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Universal seriell buss

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Universal Serial Bus ( USB ) [ ˌJuːnɪˈvɜːsl ˈsɪɹiəl bʌs ] er et bit-serielt dataoverføringssystem for tilkobling av en datamaskin til eksterne enheter. Enheter eller lagringsmedier utstyrt med USB, for eksempel USB -minnepinner , kan kobles til hverandre under drift ( hot plugging ) og tilkoblede enheter og deres egenskaper kan gjenkjennes automatisk. Før introduksjonen av USB var det en rekke forskjellige grensesnitttyper med et stort utvalg kontakter for tilkobling av tilbehør og eksterne enheter til hjemmemaskiner og personlige datamaskiner . Nesten alle disse grensesnittvariantene har blitt erstattet av USB, noe som har medført forenklinger for brukeren, men som har blitt delvis sett i perspektiv av det store antallet forskjellige USB -plugger og -kontakter. USB ble introdusert som USB 1.0 i 1996 med en maksimal dataoverføringshastighet på 12 Mbit / s. Versjon USB 2.0 ble spesifisert i 2000, med 480 Mbit / s den versjonen som fremdeles er mest utbredt i dag. Med USB 3.1 Gen 2 -standarden introdusert i 2014, er maksimal brutto dataoverføringshastighet for SuperSpeed ​​+ 10 Gbit / s. [1] I 2017 ble USB 3.2 spesifisert med en overføringshastighet på opptil 20 Gbit / s. [2] [3] Til tross for begrepet “buss” i begrepet “Universal Serial Bus”, er USB en stjernetopologi .

USB -symbol
Nåværende USB -logo
USB 3.0 Superspeed -logo

oversikt

USB overfører dataene bit- serielt , noe som betyr at de enkelte bitene overføres etter hverandre. Overføringen skjer differensielt via et symmetrisk [Note 1] trådpar: hvis det høye nivået er på den første ledningen, er det lave nivået på den andre og omvendt. Signalmottakeren evaluerer differensialspenningen ved en avslutningsmotstand . De to logiske tilstandene null eller ett resultat fra deres tegn. Differensialprosessen og bruken av vridde ledninger eliminerer i stor grad utstrålt elektrisk interferens. Dette øker overføringssikkerheten og undertrykker forstyrrelser i vanlig modus . Dataene overføres i begge retninger (fra og til den eksterne enheten) med dataoverføringshastigheter på opptil 480 Mbit / s over det samme ledningsparet; bare de raskere modusene som ble introdusert med USB 3.0 krever flere trådpar. Ytterligere to ledninger forsyner tilkoblede enheter med energi. Ved å bruke bare fire ledninger i en kabel (egnet for opptil 480 Mbit / s), kan den gjøres tynnere og billigere enn med parallelle grensesnitt . Sammenlignet med bit -parallelle tilkoblinger - for eksempel IEEE 1284 ("Centronics") - kan en høy dataoverføringshastighet oppnås med relativt liten innsats, siden flere signaler med samme elektriske oppførsel ikke trenger å overføres samtidig.

En rekke forskjellige overføringshastigheter er tilgjengelig. Avhengig av kravene som følger med programmet, kan maksimal dataoverføringshastighet være mellom 1,5 Mbit / s og nesten 20 Gbit / s (se avsnitt om datahastigheter ). Valget av maksimal dataoverføringshastighet har innvirkning på forskjellige parametere, for eksempel implementeringsarbeid, valg av kabelmateriale, kontakttyper eller signalspenninger som brukes.

Den elektriske tilkoblingen er en direkte forbindelse (punkt-til-punkt-tilkobling); USB blir bare et bussystem over det fysiske nivået. [4] Bussen spesifikasjonen gir for en sentral vertsstyreenhet (master) som koordinerer tilkoblede perifere enheter (de såkalte slave klienter). I teorien kan opptil 127 forskjellige enheter kobles til den. Bare en USB -enhet kan kobles til en USB -port. Hvis flere enheter skal kobles til en vert, må en hub ( hub ) brukes for å koble dem. Navene lager trestrukturer som alle ender i vertskontrolleren.

Bruksområder for USB

USB er egnet for mange enheter som masselagringsenheter (for eksempel harddisker , disketter , DVD -stasjoner), skrivere , skannere , webkameraer , mus , tastaturer , aktive høyttalere , men også dongler og til og med grafikkort og skjermer . [5] USB kan ta over strømforsyningen for enheter med lavt strømforbruk som mus, telefoner, tastaturer, men også for eksempel CIS- skannere eller noen 2,5- tommers harddisker og eksterne lydkort .

I dag kan flere typer enheter kobles til via USB, som ble koblet til via et stort antall forskjellige grensesnitttyper før introduksjonen av USB. De eldre typene som har blitt erstattet inkluderer serielle ( RS-232 , PS / 2-grensesnitt for tastatur og mus , Apple Desktop Bus ), parallelle ( Centronics-grensesnitt ) og analoge ( spillport ) grensesnitt. Noen ganger tilbys de gamle grensesnittene fortsatt på noen hovedkort og bærbare datamaskiner, selv om tilsvarende enheter ikke lenger er tilgjengelige i butikkene. Gamle enheter med slike tilkoblinger som serielle 56k -modemer eller parallelle skrivere er fremdeles tilgjengelige mange steder. I industrisektoren brukes RS-232 fremdeles ofte over eldre PCer eller adapterkort, siden de tilsvarende USB-adapterene ikke er i sanntid og eksterne enheter i dette miljøet er mye mer holdbare. I mellomtiden har USB stort sett erstattet eksterne SCSI -grensesnitt.

Sammenlignet med de tidligere løsningene tilbyr USB betydelig høyere dataoverføringshastigheter. Dataene overføres imidlertid i pakker . Det er derfor mindre egnet for noen tidskritiske applikasjoner - for eksempel for pakker med bare noen få byte som reduserer overføringshastigheten, eller når samlingen av byte for å fylle en pakke ville forsinke overføringen.

Relativt høy dataoverføringshastighet har vært mulig siden introduksjonen av USB 2.0 -spesifikasjonen. Dette gjør USB egnet for tilkobling av andre typer enheter som harddisker, TV -grensesnitt og fotokameraer . Når det gjelder eksterne masselagringsløsninger, konkurrerer USB med FireWire og eSATA og har nesten fullstendig erstattet dem, i hvert fall i hjemmet.

Universelle tilleggsfaktorer for tofaktorautentisering kan også kommunisere med operativsystemer eller nettlesere via USB, for eksempel sikkerhetstokener for den åpne U2F- standarden.

Historie og utvikling

USB 2.0 PCI -utvidelseskort
Gammel USB -logo

USB 1.0

Den universelle serielle bussen (USB 1.0) ble utviklet av et konsortium bestående av Compaq , DEC , Intel , IBM , Microsoft , NEC og Nortel og introdusert i 1996. [6] Utviklingsteamet ledet av Ajay Bhatt i Intel ga viktige bidrag. USB erstatter mange tidligere PC -grensesnitt og standardiserte tilkoblingen for tastaturer og eksterne enheter som skrivere , skannere og eksterne masselagringsenheter.

I 1996 var 440FX, utviklet for Pentium Pro og også brukt med Pentium II , et av de første brikkesettene som støttet USB -protokollen, selv om dette neppe ble annonsert før introduksjonen av ATX -hovedkortene . En grunn var den dårlige USB -støtten fra operativsystemene Windows 95 og Windows NT 4.0 . I begynnelsen var det også mangel på USB -enheter.

USB 1.1

I 1998 løste USB 1.1 -spesifikasjonen feil og uklarheter i 1.0 -spesifikasjonen og la til avbruddsoverføringen . USB 1.x konkurrerte ikke med Apples FireWire -standard (IEEE 1394) , som allerede hadde overført 400 Mbit / s fra 1995 og ble akselerert til 800 Mbit / s i 2003. Likevel brukte Apple grensesnittet i USB 1.1 -revisjonen i iMac G3 publisert i 1998, og erstattet dermed ADB .

USB 2.0

USB 2.0 ble spesifisert i 2000. Dette gjorde en datahastighet på 480 Mbit / s mulig. De brukte produkter som harddisker og videoenheter fra 2002. USB 2.0 støttes fra Windows XP Service Pack 1 og fra Windows 2000 Service Pack 4.

USB 3.0

I 2008 fulgte spesifikasjonen for USB 3.0 SuperSpeed . Her overføres 5 Gbit / s. Dette er datahastigheten til 8b10b -linjekoden som brukes, som brukes til å kode 8 nyttige databiter for overføring i 10 kanalbiter. Dette resulterer i en maksimal brutto dataoverføringshastighet på 4 Gbit / s. Den mulige nettodatahastigheten er litt under bruttodatahastigheten. For dette formålet har nye plugger, kabler og stikkontakter blitt introdusert, noen av dem er kompatible med de gamle. [7]

Fra juli 2011 ble USB 3.0 fra AMD integrert i A75 -brikkesettet, slik at det ikke var behov for ytterligere sjetonger på hovedkortene. Ekstra brikker øker kostnadene og innsatsen for hovedkortprodusenter, slik at integrering i brikkesettet har gitt et avgjørende bidrag til spredningen av USB 3.0. Omtrent et år senere integrerte Intel også USB 3.0 i 7-serien brikkesett.

