Wir stellen zehn Dinge vor, die Sie über USB – den Universal Serial Bus – wissen sollten. Dabei geht es insbesondere um die Neuerungen der neuesten Standards USB 3.0 und USB 3.1.

Inhaltsverzeichnis

1: Release Termine
2: Geschwindigkeiten
3: Datendurchsatz
4: Kabel und maximale Längen
5: Stromversorgung
6: Stecker und Buchsen
7: Strom sparen mit USB 3.0
8: Datenintegrität
9: Alternative Schnittstellen (Ethernet, eSATA, FireWire)
10: USB 3.0 nachrüsten
Quellen und weiterführende Informationen

1: USB Release Termine

USB 1.0 und USB 1.1

Der Universal Serial Bus (USB) feierte im Jahr 2011 sein 15-jähriges Jubiläum. USB wurde als kostengünstige und schnelle Alternative zu den seinerzeit sehr beliebten seriellen und parallelen Schnittstellen entwickelt. Die Version 1.0 des Standards erschien im Januar 1996. Ein kleines Update auf USB 1.1 erfolgte wenige Zeit später im September 1998.

USB 2.0

Etwa zwei Jahre später, im April 2000, gab es dann mit USB 2.0 den ersten großen Versionssprung vor dem Komma. USB 2.0 war viele Jahre der unangefochtene, aber auch unveränderte, Standard in der Anbindung von Computer-Peripherie.

USB Versionen Release Termine

USB 3.0 und USB 3.1

Dem massiv wachsenden Bedarf an schnell zu übertragenden, großen Datenmengen konnte erst wieder die noch vergleichsweise junge Weiterentwicklung des USB-Standards gerecht werden, die im November 2008 in Form des USB 3.0 Standards vorgestellt wurde. Da absehbar war, daß auch USB 3.0 dem stetig wachsenden Bedarf an schneller Datenübertragung irgendwann nicht mehr genügen würde, arbeitete ein Konsortium bestehend u.a. aus HP, Intel und Microsoft an einer Erweiterung des USB 3.0 Standards. Knapp fünf Jahre später war es soweit und USB 3.1 wurde im Juli 2013 als nun neuester USB-Standard präsentiert.

2: USB Geschwindigkeiten

Im Zuge der USB-Updates wurden immer wieder neue Marketing-Bezeichnungen zur Beschreibung der Geschwindigkeitsklasse von USB-Geräten eingeführt. Kunden wurden – und werden noch heute – mit den Begriffen Low-Speed, Full-Speed, High-Speed und SuperSpeed konfrontiert. Zukünftig wg. des neuen USB 3.1 Standards dann möglicherweise auch noch mit SuperSpeed+. Die folgende Tabelle zeigt, welche Geschwindigkeiten der jeweilige USB Standard beherrschen sollte.

USB Geschwindigkeiten

Die Betonung liegt dabei bewußt auf dem “sollte”, denn USB 2.0 Geräte unterstützen in der Regel, aber eben nicht immer, High-Speed. Im besten Falle ist man verwirrt, im Schlechtesten hat man ein Produkt erstanden, auf dem USB 2.0 prangt, daß aber den High-Speed-Modus gar nicht beherrscht und demzufolge mit schneckenlahmen Datenübertragungsraten daherkommt. Als kleiner Trost und angesichts des Alters von USB 2.0 dürfte sich aber heutzutage kaum noch ein Gerätehersteller wagen, ein USB 2.0 Gerät ohne High-Speed-Unterstützung anzubieten.

Kann es mit dem USB 3.0 Standard oder dem neuen USB 3.1 Standard auch zu solchen Verwirrungen kommen? Sowohl die USB 3.0 als auch die USB 3.1 Spezifikation unterstützen zusätzlich zu SuperSpeed (3.0) bzw. SuperSpped+ (3.1) die drei alten Geschwindigkeiten Low-, Full- und High-Speed zusätzlich. Ein Gerät, daß Low-, Full- und High-Speed unterstützt ist USB 2.0 kompatibel. Nicht jedoch USB 3.0 oder 3.1 kompatibel. Insofern darf ein Gerät, daß maximal High-Speed beherrscht nicht mit USB 3.0 bezeichnet werden.

