch das Steuerungsprogramm auf den PC überspielen.
- USB ist erweiterbar. Theoretisch schafft USB bis zu 127 Geräte.
- USB ist schnell. Mit 12 MBit pro Sekunde flitzen die Daten durch die Leitung. Das entspricht genau 1,5 MByte in der Sekunde, also etwa dem Inhalt einer Diskette. Vielen ist USB aber nicht schnell genug. Um zum Beispiel Videodaten zu übertragen, braucht man mehr Geschwindigkeit. (FireWire)
- Durch Plug&Play werden die eingesteckten Komponenten sofort erkannt und die Grundeinstellungen werden dann vorgenommen. Es müssen keine spezifischen Einstellungen vorgenommen werden wie Jumperbelegung, korrekte Terminierung oder Protokolleinstellungen.
- USB hat einen eingebauten Stromanschluss. Auf dem USB-Kabel liegen 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA. Das genügt, um Geräte mit geringem Energieverbrauch zu betreiben, also Mäuse, Tastaturen oder auch Scanner. Geräte mit höherem Energiebedarf brauchen aber eine eigene Versorgung, Drucker zum Beispiel.
- Über die USB-Leitung soll auch telefonieren möglich sein. Das wäre ein Weg, endlich Telefon und Computer zusammen zu bringen, beispielsweise vom Computer aus Nummern zu wählen oder Telefonbücher zu verwalten.
- Die Produzenten von Peripheriegeräten können durch den Einsatz von USB Technologie viel Entwicklungsaufwand sparen: Die eigene Entwicklung von
Protokollen und Hardware zur Basis-Kommunikation mit dem PC entfällt (im
speziellen werden Einschubkarten überflüssig, welche zudem für den Endanwender schwer zu installieren sind).
4.2. Die Nachteile von USB
- Es gibt zu wenig USB-Stecker am PC: An den meisten Computern finden sich nur zwei USB-Stecker. Jeder, der mehr als zwei Geräte anschließen will, muss also einen USB-Hub kaufen. Das ist ein Verteiler, an den sich weitere USB-Geräte anstöpseln lassen. Und der kostet Geld, belegt selbst schon wieder einen USB-Anschluss und braucht im Normalfall noch Platz für ein eigenes Netzteil. (Es gibt Hubs, die sich wahlweise auch ohne Netzteil betreiben lassen. Allerdings liefern sie dann selbst unter Umständen zu wenig Strom, um andere USB-Geräte ohne Netzteil zu betreiben.)
- Alte Computer haben kein USB.
- Alte Betriebsprogramme kommen noch nicht mit USB zurecht.
- Für Multimedia-Anwendungen ist USB zu langsam. Wenn die Daten aus der Videokamera in den Computer wollen, brauchen die mehr Geschwindigkeit.
- Geschwindigkeitsprobleme, wenn viele Geräte gleichzeitig angeschlossen sind. Zwar können sich durch die USB-Leitungen in jeder Sekunde 1,5 MByte an Daten bewegen. Doch wenn ein Drucker, ein Scanner und ein paar Lautsprecher an USB hängen und gleichzeitig Daten übertragen wollen, wird es eng. Denn diese Geräte müssen sich die 1,5 MByte pro Sekunde teilen. Das kann zu Problemen und Fehlern führen.
4.3. Pyramide als Bus:
Der USBus stellt sich als hierarchischer Sternverteiler oder als Pyramide mit mehreren Ebenen dar. Auch bei USB ist es immer noch möglich, die Geräte direkt an den PC anzuschliessen. Jedoch hat der Anwender im weiteren die Möglichkeit, sogenannte "Hubs" (eine Art Verteiler) mit dem PC zu verbinden, welche ihm erlauben, mehrere USB-Geräte an eine PC USB Buchse anzuhängen.
Da diese Hubs ganz normale USB Geräte darstellen, lässt sich dieses Prinzip auf mehrere Ebenen ausweiten, so dass man mit mehreren Hubs und Peripheriegeräten eine Art Baumstruktur (von der Verkabelung her gesehen) aufbauen kann. Die maximale Kapazität eines USB Bus' beträgt 127 Geräte (Hubs eingeschlossen). Zwischen den Computer und ein Gerät lassen sich bis zu sieben Hubs einbauen. Sie bilden so genannte Ebenen. In jeder Ebene darf das USB-Kabel 5 Meter lang sein. Insgesamt kann also ein Gerät 35 Meter vom Computer entfernt stehen. Die Daten bewegen sich nur zwischen dem Computer und dem jeweills angesprochenen Gerät. Die USB-Geräte können sich untereinander nicht verständigen.