USB 3.1

USB 3.1 -spesifikasjonen som ble vedtatt i juli 2013 doblet overføringshastigheten sammenlignet med USB 3.0 til 10 Gbit / s brutto. [8] Linjekoden, som er mer effektiv med 128b132b, muliggjorde en matematisk 1,2 GB / s. Dette førte til et nytt navn. USB 3.0 -spesifikasjonen ble slått sammen med USB 3.1 -spesifikasjonen og kalles nå USB 3.1 Gen 1 . Den raskere SuperSpeed+ -standarden kalles også USB 3.1 Gen 2 . [9] [10]

USB 3.2

USB 3.2 dobler datahastigheten til opptil 20 Gbit / s med en USB-C-kontakt i hver ende av kabelen. Et annet par ledninger i fullt kablede USB-C-kabler brukes parallelt. Navnet skiller mellom USB 3.2 Gen 1 eller SuperSpeed ​​USB (5 Gbit / s), USB 3.2 Gen 2 eller SuperSpeed ​​USB 10 Gbps (10 Gbit / s) og USB 3.2 Gen 2 × 2 eller SuperSpeed ​​USB 20 Gbps ( 20 Gbit / s). Med hastighetene 5 og 10 Gbit / s er dette bare et nytt navn; teknisk er det ingen forskjell på protokollene som brukes med USB 3.1. [11]

USB4

Spesifikasjonen for USB4 [12] ble publisert i 2019. USB4 er felles etterfølger til USB 3.2 og Thunderbolt 3. Thunderbolt-spesifikasjonen ble overlevert til USB-IF i begynnelsen av 2019. Dette støtter nå trelignende forgreningsstrukturer (hub-topologi) , som det alltid har vært mulig med USB ved hjelp av hubber . [13] Dette gjorde også USB-C-porten obligatorisk. Det er ingen høyere hastighet enn Thunderbolt 3 (40 Gbit / s). USB4 Gen 3x2 er ny, også med en hastighet på 40 Gbit / s. I tillegg er denne hastigheten bare valgfri; minst 20 Gbit / s er nødvendig. Den velkjente støtten til PCI Express med Thunderbolt 3 er valgfri, det samme er USB-PD. Bare USB4 -hubene må mestre alle funksjonene og er derfor fullt kompatible med Thunderbolt 3 [14] .

Video Electronics Standards Association (VESA) godkjente DisplayPort 2.0 (eller DisplayPort Alt Mode 2.0) bildestandardstandard med USB4 - med en overføringshastighet på opptil 77,37 Gbit / s via en USB -C -kabel. Dette er tilstrekkelig uten komprimering for 8 K videodata (7680 × 4320 piksler) med 10 bits per fargekanal og 60 Hertz repetisjonshastighet. Med datastrømskomprimering (Display Stream Compression, DSC) er det tilstrekkelig for 16 K bilder (15360 × 8460) med 10 bits og 60 Hertz.

Strømforsyning

Med USB 1.0 var det allerede mulig å levere strøm til tilkoblede enheter via USB -kabeltilkoblingene. Maksimal ytelse var imidlertid bare tilstrekkelig for enheter med lave strømkrav (for eksempel en mus eller et tastatur), men ikke for de fleste harddisker. Derfor brukes USB -porter noen ganger utenfor de angitte ytelsesgrensene. Spesielt har en kort overbelastning av en USB -port, som oppstår når en harddisk starter, vanligvis ingen konsekvenser i praksis.

For å løse problemene som oppstår med strømforsyningen, har høyere versjoner av USB -spesifikasjonen skapt utvidede alternativer for strømforsyning, se tabellen nedenfor. Maksimal effekt økte til opptil 100 watt, for eksempel tilstrekkelig for lading av en bærbar PC.

spesifikasjon Spenning Strømstyrke yteevne
Pålydende tillatelig Maks. Maks.
USB 1.0 / 1.1 (port med lav strøm) [15] 5 V 4,40-5,25 V a 0,1 A. 00 0,5 W
USB 2.0 (port med høy effekt) 4,75-5,25V 0,5 A d 00 2,5 W.
USB 3.0 / 3.1 [16] 4,45-5,25V 0,9 A d 00 4,5 W.
USB-BC 1.2 (USB-batterilading) [17] 1,5 A 00 7,5 W b
USB type C [17] 3 , 0 A 0 15,0 W c
USB-PD (USB Power Delivery) [17] 5, 12 eller 20 V. 5 , 0 A 100,0 W.
et spenningsfall på opptil 4,40 V på enden av en USB -kabel er tillatt; Selv 4,00 V er tillatt bak en passiv USB -hub .
b Pluggene er konstruert for maksimalt 7,5 W. Kortsluttede datalinjer signaliserer en dedikert ladeforbindelse ("Dedicated Charging Port", "DCP" for kort) til ladeelektronikken og muliggjør en ubestemt ladehastighet. [18]
c Den forenklede fremgangsmåten er designet for opptil 7,5 W for normal og 15 W for aktive kabler.
d En enhet kan bare trekke denne strømstyrken etter godkjenning av vertskontrolleren. Inntil da gjelder en maksimal strøm på 0,1 A. [16]

USB strømforsyninger

USB -strømforsyninger , som fungerer via USB -spesifikasjonen, en ladeport ( engelsk Dedicated Charging Port (DCP)) tilgjengelig, USB -enheten med ladekontroller og integrert batteri (f.eks. Som mobiltelefoner ) kan brukes til lading, men i prinsippet andre elektriske forbrukere. EU -initiativet for standardiserte USB -strømforsyninger er i hovedsak basert på batteriladningsspesifikasjonen . [19] ( USB-batterilading eller USB-BC for kort). Strømmer på opptil 1,5 A er gitt. [17]

For å kunne designe USB -strømforsyningsenheten, ofte en plug -in -strømforsyning, så enkelt som mulig, ble det valgt en løsning som minimerer implementeringsarbeidet fra strømforsyningsenheten: USB -enheter med en integrert ladefunksjon gjenkjenner en ladetilkobling av en motstand som er plassert mellom begge datalinjene D + og D− er koblet til USB -strømforsyningsenheten. Dette er mulig fordi USB -datalinjene ikke brukes til dataoverføring med en enkel USB -strømforsyningsenhet. Hvis motstanden mellom de to datalinjene D + og D− er mindre enn 200 Ω - i det enkleste tilfellet kan de to linjene også kortsluttes - antar ladekontrolleren i USB -enheten at den er koblet til en USB -ladetilkobling (DCP) , som kan levere minst 500 mA. [19]

I tillegg til den generelle standarden for USB-ladetilkoblingen, har det oppstått flere proprietære USB-ladegrensesnitt, som i hovedsak muliggjør hurtiglading av energisultne mobile enheter som smarttelefoner via USB. Vanlige USB -hurtigladingsgrensesnitt på markedet er de gjensidig inkompatible prosessene VOOC fra Oppo Electronics og Quick Charge fra Qualcomm samt USB Power Delivery (se følgende avsnitt). Datalinjene brukes til kommunikasjon mellom forbrukerenheten og strømforsyningen.

Høyere ytelse

I tillegg til 5 V-standarden kan enheter med et strømforbruk på opptil 100 W drives via en USB Type-C-kontakt uten ekstra strømforsyning, f.eks. B. Skjermer , blekkskrivere og drevne høyttalere . Denne spesifikasjonen er også kjent som USB Power Delivery ( USB-PD ). [17] Ulike profiler definerer mulige strømmer (opptil 5 A) og mulige spenninger. I tillegg til den tidligere vanlige spenningen på 5 V, 12 V eller 20 V er mulig. [20]

Spenningen på USB er alltid 5 V når en enhet er tilkoblet, men kan økes til 12 V eller 20 V ved hjelp av en seriell protokoll etter forhandlinger mellom enheten og verten. Strømmen som kan trekkes kan også spørres.

En annen grunnleggende endring er frigjøring av strømningsretningen for energiforsyningen. En datamaskin kan drive en skjerm, akkurat som en skjerm kan drive en datamaskin. [21]

profil 0 +5 V. +12 V. +20 V. Bruk
1 2,0 A. - - Standardprofil for igangkjøring, små mobile enheter, endeenheter, smarttelefoner, mobiltelefoner, etc.
2 1,5 A Nettbrett , små bærbare datamaskiner, sluttapparater
3. 3.0 A. Små bærbare datamaskiner, større enheter
4. 3.0 A. Store bærbare datamaskiner, USB -hubber , dokkingstasjoner
5 5,0 A. Arbeidsstasjoner , knutepunkter, dokkingstasjoner

Profil 1 er den eneste profilen som kan implementeres med de vanlige USB -kablene. De høyere profilene krever spesielle kabler som er designet for høyere spenninger og strømmer.