3: USB Datendurchsatz

USB 3.0 bringt einen enormen Geschwindigkeitsschub ggü. USB 2.0 mit einer theoretischen Maximal-Transfer-Rate von 625 MB/Sek. USB 3.1 verdoppelt diese maximale Transferrate auf 1250 MB/Sek. In der Regel werden die in den Spezifikationen beschriebenen maximalen Transferraten in der Praxis jedoch nicht erreicht, u.a. wg. Protokoll-Overheads, konkurrierenden Zugriffen verschiedener Geräte auf demselben Bus, et.

Der maximale lesende Durchsatz liegt bei USB 2.0 Geräten im theoretischen Bereich von ca. 35-40 MB/Sek. Selbst der aktuell schnellste hier getestete USB 2.0 Stick, der Kingston DataTraveler R500, schafft “nur” gute 29 MB/Sek und ist damit einer der Top USB 2.0 Speichersticks überhaupt. Schreibend schaffen die Besten um die 20 MB/Sek.

Demgegenüber steht USB 3.0 mit einer in der Praxis erreichbaren maximalen Daten-Transfer-Rate in Leserichtung von jenseits der 400 MB/Sek. Aber selbst fünf Jahre nach Einführung des USB 3.0 Standards liegen die schnellsten USB 3.0 Sticks in der Regel noch unter 200 MB/Sek. Die aktuelle Nummer Eins unserer USB Stick Bestenliste ist der Lexar JumpDrive Triton, der es in lesender Richtung auf sehr gute 180 MB/Sek bringt. Unter optimalen Bedingungen hat es die c’t (Ausgabe 13/2012, S.108) bereits geschafft, am USB 3.0 Anschluß auf etwas mehr als 400 MB/Sek zu kommen. Und die Gerätehersteller arbeiten kontinuierlich an der Weiterentwicklung von Speicherbausteinen und Controllern, so daß davon auszugehen ist, daß die ersten Speichersticks, die auch an weniger optimierten Systemen über 200 MB/Sek transferieren können, in nächster Zeit erscheinen werden.

4: USB Kabel und maximale Längen

Damals, in den Zeiten dicker Parallelport-Kabel mit breiten 25-Pin-Anschlüssen, war die maximale Länge der Kabel begrenzt. Bei sechs Metern war Schluß, wenn man nicht für Spezialkabel sehr tief in die Tasche griff.

Auch der USB Standard definiert Längenbeschränkungen. In der folgenden Tabelle sind diese Maximallängen für alle Versionen des Universal Serial Bus aufgeführt:

USB Kabellängen

USB 3.0 gibt keine konkrete Spezifikation der maximal erlaubten Längen, empfiehlt jedoch drei Meter. Die in der Tabelle aufgeführten maximalen Gesamtlängen können durch die Aneinanderreihung von sechs Kabeln über fünf sog. Hubs erreicht werden. Um über die maximale Gesamtlänge hinauszugehen, wird spezielle Hardware benötigt, bspw. Repeater Extension Cables oder USB Bridges. Für den USB 3.0 Standard existieren bereits Lösungen, die Kabel mit eigener Elektronik einsetzen, um mit einem einzigen Kabel auf bis zu 20 Meter Länge zu kommen.

Der USB 2.0 Standard verlangt für Full-/High-Speed-Kabel vier Leitungen, jeweils zwei für Daten und zwei für die Stromübertragung, plus einer äußeren Abschirmung.

Demgegenüber werden für Super-Speed-Kabel nach USB 3.0 Standard insg. zehn Leitungen nebst Abschirmung benötigt: Zwei Leitungen für die Stromübertragung und ein nicht abgeschirmtes verdrilltes Leitungspaar (UTP-unshielded twisted pair) für die Rückwärtskompatibilität zu High-Speed und niedrigeren Transferraten. Zusätzlich zwei abgeschirmte Differentialpaare (SDP-shielded differential pairs), die jeweils drei Leitungen enthalten: Zwei für Daten und eine Erdleitung (drain wire). Die beiden SDPs werden für die Super-Speed-Datenübertragung verwendet und ermöglichen den gleichzeitigen bidirektionalen Datenfluß durch das Kabel.