Die USB-On-the-Go-Spezifikation
Über die USB-On-the-Go-Funktion können zwei Endgeräte ihre Daten direkt miteinander austauschen. Normalerweise können USB-Geräte nur als Slaves von einem Host-Rechner angesprochen werden. Mit USB-On-The-Go kann zum Beispiel eine Digitalkamera Daten ohne zwischengeschalteten Computer an einen Drucker schicken. Allerdings werden die Host-Fähigkeiten der On-the-Go-Geräte im Punkt-zu-Punkt-Betrieb nur auf das notwendigste beschränkt sein. Dadurch kann nicht jedes USB-Device mit jedem beliebigen anderen autark kommunizieren.
4.4. Host Controller
Fast alle Mainboards für PC-Systeme (oder Apple-Macintosh Computer), welche
heutzutage im Handel erhältlich sind, wurden mit einem sogenannten USB Host
Controller ausgestattet. Ältere (PCI-fähige) Mainboards kann man mit PCI-Karten
aufrüsten. Diese Host Controller verfügen über zwei bis vier Ports. Es sind dies die Hardwareschnittstellen, an welche USB fähige Geräte angeschlossen werden können. Die Ports des Host Controllers werden auch - zusammengefasst - als Root-Hub bezeichnet.
USB ist eine hierarchische Implementation eines Bussystemes. Der im PC-System eingebaute Host Controller ist nicht nur Wurzel des physikalischen Baumes der angeschlossenen Geräte, sondern auch der Master über den ganzen Bus. Er benutzt ein Master/Slave-Protokoll, um mit den angeschlossenen Geräten zu kommunizieren; dies bedeutet, dass jede Art des Datentransfers auf dem Bus von ihm initiiert wird.
Es gibt also nur zwei Arten von Kommunikation auf dem Bus: Entweder sendet der Host Controller Daten zu einem Gerät oder aber ein Gerät sendet Daten zum Host Controller (nachdem es dazu von ihm aufgefordert wurde). Die direkte Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten auf dem Bus ist nicht möglich.
Dies mag auf den ersten Blick nicht besonders leistungsfähig erscheinen, man muss jedoch in Betracht ziehen, dass USB nicht als allgemeines Bussystem für beliebige Anwendungen konzipiert wurde, sondern explizit als Schnittstelle zwischen Peripheriegeräten und einem Host.
4.5. Hubs
USB Hubs sind Geräte, welche die Eigenschaft haben, dass sie die Anzahl der
verfügbaren Ports des Busses erhöhen. Wenn man also nicht genügend Ports am Computer besitzt, kann man an einen dieser Ports einen Hub anschliessen und hat dann, je nach Modell des Hubs, zwei bis acht weitere freie Ports zur Verfügung. Wenn ein Hub mit einem eigenen Netzteil ausgestattet ist, kann er die Stromversorgung auf seinen Ports selbst in die Hand nehmen, so dass der übergeordnete Hub entlastet wird.
Die USB System Software prüft periodisch alle Hubs, um festzustellen ob ein neues Gerät angeschlossen (oder auch abgehängt) wurde. Die Hubs können zu jedem Zeitpunkt angeben, an welchen ihrer Ports Geräte angeschlossen sind und welche Geschwindigkeit diese Geräte unterstützen.
4.6. Transferarten auf dem Bus
Die Transferierung von Daten auf dem Bus geschieht immer in einer von zwei
Richtungen: Entweder \"downstream\", also vom Host Controller zu einem Gerät, oder aber \"upstream\", von einem Gerät zum Host Controller.
Die Daten laufen als Pakete über den Bus. Noch vor den Daten wird ein Token mit der Adresse des ausgewählten Teilnehmers und mit den anderen internen Informationen an das Gerät gesendet. Jede Übertragung besteht daher im Regenlfall aus drei Phasen (token, data, handshake phase).