Med USB Power Delivery 3.0 erstattes de stive profilene med strømregler. Dette gjør at enhetene kan justere spenningen mer fint, med tanke på maksimal effekt.

Strømforsyning for eksterne harddisker

USB Y -kabel
2 kontakt type A til kontakt mini type A
for å koble en ekstern harddisk til to USB 2.0 -kontakter

Eksterne 1,8-tommers harddisker krever vanligvis driftsstrømmer rundt 150 mA og startstrømmer rundt 400 mA. Slike harddisker kan forsynes med strøm fra en USB 2.0 -tilkobling uten problemer. Eksterne 2,5-tommers harddisker krever vanligvis driftsstrømmer på 250 mA til 400 mA (fra 2010) og startstrømmer på 600 mA til 1100 mA. Selv om strømmen her kan overstige den tillatte verdien i henhold til USB 2.0 -spesifikasjonen, fungerer driften av slike strømforbrukere vanligvis fortsatt i praksis fordi portene bare er overbelastet for en kort tid. I tilfelle problemer med spesielt strømhungrende harddisker, klarte opptil 2010 mennesker ofte å få forbrukeren i tillegg utstyrt med strøm fra en annen port via en Y-kabel (som ikke er tillatt i henhold til USB-spesifikasjonen), eller harddiskene hadde en egen inngang for driftsspenning.

Eksterne 3,5-tommers harddisker krever vanligvis enda høyere strøm og en annen driftsspenning på 12 V. Derfor kan de bare forsynes med strøm via en USB-port i samsvar med spesifikasjonene ved bruk av USB Power Delivery.

Overføringsteknologi og spesifikasjon

Vertskontroller

Kommunikasjon med USB styres av en vertskontroller, som i dag vanligvis er installert på hovedkortet til en datamaskin. Bare dette kan lese data fra en enhet eller sende dem til en enhet (unntak: se USB On-the-Go ). En enhet kan bare sende data til vertskontrolleren hvis den blir spurt etter det. Når det gjelder tidskritiske datastrømmer, for eksempel musebevegelser, må vertskontrolleren avstemme enheten ofte nok til å forhindre at den rykker.

USB -kontrollerbrikkene i PC -ene overholder en av fire etablerte standarder. Disse er forskjellige i ytelse og implementering av visse funksjoner. Kontrollerne som brukes er (nesten) helt gjennomsiktige for en USB -enhet, men det er noen ganger viktig for PC -brukeren å kunne bestemme hvilken type brikke datamaskinen bruker for å kunne velge riktig driver.

Universal grensesnitt for vertskontroller
UHCI ble spesifisert av Intel i november 1995. Den nåværende versjonen av dokumentet har revisjonsnummer 1.1. UHCI chips gir støtte for USB-enheter med 1,5 eller 12 Mbit / s datahastighet i hastighetsmodus lav eller fullstendig. De er bygget utelukkende av produsentene Intel og VIA Technologies .
Åpne grensesnittet for vertskontrolleren
OHCI er en spesifikasjon utviklet i fellesskap av Compaq , Microsoft og National Semiconductor . Versjon 1.0 av standarden ble publisert i desember 1995. Den nåværende versjonen har versjonsnummer 1.0a og er fra september 1999. En OHCI -kontroller har i utgangspunktet de samme egenskapene som sine UHCI -kolleger, men utfører flere maskinvareoppgaver og er derfor marginalt raskere enn en UHCI -kontroller. Denne forskjellen er stort sett i områder som bare kan måles, så den kan bli neglisjert i praksis; Imidlertid må hovedkort og driverutviklere ta det i betraktning. USB-kontrollere på hovedkort med ikke-Intel- eller VIA-brikkesett og på USB PCI-plugin-kort med ikke-VIA-brikkesett er sannsynligvis OHCI-kontrollere.
Forbedret grensesnitt for vertskontroller
EHCI har USB 2.0 -funksjoner. Den håndterer bare overføringer i høyhastighetsmodus (480 Mbit / s). Hvis du kobler USB 1.1 -enheter til en port med en EHCI -brikke, videresender EHCI -kontrolleren datatrafikken til en UHCI- eller OHCI -kontroller bak den (alle kontrollere er vanligvis på samme brikke). Hvis ingen EHCI-driver er tilgjengelig, sendes også Hi-Speed-enheter videre til USB 1.1-kontrolleren og fungerer så langt som mulig med en lavere hastighet.
Utvidbart grensesnitt for vertskontroller
XHCI -spesifikasjonen 1.0 ble utgitt av Intel i mai 2010, xHCI -spesifikasjonen 1.1 i desember 2013 [22] og gir SuperSpeed -modusen 4,0 Gbit / s (9,7 Gbit / s) i tillegg til overføringshastighetene som er tilgjengelige med USB 2.0 / s med USB 3.1).

Innstillinger og grensesnitt

Internt adresserer USB-kontrolleren de tilkoblede enhetene med en syv-bits identifikator, noe som resulterer i den teoretiske øvre grensen for de 127 enhetene som kan kobles til. Hvis en ny enhet oppdages i en port, slår vertskontrolleren på den og sender den tilkoblede enheten en tilbakestilling ved å koble begge datalinjene til jordpotensial i minst 10 ms. [23] Som et resultat opptar enheten først adressen 0 og mottar deretter en unik adresse fra verten. Siden bare én port med en enhet som ennå ikke er konfigurert er aktivert til enhver tid, er det ingen adressekollisjoner.

Vertskontrolleren ber vanligvis først om en enhetsbeskrivelse , som blant annet inneholder produsent og produkt -ID. Enheten bruker ytterligere beskrivelser for å indikere hvilke alternative konfigurasjoner den har som den kan byttes av enhetsdriveren . Når det gjelder et webkamera, kan disse alternativene være om kameraet er slått på eller om bare mikrofonen er på. For kontrolleren er det relevant at de forskjellige konfigurasjonene også kan resultere i forskjeller i strømforbruket .

Innenfor en konfigurasjon kan enheten definere forskjellige grensesnitt , hver med ett eller flere sluttpunkter . Ulike krav til reserverte datahastigheter signaliseres via alternative innstillinger . Et eksempel på dette er et kamera (for eksempel et webkamera ) som kan sende bilder i to forskjellige oppløsninger. Den alternative innstillingen 0 aktiveres når en enhet ikke ønsker å overføre data og dermed stopper.

Enhetsklasser

Slik at det ikke kreves en egen driver for hver enhet, definerer USB -standarden forskjellige enhetsklasser som kan styres av generiske drivere . På denne måten kan USB -tastaturer , mus, USB -masselagringsenheter , kommunikasjonsenheter (" Communications Device Class ", CDC for kort) og andre enheter med deres grunnleggende funksjoner brukes umiddelbart uten at du trenger å installere en spesifikk driver først. Produsentspesifikke utvidelser (som krever egen driver) er mulige. Informasjonen om hvilken enhetsklasse en enhet tilhører, kan lagres i enhetsbeskrivelsen (hvis enheten bare tilhører en klasse) eller i en grensesnittbeskrivelse (for enheter som tilhører flere klasser).

USB -enhetsklasser [24]
klasse bruk beskrivelse Eksempler
00 t utstyr Sammensatt enhet Klassen er definert på grensesnittbeskrivelsesnivå
01 t grensesnitt Lyd Høyttalere , mikrofon , lydkort , MIDI
02 t i tillegg til Kommunikasjon og CDC -kontroll Modem , nettverkskort , Wi-Fi- adapter
03 t grensesnitt Menneskelig grensesnitt Tastatur , mus , joystick etc.
05 t grensesnitt Fysisk grensesnitt Fysisk tilbakemelding, f.eks. For styringsstyrespak
06 t grensesnitt bilder Digitalkamera , skanner
07 timer grensesnitt skriver Laserskriver , blekkskriver
08 timer grensesnitt Masselagring USB -pinner, harddisker, minnekortlesere, MP3 -spillere
09 timer utstyr USB -hub Nav i full hastighet, høyhastighetsnav
0A t grensesnitt CDC -data denne klassen brukes sammen med klasse 02h
0B t grensesnitt Chip -kort Chip -kortleser
0D t grensesnitt Innholdssikkerhet Fingeravtrykkskanner
0E t grensesnitt Video Webkamera
0F t grensesnitt Personlig helsehjelp Pulsmåler
10 timer grensesnitt Lyd- / videoenheter AV -streaming -enheter
DC h i tillegg til Diagnoseenhet Testenhet for USB -samsvar
E0 t grensesnitt trådløs kontroller Bluetooth -adapter, Microsoft RNDIS
EF h i tillegg til Diverse ActiveSync -enhet
FE t grensesnitt programvarespesifikk IrDA -broen
FF h i tillegg til produsentspesifikk produsenten leverer en sjåfør

Overføringsmoduser

USB -en tilbyr de tilkoblede enhetene forskjellige overføringsmoduser som de kan definere for hvert enkelt endepunkt.