5: USB Stromversorgung

In der Stromversorgung steckt eine der wesentlichen Neuerungen von USB. Gegenüber den alten seriellen und paralellen Schnittstellen ist ein USB-Gerät in der Lage über den USB-Anschluß Strom zu beziehen. Das hat zu tlw. skurrilen USB-Gerätschaften geführt, die Ihre Funktion hauptsächlich aus der Stromübertragungsfähigkeit des USB-Anschlusses ziehen.

Der USB Standard definiert verschiedene Status, in denen USB-Geräte dem USB-Anschluß die dort spezifizierte Menge an Strom entnehmen dürfen. In der folgenden Tabelle sind diese Stromstärken in Milliampere aufgelistet.

USB Stromstärken

Neben dem Bedarf immer schnellerer Schnittstellen, drängen zunehmend mehr USB Geräte mit hohem Strombedarf auf den Markt. Wer ein iPad sein Eigen nennt und schon einmal versucht hat, dieses an einem “normalen” USB 2.0 Anschluß zu laden, weiß, was gemeint ist. Der Ladestrom des iPad liegt bei 1200 mA, den das iPad-Netzteil auch zur Verfügung stellt. An einem USB 2.0 Anschluß, der maximal nur 500 mA zur Verfügung stellt, dauert das Laden dagegen scheinbar “ewig”.

Ein anderes Beispiel sind externe USB Festplatten, bei denen immer wieder einmal vor dem Betrieb an nur einem USB-Anschluß gewarnt wurde: Beim Spin-Up, also dem Startvorgang der Festplatte wenn die Scheiben zu rotieren beginnen, würden tlw. mehr als 500 mA benötigt und es könnte zu einem “Durchbrennen” der USB-Controller am Computer kommen. Manche externe USB Festplatte wurde daher mit einer Kabelpeitsche geliefert, die zwei USB-Stecker zur Festplatte durchschleift, um den doppelten Strom vom USB-Anschluß abgreifen zu können.

USB 3.0 trägt diesem erhöhten Bedarf nun endlich Rechnung: Mit der Einführung des 3.0 Standards wurden die maximal zulässigen Stromstärken, die USB Geräte dem Anschluß entnehmen dürfen, erhöht. Im High-Power-Modus stehen an einem USB 3.0 Anschluß maximal 900 mA zur Verfügung. Demgegenüber sind es bei USB 2.0 nur maximal 500 mA. Das sollte, zumindest vorübergehend, den Strombedarf moderner USB Geräte (besser) decken können.

6: USB Stecker und Buchsen

Der Universal Serial Bus Standard kennt eine ganze Reihe verschiedener Stecker- und Buchsenformen und mit der Einführung von USB 3.0 wird es nicht unbedingt übersichtlicher. Hier alle Stecker-Typen des USB Standards.

USB 2.0 Stecker

Und die zugehörigen Buchsen.

USB 2.0 Stecker

In der folgenden Tabelle sind alle bekannten Standard USB 2.0 und 3.0 Stecker- und Buchsentypen so dargestellt, daß die zulässigen Steckkombinationen deutlich werden.

USB Stecker und Buchsen

Ein Lesebeispiel: Als einziger der USB 3.0 Stecker kann nur der Std A (Type A) Stecker in eine USB 2.0 Std A Buchse gesteckt werden. Dies gilt allerdings für keinen anderen Stecker-Typ des USB 3.0 Standards, da nur der Std A Stecker Abwärtskompatibel zu USB 2.0 Buchsen gestaltet wurde oder werden konnte. Im englischen Wikipedia-Artikel zum Universal Serial Bus sind die oben gezeigten Stecker- und Buchsentypen, allerdings ohne USB 3.0, gut aufbereitet in Tabellenform unter Host Interface receptables mit Bildern dargestellt.