USB spezifiziert vier verschiedene Arten von Transfers, wobei nicht jedes Gerät alle vier Transferarten unterstützt:
- Control Transfers werden von allen USB Geräten unterstützt. Sie dienen
dazu, kurze Datenpakete sicher zu transferieren. Der Zweck von Control
Transfers ist das Konfigurieren von Geräten auf dem Bus oder ein Gerät zeigt damit an dass es verfügbar ist. Paketgröße ist 8, 16, 32 oder 64 Byte. Bidirektionale Transfervariante
- Bulk Transfers werden benutzt um grössere Datenmengen zuverlässig zu
transferieren. Vor allem Massenspeichergeräte machen von dieser
Möglichkeit Gebrauch. Sie brauchen keine bestimmte Bandbreite und deren Daten können auch verzögert gesendet werden. Zb.Drucker Scanner
Paketgröße ist 8, 16, 32 oder 64 Byte.
- Interrupt Transfers dienen dazu, kurze Datenpakte in periodischen
Abständen über den Bus zu transferieren, das gewünschte Intervall kann
dabei in 1ms Schritten von 1ms bis 256ms variiert werden. Diese Transferart
wird meist von Mäusen, Tastaturen und anderen Eingabegeräten verwendet.
Paketgröße ist maximal 8 Bytes für Low-Speed und 64 für Full-Speed Devices.
- Isochronous Transfers werden für Endlos-Datenströme von Realtime-
Anwendungen verwendet (vor allem Audio- und Video-Applikationen.) Diese
Transferart garantiert eine gewisse Busbandbreite da die Übertragung sofort erfolgen muß, jedoch besteht keine Garantie für die korrekte Übertragung der Daten. Die auftretenden Fehler fallen aber kaum ins Gewicht. 20 % der Busbandbreite bleiben für andere Übertragungen, damit andere Geräte wie Maus und Tastatur weiterhin funktionieren können. Paketgröße ist maximal 1023 Bytes. Uni-direktionale Transfervariante mit geringer Verzögerung.
4.7. Kabel
In jedem USB-Kabel stecken vier Drähte. Zwei übertragen die Daten, die beiden anderen versorgen die angeschlossenen Geräte mit Strom.
Es gibt zwei Sorten von USB-Kabeln. Für die schnelle Übertragung mit 12 MBit/s (medium speed) sind die beiden Datenkabel ineinander verdreht, der Fachausdruck hierfür ist Twisted Pair, zu Deutsch etwa \"zusammen gedrehtes Paar\". Zusätzlich sind diese Kabel abgeschirmt. Es kann also keine Störungen von außen die Datenübertragung beeinträchtigen.
Bei Geräten, die nur mit langsamen 1,5 MBit (low speed), also 192 kByte pro Sekunde arbeiten, kommen andere Kabel zum Einsatz. Hier sind zwar ebenfalls vier Drähte zu finden, jedoch sind die beiden Leitungen zur Datenübertragung nicht ineinander verdreht. Außerdem sind die Leitungen nicht gesondert abgeschirmt und mit dem Gerät immer fest verbunden. Diese Art kommt zum Beispiel bei Mäusen, Joysticks oder Tastaturen zum Einsatz. Denn diese Geräte brauchen keine hohen Übertragungsraten. Wegen der schlechteren Abschirmung dürfen diese langsamen USB-Kabel aber höchstens drei Meter lang sein.
4.8. USB 2.0
Seit April 2001 gibt es den Standard USB 2.0, Prototypen sind unterwegs: Der neue USB 2.0 geht 40mal schneller zur Sache als USB 1.1. Mit 480 MBit pro Sekunde überträgt das System die Daten. Dabei bleibt USB 2.0 kompatibel zu USB 1.1. Das bedeutet man können auch mit USB 2.0 alle USB-Geräte weiter verwenden. Allerdings wird dann eine neue Steckkarte nötig sein, die USB 2.0 beherrscht. Von Adaptec gibt es bereits eine solche Einsteckkarte für den Anschluss von USB-2.0-Geräten namens USB 2 Connect. Etwa ab Herbst sind erste ab Werk mit USB 2.0 ausgestattete Computer zu erwarten.
Mit der Geschwindigkeit von 480 MBit pro Sekunde hängt USB 2.0 sogar Firewire ab. Dank der hohen Übertragungsrate lassen sich auch Videodaten schnell übermitteln oder schnelle Festplatten anschließen. Bleibt abzuwarten, ob USB 2.0 Firewire vom Markt verdrängt oder ob für beide Standards Platz bleibt.
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