Sluttpunkter

USB-enheter har en rekke påfølgende nummererte endepunkter, så å si , underadresser til enheten. Sluttpunktene er tilgjengelige på maskinvaresiden til enhetene og drives av USB SIE ( Serial Interface Engine ). Datastrømmer som er uavhengige av hverandre kan løpe gjennom disse endepunktene. Enheter med flere separate funksjoner ( webkameraer som overfører video og lyd ) har flere endepunkter. Overføringene til og fra endepunktene er stort sett enveis , så et IN og UT endepunkt er nødvendig for toveis overføringer (IN og OUT refererer hver til visningen av vertskontrolleren). Et unntak fra dette er endepunkter som bruker kontrolloverføringsmodus .

Hver USB -enhet må ha et sluttpunkt med adresse 0, som enheten gjenkjennes og konfigureres via. Den kan også ta på seg andre funksjoner. Sluttpunkt 0 bruker alltid kontrolloverføringsmodus. En USB -enhet kan ha maksimalt 31 endepunkter: Kontroll endepunkt (som kombinerer to endepunkter) og 15 inn og 15 ut endepunkter hver. Lavhastighetsenheter er begrenset til endepunkt 0 pluss maksimalt ytterligere to endepunkter i avbruddsoverføringsmodus med maksimalt 8 byte per overføring.

Isokron overføring

Den isokrone overføringen er egnet for data som krever en garantert datahastighet . Denne typen overføring er tilgjengelig for enheter med høy hastighet og høy hastighet. Hvis den alternative innstillingen definerer et sluttpunkt med isokron overføring, forbeholder vertskontrollerdriveren den nødvendige datahastigheten. Steht diese Datenrate nicht zur Verfügung, so schlägt die Aktivierung des genannten Alternate Settings fehl, und es kann mit diesem Gerät keine isochrone Kommunikation aufgebaut werden.

Die erforderliche Datenrate ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und der Größe des Datenpuffers . Full-Speed-Geräte können jede Millisekunde bis zu 1023 Byte je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kB/s), Hi-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 Byte ausführen (24576 kB/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate etwas, da jede Verbindung diese Datenrate anfordern kann. Allerdings ist man insbesondere bei Fullspeed schon nah an der maximalen Gesamtdatenrate (Fullspeed: ca. 81 %, Hi-Speed: ca. 49 %). Die Übertragung ist mit einer Prüfsumme ( CRC16 ) gesichert, wird aber bei einem Übertragungsfehler durch die Hardware nicht wiederholt. Der Empfänger kann erkennen, ob die Daten korrekt übertragen wurden. Isochrone Übertragungen werden zum Beispiel von der USB-Audio-Class benutzt, die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.

Interrupt-Transfer

Maus mit USB-Anschluss

Interrupt-Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen, die zu nicht genau bestimmbaren Zeitpunkten verfügbar sind. Im Endpoint Descriptor teilt das Gerät mit, in welchen maximalen Zeitabständen es nach neuen Daten gefragt werden möchte. Das kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low Speed 10 ms, bei Full Speed 1 ms und bei Hi-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low Speed können pro Abfrage bis zu 64 Bits, bei Full Speed bis zu 64 Byte und bei Hi-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden. Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 0,8 kB/s bei Low Speed, 64 kB/s bei Full Speed und 24576 kB/s bei Hi-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfsumme (CRC16) gesichert und werden bei Übertragungsfehlern bis zu dreimal durch die Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse ( Human Interface Device ), zum Beispiel Tastaturen , Mäuse und Joysticks , übertragen die Daten über den Interrupt-Transfer.

Bulk-Transfer

Bulk-Transfers sind für große und nicht zeitkritische Datenmengen gedacht, wie beispielsweise das Lesen oder Schreiben von Dateien auf einer USB-Festplatte. Diese Transfers sind niedrig priorisiert und werden vom Controller durchgeführt, wenn alle isochronen und Interrupt-Transfers abgeschlossen sind und noch Datenrate übrig ist. Bulk-Transfers sind durch eine Prüfsumme ( CRC16 ) gesichert und werden durch die Hardware bis zu dreimal wiederholt. Low-Speed-Geräte können diese Transferart nicht benutzen. Full-Speed-Geräte benutzen Puffer -Größen von 8, 16, 32 oder 64 Byte. Hi-Speed-Geräte verwenden immer einen 512 Byte großen Puffer.

Control-Transfer

Control-Transfers sind eine Art von Datentransfers , die einen Endpunkt erfordern, der sowohl In- als auch Out-Operationen durchführen kann. Control-Transfers werden generell in beide Richtungen bestätigt, so dass Sender und Empfänger immer sicher sein können, dass die Daten auch angekommen sind. Daher wird der Endpunkt 0 im Control-Transfer-Modus verwendet. Control-Transfers sind zum Beispiel nach dem Detektieren des USB-Geräts und zum Austausch der ersten Kommunikation elementar wichtig.

Datenraten

Logo für USB-Low-Speed- oder -Full-Speed-zertifizierte Geräte
Logo für USB-Hi-Speed-zertifizierte Geräte
Logo für USB-Hi-Speed-OTG-Geräte

USB erlaubt es einem Gerät, Daten mit 1,5 Mbit/s (Low Speed), 12 Mbit/s (Full Speed), 480 Mbit/s (Hi-Speed), 4 Gbit/s (SuperSpeed) oder 9,7 Gbit/s (Superspeed+) zu übertragen.

Diese Raten basieren auf dem Systemtakt der jeweiligen USB-Geschwindigkeit und stellen die physikalische Datenübertragungsrate dar. Die Toleranzen werden für USB-2.0-Geräte und für die älteren USB-1.0-/1.1-Geräte getrennt behandelt. Der tatsächliche Datendurchsatz liegt – durch Protokoll-Overhead , Bit-Stuffing und Verluste durch Turn-Around-Zeiten – um einiges darunter. Im USB-Standard ist für USB 2.0 eine maximale theoretische Datenlast bei Hi-Speed unter idealen Bedingungen von 49.152.000 B/s (Isochronous Mode) [25] beziehungsweise 53.248.000 B/s (Bulk-Mode) [26] angegeben. Dazu kommt die Verwaltung der Geräte, so dass bei aktuellen Systemen für USB 2.0 eine nutzbare Datenrate in der Größenordnung von 320 Mbit/s und für USB 3.0 2400 Mbit/s [27] bleibt. Bei älteren Systemen wurde diese durch eine unzureichende Anbindung des USB-Chips an den Systembus zusätzlich reduziert.

Name möglich
ab
max. Nutz-
Datenrate
Symbolrate
Modulation [28] [29]
Toleranz
USB
1.0/1.1
USB
2.0
USB
3.0
USB
3.1
USB
3.2
Low Speed USB 1.0 0,15 MB/s 1,5 M Bd
NRZI -Code mit Bit-Stuffing
±1,5 0 % ±0,05 % ? ? ?
Full Speed USB 1.0 1 MB/s 12 MBd
NRZI-Code mit Bit-Stuffing
±0,25 % ±0,05 % ? ? ?
Hi-Speed USB 2.0 40 MB/s 480 MBd
NRZI-Code mit Bit-Stuffing
±0,05 % ? ? ?
SuperSpeed USB 5Gbps [30]

(SuperSpeed)

USB 3.2 Gen 1 [30]
(früher nur USB 3.0, dann umbenannt in USB 3.1 Gen 1) [31]
400 MB/s 5.000 MBd
8b10b-Code
? ? ?
SuperSpeed USB 10Gbps [30]

(SuperSpeed +)

USB 3.2 Gen 2 [30] (früher nur USB 3.1, dann umbenannt in USB 3.1 Gen 2) [31] 900 MB/s 10.000 MBd
128b132b-Code
? ?
SuperSpeed USB 20Gbps [30]
USB 3.2 Gen 2x2 [30]
1.800 MB/s 2× 10.000 MBd
128b132b-Code
?

Anmerkungen zu dieser Tabelle:

  • Die Eigenschreibweise variiert: Low und Full Speed werden mit Leerzeichen getrennt, Hi-Speed mit Bindestrich (und High wird verkürzt zu Hi), SuperSpeed wird zusammengeschrieben.
  • SI-Präfixe sind dezimale Präfixe: 1 kbit = 10 3 bit, 1 Mbit = 10 6 bit, 1 Gbit = 10 9 bit, gleiches für Byte und Hz.
  • Bit-Stuffing: Nach 6 Eins-Bits wird 1 Null-Bit eingefügt.
  • USB 3.0 überträgt mit der Symbolrate 5 GBd, die effektive Datenrate nach 8b10b -Kodierung beträgt hier 4 Gbit/s. Die Bitrate ergibt sich aus der Symbolrate multipliziert mit den Bits je Symbol (0,8 bei 8b10b).
  • USB 3.1 überträgt mit der Symbolrate 10 GBd, die effektive Datenrate nach 128b132b-Kodierung beträgt hier 9,697 Gbit/s. Die Bitrate ergibt sich aus der Symbolrate multipliziert mit den Bits je Symbol (0,96968 bei 128b132b). [32]
  • Die theoretisch erzielbare Nettodatenrate liegt bei Hi-Speed um 11,3 Prozent (Bulk-Mode) und 18,1 Prozent (Isochron-Modus) unter der Bruttodatenrate. Bei Full Speed im Bulk-Mode liegt sie 19 Prozent unter der Bruttodatenrate. [33]
  • Real erzielbare Nettodatenraten liegen um mindestens 30 Prozent, meist aber um die 45 Prozent unter der Bruttodatenrate (reale Messungen an USB-2.0-Systemen).