Im folgenden Bild sind die drei USB 3.0 Stecker abgebildet.

USB 3.0 Stecker

Aufgrund der Tatsache, daß für USB 3.0 insgesamt zehn Leitungen für die Datenübertragung benötigt werden, hat sich das Steckerlayout für Std B und Micro B geändert: Dem Std B wurde ein Mini B zusätzlich aufgeflanscht während der Micro B seine Erweiterung in der Horizontalen erfuhr, indem links des ursprünglichen USB 2.0 Micro B Steckers ein zusätzlicher Mini B Stecker platziert wurde.

7: Strom sparen mit USB 3.0

Ein USB Host, also der im Computer eingebaute Controller, der die USB-Steuerung übernimmt, fragt in regelmässigen Abständen bei den angeschlossenen USB Geräten nach, ob Sie Daten übertragen möchten (sog. Polling). Nach dem USB 3.0 Standard können Geräte als Antwort ein “Not Ready” (NRDY) melden, womit sie anzeigen, daß sie später auf die Anfrage antworten möchte. Der Host merkt sich das NRDY und “pollt” das entsprechende Gerät nicht mehr. Das hat den Vorteil, daß sich ein Gerät, das NRDY gemeldet hat, in einen Stromsparmodus versetzen kann. Für den Fall, daß das alle angeschlossenen Geräte tun kann auch der Host seinen Upstream-Link in den Stromsparmodus versetzen. Das ist sehr sinnvoll, denn es kommt oft vor (dauerblinkende USB-Weihnachtsbäume und anderes Spielzeug ausgenommen), daß USB-Geräte gar keinen Strom benötigen, der Host aber kontinuierlich Strom und Spannung an den Anschlüssen bereistellt, was zu unnötigem Stromverbrauch des gesamten Computers führt.

8: USB und die Datenintegrität

Der große Erfolg der USB Schnittstelle ist sicher auch dem Plug’n’Play-Faktor der USB Geräte zu verdanken: Gerät einstecken, einen Moment warten, und – spätestens seit Windows XP – ist das Gerät einsatzbereit. Bei allen USB Geräten, die Daten speichern können, also bspw. externen Festplatten oder USB Sticks, besteht allerdings die Gefahr, daß Daten verloren gehen, wenn das USB Gerät nicht ordnungsgemäß vom Computer abgemeldet wurde.

Das liegt in der Arbeitsweise moderner Betriebssysteme und Festplatten- bzw. USB Stick Controllern begründet, die die zu schreibenden Daten aus geschwindigkeitsgründen zunächst zwischenspeichern, bevor diese von Controller oder Betriebssystem, wenn Zeit vorhanden ist, endgültig – und vor allem dauerhaft – auf der Platte oder dem Stick landen.

Viele Nutzer wechselbarer Speichermedien kennen daher unter Windows und natürlich auch MacOS oder Linux den Akt des “Auswerfens”. Ein USB Gerät muß zunächst ausgeworfen, also vom Computer offiziell abgemeldet, werden, damit Betriebssystem und/oder Controller alle Speichervorgänge abschließen können. Erst dann ist das USB Gerät sicher ohne Datenverlust vom Computer zu trennen.

Neben dem ordnungsgemäßen Auswerfen oder Abmelden des USB Gerätes ist es zusätzlich ratsam, den gerätespezifischen Schreib-Cache abzuschalten. Darüberhinaus macht es immer Sinn, einen Blick auf die LED(s) des angeschlossenen Speichermediums zu haben. Blinkende LEDs zeigen häufig aktive Schreib-/Lesevorgänge, während derer es nicht ratsam ist, das USB Speichermedium zu entfernen.

9: Alternative Schnittstellen (Ethernet, eSATA, FireWire)

Welche Alternativen existieren zu USB 2.0 und 3.0 zur Anbindung von Peripheriegeräten? In der folgenden Tabelle haben wir den USB Standards die drei bekanntesten Schnittstellen zum Anschließen externer Geräte gegenübergestellt.

