USB3.0 - Der neue Standard

Der Universal Serial Bus (USB) ist ein serielles Bussystem zur Verbindung von Computern mit externen Geräten. Mit USB ausgestattete Geräte oder Speichermedien können im laufenden Betrieb miteinander verbunden (Hot-Plug) werden. Angeschlossene Geräte werden automatisch erkannt und deren Eigenschaften ausgelesen.

Von der Bus-Spezifikation ist ein einen zentraler Host-Controller (Master) vorgesehen, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (Slave-Clients) übernimmt. An diesen können theoretisch bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. Pro USB-Port kann immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden. Wenn an einem Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen, muss ein Verteiler (Hub) für deren Kopplung sorgen. Hierdurch entstehen Baumstrukturen, die alle im Host-Controller enden.

USB ist jedoch kein physischer Datenbus, wie der Name Universal Serial Bus vielleicht suggeriert. Es werden nicht mehrere Geräte parallel an eine Leitung angeschlossen sondern tatsächlich ist es eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Als Bus wird das ganze wegen der logischen Vernetzung bezeichnet.

Bekannterweise eignet sich USB für viele Geräte wie Festplatten, optische Laufwerke, Speichersticks, Drucker, Scanner, Webcams, Mäuse, Tastaturen, uvm. USB-Speichersticks sind z.B. überhaupt erst mit USB entstanden. Viele alte Schnittstellen wurden inzwischen durch USB ersetzt. Hier handelt es sich um die seriellen RS-232-Schnittstellen, die parallele Schnittstelle (Centronics), die PS/2-Schnittstellen und die Gameports. Die meisten Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Mäuse, Telefone, Tastaturen oder auch 2,5″-Festplatten können direkt über den Bus versorgt werden.

Der universelle serielle Bus (USB 1.0) wurde von Intel entwickelt und 1996 im Markt eingeführt. Er war vor allem zum Ersatz von Tastatur- und Maus-Schnittstellen gedacht, sowie für Peripheriegeräte wie Drucker, Scanner und ähnliches. Für Massenspeicher war der erste Standard wegen der maximalen Datenrate von 12 Mbit/s waren nur sehr eingeschränkt zu gebrauchen. Des Weiteren wurde zu diesem Zeitpunkt USB durch die damals gängigen Betriebssysteme Win95 und Win NT4 nicht unterstützt. Daher kommt auch die scherzhafte Abkürzung Useless Serial Bus.

Ende 1998 folgte eine überarbeitete Spezifikation, USB 1.1. In erster Linie wurden Fehler und Unklarheiten der 1.0-Spezifikation behoben und den Interrupt Out Transfer hinzugefügt.

Im Jahr 2000 spezifizierte man USB 2.0 mit einer weiteren Datenrate von 480 Mbit/s. Dies ermöglichte den Anschluss von Festplatten oder Videogeräte. Pro Anschluss werden nur max. 500 mA (High Power) oder 100 mA (Low Power) als Stromversorgung zugesichert.

2008 wurden die Spezifikationen für USB 3.0 SuperSpeed vorgestellt, mit Datentransferraten von mindestens 4,8 Gbit/s. Mit der kommenden Version der Schnittstelle werden Daten also bis zu zehnmal schneller übertragen als mit USB 2.0.

Für die höheren Transferraten wurden neue Kabel notwendig, Typ-A-Stecker sind jedoch abwärtskompatibel zu früheren USB-Varianten. Die neuen Stecker besitzen fünf zusätzliche Kontakte. An der Form wurde äußerlich nichts verändert, die zusätzlichen Kontakte sind in nicht benutzten Bereichen des Steckers untergebracht. Das SuperSpeed-USB unterstützt auch bidirektionale Verbindungen für gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten. Mit USB 3.0 wird auch die Stromversorgung auf 900 mA erhöht, was die Versorgung von 2,5″-Festplatten absichert.

Es wurden Leerlauf- und Stromspar-Funktionen implementiert. Ein großer Vorteil von USB3.0 ist der Energieverbrauch. Dieser ist niedriger, was besonders Laptop-Nutzer freuen wird.

Erste kompatible Chipsätze sind erschienen. Dezember 2009 hat das Unternehmen VIA die ersten Chips für USB 3.0-Hubs vorgestellt. Der VL810 genannte Chip ist mit allen Geschwindigkeitsmodi kompatibel. Mit passenden Geräten ist jetzt in der zweiten Jahreshälfte von 2010 zu rechnen.

Wichtigste Komponente der jetzigen Teilspezifikation ist der Host-Controller, der selbstverständlich eine Abwärtskompatibilität zu früheren USB-Varianten und somit auch älterer Hardware bietet. USB3.0-Controller gibt es demnächst auf allen neuen Mainboards, USB Controller-Karten zum nachrüsten sind bereits erhältlich.

Die neuen Verbinder vom Typ A sind mit den bisherigen abwärtskompatibel. Bisherige USB-Geräte lassen sich auch weiterhin mit USB 3.0, neue 3.0-Geräte auch an alten 2.0- bzw. 1.0/1.1-Hosts betreiben. Eine Ausnahme stellen die B-, Mini-B-, Micro-B- und Mini-A-Verbinder dar. Durch die hier notwendigen Anbauten lassen sich zwar alte Stecker in neuen Buchsen, nicht jedoch neue Stecker in alten Buchsen verwenden. Hierfür sind dann Adapter erforderlich.

Bei USB 3.0 gibt es ein neues Hub-Konzept. Hubs bestehen aus zwei Unter-Hubs. Der eine ist speziell für den neuen Super-Speed-Modus zuständig, der andere für die bisherigen Geschwindigkeitsmodi (Low-Speed, Full-Speed, High-Speed). Erst an den Ports werden beide Teile zusammengeführt.

Zehn mal schneller als USB2.0 soll USB3.0 sein. 27 GB Daten soll man in nur 70 Sekunden kopieren können. Dafür sorgen die zusätzlichen Adern innerhalb des Kabels/Verbinders.

Senden und Empfangen soll mit USB3.0 möglich sein. Das hört sich für den einen oder anderen evtl. ganz normal an. Bei USB2.0 ist jedoch nur eines von beiden zu einer Zeit möglich.

USB-Device Server sind kleine Geräte, die USB-Schnittstellen im Netzwerk zur Verfügung stellen. Per Treiber werden die Schnittstellen dann über TCP/IP ins System eingebunden. Device-Server mit USB3.0 sind derzeit noch nicht erhältlich.

Bisher konnte Geräte als USB2.0 kompatibel beworben werden, auch wenn nur USB1.1-Geschwindigkeit erreicht wurde. Dies ist bei USB3.0 nicht der Fall. Die Spezifikation sieht vor, dass Geräte nur mit dem Standard USB3.0 beworben werden dürfen, wenn diese auch den Super-Speed-Modus unterstützen.

Der neue USB3.0-Standard