Wird die Schnittstelle eines Geräts mit „USB 2.0“ angegeben, heißt das nicht unbedingt, dass dieses Gerät auch die hohe Datenrate von 480 Mbit/s anbietet. Standpunkt der Anbieter ist dabei, dass ein USB-2.0-kompatibles Gerät grundsätzlich jede der drei Geschwindigkeiten benutzen kann und die 2.0-Kompatibilität in erster Linie bedeutet, dass die neueste Fassung der Spezifikation eingehalten wird. 480 Mbit/s dürfen also nur erwartet werden, wenn ein Gerät mit dem Logo „Certified USB Hi-Speed“ ausgezeichnet ist.

USB On-the-go

USB-OTG-Anordnung eines Android-Smartphones mit angeschlossenem USB-Stick und PC-Tastatur und -Maus. Zusätzlich ist eine externe Stromversorgung angeschlossen.

Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten, also ohne Beteiligung des zentralen Host-Controllers, war im USB-Standard ursprünglich nicht vorgesehen; diese wurde erst durch die Erweiterung USB On-the-go (OTG) eingeschränkt ermöglicht.

Durch USB On-the-go können entsprechend ausgerüstete Geräte kommunizieren, indem eines der beiden eine eingeschränkte Host-Funktion übernimmt. Typische Einsatzgebiete von USB OTG sind die Verbindung von Digitalkamera und Drucker oder der Austausch von Musikdateien zwischen zwei MP3-Spielern . Außerdem muss die OTG-Funktion bei manchen Handys manuell aktiviert werden, damit Dateien zwischen USB-Stick und Handy übertragen oder aufgerufen werden können.

Auch bei USB OTG ist die Kommunikation zentral von einem Host gesteuert. Im Gegensatz dazu bieten andere Kommunikationsmechanismen, etwa der FireWire -Standard, der für ähnliche Einsatzzwecke wie USB geschaffen wurde und mit diesem in Konkurrenz steht, die Möglichkeit einer Peer-to-Peer -Kommunikation zwischen Geräten ohne Beteiligung eines zentralen Hosts. Das bietet etwa die Möglichkeit, ein Netzwerk aufzubauen.

Gekennzeichnet werden USB-OTG-Produkte durch das USB-Logo mit zusätzlichem grünem Pfeil auf der Unterseite und weißem „On-The-Go“-Schriftzug. Die USB-OTG-Spezifikation wurde am 18. Dezember 2001 verabschiedet. OTG-Geräte sind zum Beispiel die seit November 2007 erhältlichen Nokia-Telefone 6500c, N8, C7, N810, 808 PureView, das Samsung Galaxy S II [34] und andere Android - Smartphones sowie einige externe Festplatten zum direkten Anschluss an Digitalkameras.

Wireless USB

Logo für die zertifizierten Geräte aus dem Intel-Wireless-USB-Projekt

Momentan besetzen zwei Initiativen den Begriff „ Wireless USB “. Die ältere der beiden wurde von dem Unternehmen Cypress initiiert, mittlerweile ist Atmel als zweiter Chiphersteller auf den Zug aufgesprungen. Das „Cypress-WirelessUSB“-System ist kein drahtloses USB, sondern eine Technik, um drahtlose Endgeräte zu bauen, die dann über einen am USB angeschlossenen Empfänger/Sender (Transceiver) mit dem Computer verbunden sind. Dazu wird eine Übertragungstechnik im lizenzfreien 2,4-GHz-Band benutzt, die Datenrate beträgt bis zu 62,5 kbit/s (neuere Chips von Cypress erreichen 1 Mbit/s) und ist damit für Eingabegeräte ausreichend, für andere Anwendungen aber oft zu knapp bemessen.

Das zweite Wireless-USB-Projekt wird von der USB-IF vorangetrieben und ist wesentlich anspruchsvoller. Neben Intel ist auch NEC dabei, entsprechende Chips zu entwickeln. Ziel ist es, eine Technik zu schaffen, mit der die vollen 480 Mbit/s des Hi-Speed-Übertragungsmodus drahtlos übertragen werden können. Dabei ist eine kurze Reichweite unter 10 m vorgesehen; die Übertragung soll auf einer Ultrabreitband -Technik basieren.

Am 16. Januar 2008 gab in Deutschland die Bundesnetzagentur für die Ultrabreitband-Technik Frequenzbereiche frei. [35] Der dabei für USB vorgesehene Bereich von 6 bis 8,5 GHz ist jedoch nicht so breit wie von USB-IF spezifiziert, so dass Geräte aus anderen Ländern eventuell in Deutschland nicht verwendet werden dürfen. [36]

USB 3

USB 3.0

Im November 2008 stellte das USB Implementers Forum , dem unter anderem die Unternehmen HP , Microsoft und Intel angehören, die Spezifikation für USB 3.0 vor. Im SuperSpeed -Modus wird eine Symbolrate von 5 Gbit/s verwendet, was aufgrund der ANSI-8b10b -Kodierung eine Bruttodatenrate von 500 MB/s ergibt. [37] [38] Durch ca. achtfach höhere Frequenzen auf den Datenleitungen sowie das verbesserte USB-Protokoll und die Vollduplex-Übertragung steigt die Bruttodatenrate von 60 MB/s auf 500 MB/s. Das stellt höhere Anforderungen an die Kabel.

USB-3.0-Kabel enthalten neben dem bisherigen Signal-Adernpaar (D+ / D−) und der Stromversorgung (GND, VBUS) zwei Signal-Adernpaare (SSTX+ / SSTX−, SSRX+ / SSRX−) sowie eine weitere Masseverbindung (GND). Das erfordert für USB 3.0 neue Stecker am Host und an angeschlossenen Geräten als auch neue Kabel. Diese Anschlüsse sind an der hellblauen Färbung erkennbar. Die Kabel sind durch die neuen Leitungen und die bessere Abschirmung (wie eSATA- oder CAT-5e-/6-Kabel) dicker und weniger flexibel. Es kann bei ungenügender Abschirmung der USB-3.0-Kabel zu Störungen im Rahmen derelektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) kommen, welche sich unter anderem im von Wireless Local Area Network (WLAN), Bluetooth oder drahtlose Hardware genutzten 2,4-GHz-Bereich auswirken. Dabei kommt es in der Nähe von USB-3.0-Geräten zu einer reduzierten Reichweite und zu vermehrten Übertragungsfehlern. Bei Mäusen und Tastaturen wird die Eingabe nicht auf dem Computer wiedergegeben. [39] [40]

Die Kompatibilität besteht in folgendem Sinne:

  • USB-3.0-Kabel können aufgrund der Anbauten nicht mit USB-2.0-Endgeräten benutzt werden – USB-3.0-Typ-B-Stecker sind nicht abwärtskompatibel .
  • USB-3.0-Kabel können an USB-2.0-Hosts benutzt werden, erfordern dann aber USB-3.0-Endgeräte.
  • USB-2.0-Kabel können an USB-3.0-Hosts benutzt werden.
  • USB-3.0-Endgeräte können an USB-2.0-Hosts angeschlossen werden. Ggf. gibt es Probleme, wenn diese mehr als 500 mA Strom aufnehmen (USB 3.0 erlaubt bis zu 900 mA, USB 2.0 nur bis 500 mA).
  • USB-2.0-Endgeräte können an USB-3.0-Hosts angeschlossen werden.