Tabelle: Alternative Schnittstellen zu USB

Apple ist seit Jahren bemüht seine FireWire-Schnittstelle als schnelle Alternative zum USB Standard zu etablieren. Zwar liegt die maximale, theoretische Transferrate von FireWire 800 etwa um den Faktor 1,7 über der von USB 2.0, aber außerhalb der Apple-Welt hat sich FireWire bis heute nicht durchsetzen können. Und wir wagen zu behaupten, daß das auch nicht mehr passieren wird, liegt doch der neue USB Standard 3.0 mit seinem theoretischem Maximum von 625 MByte/Sek – also mit einem Faktor von sechs – weit über der Leistungsfähigkeit der FireWire-Schnittstelle.

Demgegenüber steht die extrem verbreitete Ethernet-Schnittstelle. Kaum ein Gerät, selbst mittlerweile in der Unterhaltungselektronik (bspw. XBox oder Media-Streamer), das nicht mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgestattet ist. Gigabit Ethernet erreicht ungefähr die theoretische Leistungsfähigkeit von FireWire 800, kann aber zum einen mit seiner enormen Verbreitung und zum anderen mit einer ungleich höheren maximalen Kabellänge von 100 Metern ggü. FireWire und (auch) eSATA punkten. Gigabit Ethernet eignet sich jedoch nicht für die Anbindung externer Peripherie-Geräte.

Bleibt also noch eSATA. eSATA ist die Abkürzung für External Serial ATA und stellt eine Erweiterung des SATA-Busses dar, der überlicherweise in Computern für den Anschluß von Festplatten verwendet wird. Die Erweiterung zu “External” wurde eingeführt, um Massenspeicher auch außerhalb des Computergehäuses betreiben und sie trotzdem über den schnellen SATA-Bus anschließen zu können. Trotz seiner hohen Geschwindigkeit, ist es wahrscheinlich, daß USB 3.0 eSATA verdrängen wird: eSATA ist unflexibel und für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für externe Festplatten ausgerichtet. Neben der sehr begrenzten Kabellänge von maximal einem Meter kommt erschwerend hinzu, daß eSATA-Anschlüsse keinen Strom für externe Geräte liefern.

10: USB 3.0 nachrüsten

Obwohl USB 3.0 im November sein fünfjäriges Jubiläum feiert, ist der neue Standard noch lange nicht in allen Computern als Anschluß(buchse) vorhanden. Die durchschnittliche Nutzungsdauer von PCs und Macs liegt bei etwa fünf Jahren, so daß es noch einige Zeit dauern wird, bis sich an allen Computern ein USB 3.0 Anschluß befindet.

Wer noch keinen USB 3.0 Anschluß an seinem Rechner hat, kann diesen jedoch nachrüsten. Dies funktioniert bei einem normalen Desktop PC, indem in diesen entweder

  • ein neues Mainboard mit integrierter USB 3.0 Schnittstelle oder
  • eine USB 3.0 PCIe-Steckkarte

eingebaut wird. Wer ohnehin das Mainboard seines PCs wechseln wollte, der könnte sich bspw. für ein Asus M4A89GTD PRO/USB3 mit integrierter SuperSpeed USB 3.0 Schnittstelle entscheiden. Weniger aufwendig stellt sich der Einbau einer PCIe-Karte dar, bspw. die IcyBox IB-AC604 PCI-e oder die BIGtec USB 3.0 PCI Express Schnittstellenkarte, die den PC jeweils um zwei USB 3.0 Anschlüsse ergänzen.

Auch Notebook-Nutzer können in den Genuß der schnellen USB 3.0-Schnittstelle kommen. Sofern der Laptop einen ExpressCard/34 (34 mm Breite) Anschluß besitzt, bietet sich bspw. die PCI-Express Schnittstellenkarte USB 3.0 von Logilink an, um USB 3.0 Geräte mit voller Geschwindigkeit am Notebook betreiben zu können.

Quellen und weiterführende Informationen