USB-3.0-Übertragungen finden aber nur statt, wenn alle drei Komponenten (Host, Kabel, Endgerät) USB-3.0-tauglich sind. Ansonsten wird auf USB 2.0 heruntergeschaltet:

USB-Version maximal mögliche
Geschwindigkeit
Hinweise
Host Kabel Endgerät
3 3 3 SuperSpeed (USB 3)
3 2 3 Hi-Speed (USB 2)
2 oder 3 2 2
2 2 oder 3 3 Hi-Speed (USB 2) Stromaufnahme beachten!
2 oder 3 3 2 nicht anschließbar

Unter Linux wird USB 3.0 ab Kernel-Version 2.6.31 unterstützt, und es war damit das erste Betriebssystem mit offiziellem USB-3.0-Support. [41]

Weitere Besonderheiten:

  • Die bei bisherigen USB-Standards übliche Reihumabfrage der Geräte ( Polling ) kann entfallen. Dadurch und durch neue Befehle können Geräte in die Energiesparmodi U0 bis U3 geschaltet werden.
  • Am USB-3.0-Port kann jedes Gerät 150 mA Strom (statt 100 mA wie bei USB 2.0) bis hin zu 900 mA auf Anforderung erhalten (USB 2.0 Low Power: 100 mA, USB 2.0 High Power: 500 mA).
  • Da USB-3.0-Hubs keinen Transaction Translator wie USB-2.0-Hubs (Hi-Speed) nutzen, hat man keinen Gewinn, wenn man mehrere USB-2.0-Geräte über einen USB-3.0-Hub an einen PC anschließt.
  • Ältere Treiber bleiben verwendbar, doch nur neuere Versionen unterstützen neue Strom sparende Betriebsarten.
  • Zu Hubs siehe USB 3.0 und Hubs

Anders als bei USB 2.0 dürfen sich Geräte nur „USB-3.0-kompatibel“ nennen, die den schnellstmöglichen Übertragungsmodus (SuperSpeed-Modus) anbieten. [27]

USB 3.1

Die USB-3.1-Spezifikation beschreibt

  • eine Geschwindigkeitsverdopplung gegenüber USB 3.0 auf 10 Gbit/s brutto
  • USB Power Delivery für Geräte mit bis zu 100 Watt Leistungsbedarf
  • passive Kabel ohne interne Elektronik
  • einen neuen, beidseitig steckbaren Steckverbindertyp („ USB Typ C “), der die Stromübertragung (Power Delivery) unterstützt
  • Adapter für ältere Buchsen zwecks Kompatibilität [42]

Da laut Video Electronics Standards Association (VESA) USB-3.1-Anschlüsse den DisplayPort -Standard unterstützen, kann man damit Displays mit 4K/Ultra-HD-Auflösung (3.840 × 2.160 Pixel) mit 60 Hz Bildwiederholungsrate betreiben. Verzichtet man auf die USB-3.1-Funktionen und nutzt alle Datenleitungen zur Übertragung des Videosignals, ist sogar 5K-Auflösung (5.120 × 2.880 Pixel) möglich. [43]

USB 3.2

  • ab 2017 bis zu 20 GBit/s; [2] [3] erste Geräte mit über 10 GBit/s ab 2018 [44]

Inter-Chip-USB (HSIC, SSIC)

HSIC ( englisch High-Speed Inter-Chip , USB 2.0 [45] ) und SSIC ( englisch SuperSpeed Inter-Chip , USB 3.0 [46] ) sind als Standard für USB-Chip-zu-Chip-Verbindungen spezifiziert. Sie basieren auf dem USB-Standard, es werden aber keine Kabel oder Hot-Plug-n-Play oder analoge Komponenten unterstützt. Die Länge der Datenleitungen darf maximal 10 cm betragen, die Signalpegel liegen bei 1,2 V ( LVCMOS ) statt 3,3 V; die Geschwindigkeit beträgt mindestens 480 Mbps. Auf der Treiberebene ist HSIC kompatibel zu USB.

HSIC bzw. SSIC ist eine Alternative zu Bussystemen wie I²C , I3C , SPI /Quad-SPI sowie proprietären Lösungen und bietet eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit als die erstgenannten. So sind beispielsweise USB-Ethernet-Chips mit HSIC-Schnittstelle verfügbar. Auch die ETSI -Spezifikation TS 102 600 definiert HSIC für die Verbindung zwischen SIM-Karte und dem Mobiltelefon. [47]

Hardware

USB-Stecker und -Buchsen

Mechanische Ausführung

Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs - und vertauschungssicher gestaltet. In Richtung des Hostcontrollers (Upstream) werden flache Stecker (Typ A „DIN IEC 61076-3-107“) verwendet. Zum angeschlossenen Gerät hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische Steckverbinder (Typ B „DIN IEC 61076-3-108“) angeschlossen (vereinzelt und nicht standardkonform auch mit Typ-A-Steckverbindern). Entsprechend den USB-1.1- bis 2.0-Standards besitzen USB-Typ-A- und Typ-B-Verbinder vier Leitungen plus Schirm. Beide Steckverbinder sollen in einer der drei Farben grau, „natur“ (elfenbeinfarben/weiß) oder schwarz ausgeführt werden. Mit USB 3.0 kommen neue Varianten der Typ-A- und Typ-B-Verbinder auf den Markt (siehe unten).

Die sich aus der Norm ergebenden Konstruktionsdetails können bei der Benutzung des Steckers, insbesondere bei häufigem Umstecken, zu Kontaktproblemen und Beschädigungen führen: Da keine Verschraubung der Buchsen und Stecker auf der Platine oder am Gehäuse vorgesehen ist, müssen sämtliche Kräfte, die bei Steckvorgängen oder Bewegungen auf Stecker und Buchse wirken, von den (wenig belastbaren) Lötstellen der Buchse aufgenommen werden. Aus diesem Grund, aber auch wegen des Mangels an Arretierungsmöglichkeiten , werden in der professionellen Datenverkabelung bevorzugt andere Schnittstellen eingesetzt.

Seit einiger Zeit sind auch Stecker und Buchsen vom Typ A und B mit Rändelschrauben erhältlich, die ein Herausrutschen verhindern. Allerdings muss das empfangende Gerät das auch unterstützen. Verschiedene Hersteller brachten vereinzelt mechanisch inkompatible Ausführungen von USB-Verbindern heraus, die sich jedoch elektrisch nicht von USB 1.x oder 2.0 unterscheiden, Beispiele dazu:

  • „UltraPort“ an einigen IBM-Thinkpads
  • 10-polige Modular-Buchsen (10P10C/RJ50) an den USVs von APC
  • Proprietäre USB-Verbinder an Microsofts Xbox
  • Klinkenstecker, der gleichzeitig als Audioverbinder dient, bei Apples iPod Shuffle

Nicht standardisierte Varianten

Varianten der Stromsteckverbinder
Spannung
(in V)
Belastbarkeit
(in W)
Farbkodierung
empfohlen alternativ
0 5 0 30 naturfarben (teilweise auch gelb) grau
12 0 72 blaugrün ( Pantone Teal 3262C) schwarz
19 114 violett schwarz
24/25 144 rot (Pantone Red 032C) schwarz

Für den industriellen Einsatz, insbesondere bei POS -Anwendungen wie etwa Kassensystemen , gibt es weitere USB-Stecker-Varianten mit deutlich höheren Strombelastbarkeiten von bis zu 6 A (3 A pro Kontakt). Diese Varianten wurden nicht vom USB-Konsortium standardisiert, sondern um 1999 in zum Teil lizenzpflichtigen Standards namens Retail USB , PoweredUSB , USB PlusPower oder USB +Power [48] von Unternehmen wie IBM, Microsoft, NCR und Berg/FCI. Technisch wird die höhere Strombelastbarkeit über vier zusätzliche Leitungen realisiert. Während clientseitig kein spezieller Stecker definiert ist (es gibt jedoch verschiedene Empfehlungen, teilweise mit unterschiedlichen Hotplug-Fähigkeiten), bestehen die Steckverbinder hostseitig aus einer Kombination aus einem mechanisch und elektrisch unveränderten USB-Typ-A-Stecker einerseits und einem hochstromfähigen vierpoligen Steckverbinder andererseits. Insgesamt sind sie ähnlich einem Stack von zwei USB-Buchsen annähernd quadratisch (siehe Abb. oben). Für die Stromsteckverbinder ist eine mechanische Arretierung zwischen Buchse und Stecker vorgesehen. Die Stromsteckverbinder gibt es in vier Varianten, wobei eine mechanische Kodierung verhindert, dass unterschiedliche Varianten zusammengesteckt werden können.

USB-3 Steckverbinder

Im Rahmen des im Jahr 2008 verabschiedeten USB-3.0-Standards wurden weitere sechs Steckverbindertypen mit zusätzlichen Kontakten definiert:

Diese unterteilen sich in je drei Steckverbinder, die als weitestgehend rückwärtskompatible Erweiterungen der bisherigen Typ-A- und Typ-B-Steckverbinder angesehen werden können (genannt: USB 3.0 Standard-A, USB 3.0 Standard-B und USB 3.0 Powered-B) sowie drei kleinere Verbinder, die sich an die bisherigen Micro-USB-Verbinder anlehnen (genannt: USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-AB und USB 3.0 Micro-B). Zur eindeutigen Kennzeichnung werden die bisherigen Steckverbinder nun als USB 2.0 Standard-A, USB 2.0 Standard-B, USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-AB und USB 2.0 Micro-B bezeichnet. Zur besseren Unterscheidung sollen die USB-3.0-Standard-A-Verbinder in der Farbe Blau (Pantone 300C) ausgeführt und gegebenenfalls mit einem doppelten S-Symbol gekennzeichnet werden.

Miniaturformen

Insbesondere für Geräte mit geringerem Platzangebot (digitale Kameras, Mobiltelefone, MP3-Player und andere mobile Geräte) existieren auch verschiedene kompaktere USB-Steckverbinder. Im USB-2.0-Standard verankert sind dabei lediglich fünfpolige Mini- und Micro-Varianten (plus Schirm), die gegenüber den normalen USB-Steckverbindern über einen zusätzlichen ID-Pin verfügen.

Mini-USB
Micro- und Mini-USB-Stecker

Zunächst wurde im Jahr 2000 ein trapezförmiger Mini-B-Steckverbinder für die Downstream-Seite definiert, der in der Farbe Schwarz ausgeführt werden sollte. Bei zukünftigen Geräten sollen Gerätehersteller jedoch auf die Micro-USB-Verbinder (siehe unten) ausweichen. [49] Auch Mini-A- (in weißer Farbe) und Mini-AB-Steckverbinder (in Grau) waren für eine gewisse Zeit Teil des Standards und sollten insbesondere in Verbindung mit USB On-the-Go (OTG) eine Rolle spielen, wurden jedoch im Mai 2007 offiziell zurückgezogen. [50] Die Kabel von Mini-B passen in den Anschluss von Mini-AB.

Micro-USB

Im Januar 2007 wurden mit der Standarderweiterung Micro-USB für USB 2.0 noch kleinere Steckverbinder vorgestellt, die eine besonders kompakte Bauform der Geräte ermöglichen. Die Micro-USB-Spezifikation kann USB On-the-Go (OTG) unterstützen. [51] Micro-USB-Steckverbinder sollen bei neueren Geräten in naher Zukunft (Stand: Januar 2009) den Mini-Verbinder komplett ersetzen, lediglich der relativ weitverbreitete Mini-B-Verbinder wird derzeit (Stand: Januar 2009) noch geduldet. Die Micro-USB-Verbinder sind elektrisch gleichwertig, mechanisch allerdings nicht steckkompatibel, dafür jedoch dank der im Standard geforderten Edelstahlkrampe deutlich stabiler ausgeführt. Gemäß USB-2.0-Standard gibt es drei Varianten, die genau wie bei Mini-USB allesamt fünfpolig ausgeführt sind: Micro-A (rechteckige Bauform, für die Host-Seite, Farbe Weiß), Micro-AB (rechteckige Bauform, für USB-On-the-Go-Geräte, Farbe Grau) und Micro-B (Trapez-Bauform, für die Geräteseite, Farbe Schwarz). Die Open Mobile Terminal Platform (OMTP) hat Micro-USB 2007 als Standardverbinder für den Datentransfer und die Energieversorgung von Mobilfunkgeräten übernommen, in China müssen Mobiltelefone seither mit dieser Schnittstelle ausgestattet werden, um eine Zulassung zu bekommen. [52] Mit USB 3.0 kommen neue Varianten der Micro-A-, AB- und -B-Steckverbinder auf den Markt (siehe unten).

Für Netzteile der Geräteklasse der Smartphones ist zur Eindämmung dieser Vielfalt seit 2011 durch die Europäische Norm EN 62684:2010 der Micro-USB-Stecker europaweit gefordert.

Weitere Miniaturformen

Daneben gibt es noch eine ganze Reihe proprietäre, das heißt geräteherstellerspezifische Miniaturbauformen der Steckverbinder (siehe auch erstes Bild der Galerie), die zwar in der Regel elektrisch mit USB 2.0 kompatibel sind, jedoch nur über teilweise schwer erhältliche Adapterkabel mit USB-Komponenten gemäß dem USB-Standard verbunden werden können. Fälschlicherweise werden jedoch auch diese Steckverbinder häufig als „Mini“-USB bezeichnet, was immer wieder zu Missverständnissen führt und vermieden werden sollte. Verbreitet sind unterschiedlichste Ausführungen mit

  • 4 Pins, insbesondere Varianten von Mitsumi, Aiptek, Hirose
  • 8 Pins in einer großen Zahl von Varianten, darunter mehrere inkompatible Varianten, die sich bei Digitalkameras in begrenztem Rahmen auch über Herstellergrenzen hinweg verbreitet haben
  • 11 Pins für ExtUSB für HTC -Mobiltelefone; kompatibel zu Mini-USB
  • 12 Pins für verschiedene Olympus-Digitalkameras und
  • 14 Pins in zwei Varianten für verschiedene Fuji-Finepix-Digitalkameras und als Nokias Pop-Port für manche Mobiltelefone. Diese vereinen zusätzlich zu den USB-Signalen noch andere (bei Digitalkameras z. B. Analog-Video und -Audio) im gleichen Konnektor. [53]
USB Typ C

Im August 2014 wurde die Spezifikation der neuen, mit bisheriger Hardware nicht kompatiblen Typ-C-Steckverbindung verabschiedet. [54] Die neue Steckverbindung ist punktsymmetrisch und kann in beiden möglichen Orientierungen eingesteckt werden. [55] [56]

Zudem unterstützt sie alle bisherigen Übertragungsspezifikationen inklusive USB 3.1 (bis zu 10 Gbit/s) und USB Power Delivery (maximal 100 W). [57] Ein weiterer Vorteil der Typ-C-Steckverbindung ist eine niedrige Bauhöhe und geringe Breite der Buchse von 8,4 mm, verglichen mit ca. 12,4 mm bei einer USB-3.0-Micro-B-Buchse, wie sie heute bei praktisch allen externen USB-3.0-Festplatten eingesetzt wird. Die Typ-C-Steckverbindung ist damit auch besser für portable Geräte wie Smartphones, Tablets oder Digitalkameras geeignet, in denen zuvor aus Platzgründen meist die USB-2.0-Micro-B-Buchse verwendet wurde. Darüber hinaus gibt es Adapter und passendes Zubehör, wie z. B. externe Festplatten. [58]

Spezifikationen

Mögliche Steckkombinationen (mechanisch unterstützt; gelb hinterlegt: nur USB-2-Geschwindigkeiten)
Buchsentyp Steckertyp
USB 2
Standard-A
USB 3
Standard-A
USB 2
Standard-B
USB 3
Standard-B
USB 3
Powered-B
USB 2
Mini-A
USB 2
Mini-B
USB 2
Micro-A
USB 2
Micro-B
USB 3
Micro-B
USB 3.1
Typ C
USB Type-A.svg USB 3.0 Type-A blue.svg USB Type-B.svg USB 3.0 Type-B blue.svg USB 3.0 Type-B Powered.gif USB Mini-A.svg USB Mini-B.svg USB Micro-A.svg USB Micro-B.svg USB 3.0 Micro-B plug.svg USB Type-C.svg
USB 2 Standard-A USB Type-A.svg Ja Ja Nein Nein Nein Nein Nein Nein Nein
USB 3 Standard-A USB 3.0 Type-A blue.svg Ja Ja
USB 2 Standard-B USB Type-B.svg Nein Ja
USB 3 Standard-B USB 3.0 Type-B blue.svg Ja Ja
USB 3 Powered-B USB 3.0 Type-B Powered.gif Ja Ja Ja
USB 2 Mini-AB USB Mini-AB receptacle.svg Nein Ja Ja
USB 2 Mini-B USB Mini-B.svg Nein Ja
USB 2 Micro-AB USB Micro-AB receptacle.svg Nein Ja Ja
USB 2 Micro-B USB Micro-B.svg Nein Ja
USB 3 Micro-B USB 3.0 Micro-B plug.svg Ja Ja
USB 3.1 Typ C Nein Ja
Gewährleistete Anzahl an Steckzyklen
Anschlusstyp USB-Version Mindestanzahl der Steckzyklen Anschlusstyp Mindestanzahl der Steckzyklen
Standard-USB USB 1.1–2.0 500 ×, später 1.500 × Zum Vergleich:
Standard-USB USB 3.0 Standard Class: 1.500 ×, High Durability Class: 5.000 × eSATA 5.000 ×
Mini-USB USB 2.0 5.000 × Firewire/IEEE 1394 1.500 ×
Micro-USB USB 2.0–3.0 10.000 ×
USB-C USB 2.0–3.1 10.000 × [57]
Abmessungen (in mm ) und Kombinationsmöglichkeiten
Stecker Steckerabmessungen erlaubte
Kabeltypen
A Typ A → Stecker B
→ Stecker Mini-B
→ Stecker Micro-B
B Typ B → Stecker A
USB 3.0 B USB 3.0 Typ B → Stecker USB 3.0 A
→ Stecker A
Mini-A
Mini-B Typ Mini-B → Stecker A
Micro-A Typ Micro-A → Stecker Micro-B
→ Buchse A (als Adapter)
Micro-B Typ Micro-B → Stecker A
→ Stecker Micro-A
USB 3.0
Micro-B
Typ USB 3.0 Micro-B → Stecker USB 3.0 A
→ Stecker USB 3.0 Micro-A [59]
USB 3.1
Typ C
→ Stecker USB 3.0 A
→ Stecker A

Verbreitet haben sich darüber hinaus diverse Varianten von Stiftleisten im Rastermaß von 2,54 Millimeter (= 100 mil ) auf PC-Mainboards, vorwiegend mit 1×4, 1×5 und 2×2 Stiften bzw. für Doppel-USB-Verbinder mit 2×4 oder 2×5 Stiften. Gab es zunächst mehrere zueinander inkompatible Belegungsvarianten, hat sich im Zuge neuerer Mainboard-Spezifikationen von Intel inzwischen eine bestimmte 2×5-polige Belegung etabliert, die auch mit USB-Flash-Modulen kompatibel ist.

USB-Kabel

USB-Verlängerungskabel (nicht in der USB-Spezifikation)
Kabelbelegung eines normalen USB-Kabels. Der Schirm wird mit dem Stecker-/Buchsengehäuse des Kabels verbunden. In den angeschlossenen Geräten ist der Schirm üblicherweise mit Masse verbunden.
USB-3.0-Kabel und Stecker-Typ-A-Kontaktbelegung

In einem USB-2.x-Kabel werden vier Adern benötigt. Zwei Adern übertragen dabei die Daten, die anderen beiden versorgen das angeschlossene Gerät mit einer Spannung von 5 V . Der USB-Spezifikation entsprechende Geräte dürfen bis zu 100 mA oder 500 mA aus dem Bus beziehen, abhängig davon, wie viel der Port liefern kann, an den sie angeschlossen werden. Geräte mit einer Leistung bis zu 2,5 W können also über den Bus versorgt werden. Je nach Kabellänge muss der Querschnitt der beiden Stromversorgungsadern angepasst sein, um den zulässigen Spannungsabfall einzuhalten; auch daher sind Verlängerungsleitungen nicht standardgemäß.

Die Kabel müssen je nach Geschwindigkeit unterschiedlich abgeschirmt werden. Kabel, die lediglich der Spezifikation Low Speed entsprechen, dürfen über keinen B-Stecker verfügen, sondern müssen fix am Gerät montiert sein oder einen herstellerspezifischen Stecker verwenden. Sie sind weniger stark abgeschirmt, kommen ohne verdrillte Adern aus und sind dadurch flexibler als Full-/Hi-Speed-Kabel. Sie sind daher gut für zum Beispiel Mäuse und Tastaturen geeignet. Die geringe Abschirmung des Kabels würde zu Problemen bei Geräten mit höheren Geschwindigkeiten führen.

Die Längen von Full-/Hi-Speed- und Low-Speed-Kabeln vom Hub zum Gerät sind auf fünf beziehungsweise drei Meter begrenzt. Längere Strecken kann man überwinden, indem USB-Hubs zwischengeschaltet werden. USB-Repeaterkabel entsprechen in ihren Funktionen einem Bus-Powered-Hub (su) mit einem einzigen Downstream-Port und einem fest angeschlossenen Kabel am Upstream-Port. Da die elektrischen Auswirkungen dieser Kabel im USB-Bus denen eines Bus-Powered-USB-Hubs mit fünf Meter Kabel entsprechen, müssen bei ihrer Verwendung zusätzlich die Beschränkungen beim Kaskadieren von USB-Hubs beachtet werden.

USB arbeitet mit einem Wellenwiderstand von 90 Ω. Direkte Verbindungskabel sollten daher auch in diesem Wellenwiderstandswert ausgeführt sein. Für die Überbrückung von Längen über 30 Metern werden USB-Line-Extender angeboten. Diese bestehen aus zwei Komponenten: einem Base-Modul, das an den Computer angeschlossen wird, und einem Remote-Modul für den Anschluss des USB-Gerätes. Zur Distanzüberbrückung zwischen diesen beiden Komponenten werden meist Ethernetkabel oder Lichtleiter eingesetzt. Da sich diese Line-Extender jedoch immer auf bestimmte, nicht vom Standard vorgeschriebene Verhaltensdetails der angeschlossenen Geräte verlassen und zudem bei langen Kabelstrecken die Signallaufzeit zu Protokollverletzungen führt, ist der Einsatz dieser Geräte oft mit Problemen verbunden.

Eine andere Möglichkeit, USB-Geräte weiter entfernt vom Rechner anzuschließen, sind Lösungen, die einen „remote host“ verwenden, also einen USB-Hostcontroller, der außerhalb des PCs liegt. Dabei geschieht die Kommunikation zwischen PC und Hostcontroller zum Beispiel über Ethernet . Das Ethernet ersetzt dabei den lokalen Bus, an dem sonst der Hostcontroller angeschlossen wäre. Auf dem PC muss also nur ein entsprechender Treiber installiert werden, der die Kommunikation mit dem Hostcontroller übernimmt. Treiber für die USB-Geräte erkennen dann keinen Unterschied zu einem lokal angeschlossenen Gerät. Beispiele für ein solches Gerät sind der USB-Server von Keyspan und die USB-Fernanschlussfunktion einer Fritz!Box .

Kontaktbelegung und Adernfarben

Der USB-Standard legt neben der Belegung der Stecker auch die Namen der einzelnen Signale fest, für die Aderfarbe werden nur Empfehlungen gemacht. Tatsächlich variieren die verwendeten Aderfarben von Hersteller zu Hersteller. Die Nummer eines Stecker-Pins kann in den oben angeführten Schemazeichnungen abgelesen werden.

USB-Standardstecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern
Standardstecker A / B
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 GND Schwarz Masse
USB-Ministecker Typ A und B. Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht. Es gibt noch Mini-AB-Buchsen, die sich automatisch umschalten. Mini-AB-Buchsen und Mini-A-Stecker sind aus der Spezifikation entfernt worden.

Ministecker/Microstecker
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 ID keine Ader erlaubt Unterscheidung von Micro-A- und Micro-B-Stecker:
Typ A: Masse ( On-The-Go ; [OTG]-Gerät arbeitet als Host)
Typ B: nicht verbunden (OTG-Gerät arbeitet als Peripherie)
5 GND Schwarz Masse
USB-3.0-Stecker Powered-B
USB 3.0 Standard / Powered [60]
Pin Signalname Adernfarbe Beschreibung
Stecker A Stecker B
Gehäuse Schirm na Schirmgeflecht
1 VBUS Rot +5 V
2 D− Weiß Daten USB 2.0, differentielles Paar −/+
3 D+ Grün
4 Masse Schwarz Masse für +5 V
5 StdA_SSRX− StdB_SSTX− Blau Daten SuperSpeed, Sender, differentielles Paar −/+
6 StdA_SSRX+ StdB_SSTX+ Gelb
7 GND_DRAIN unisoliert Masse für Daten SuperSpeed; je eine Ader für jedes differentielle SuperSpeed-Paar, aber auf denselben Pin geführt [60]
8 StdA_SSTX− StdB_SSRX− Violett Daten SuperSpeed, Empfänger, differentielles Paar −/+
9 StdA_SSTX+ StdB_SSRX+ Orange
10 na DPWR keine Vorgabe Spannungsversorgung für Gerät (nur im Stecker USB 3 Powered-B)
11 na DGND keine Vorgabe Masse für DPWR (nur im Stecker USB 3 Powered-B)
Vollbeschaltetes USB-3.1-Typ-C-auf-Typ-C-Kabel
Typ-C-Stecker 1 Typ-C-Kabel Typ-C-Stecker 2
Pin Name Adernfarbe Name Beschreibung Pin Name
Gehäuse Schirm na Schirm Schirmgeflecht Gehäuse Schirm
A1, B1,
A12, B12
GND Verzinnt GND_PWRrt1
GND_PWRrt2
Masse A1, B1,
A12, B12
GND
A4, B4,
A9, B9
V BUS Rot PWR_V BUS 1
PWR_V BUS 2
V BUS Spannung A4, B4,
A9, B9
V BUS
B5 V CONN Gelb PWR_V CONN V CONN Spannung B5 V CONN
A5 CC Blau CC Konfigurationskanal A5 CC
A6 Dp1 Weiß UTP_Dp Ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar , positiv A6 Dp1
A7 Dn1 Grün UTP_Dn Ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar, negativ A7 Dn1
A8 SBU1 Rot SBU_A Seitenbandbenutzung A B8 SBU2
B8 SBU2 Schwarz SBU_B Seitenbandbenutzung B A8 SBU1
A2 SSTXp1 Gelb * SDPp1 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 1, positiv B11 SSRXp1
A3 SSTXn1 Braun * SDPn1 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 1, negativ B10 SSRXn1
B11 SSRXp1 Grün * SDPp2 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 2, positiv A2 SSTXp1
B10 SSRXn1 Orange * SDPn2 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 2, negativ A3 SSTXn1
B2 SSTXp2 Weiß * SDPp3 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 3, positiv A11 SSRXp2
B3 SSTXn2 Schwarz * SDPn3 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 3, negativ A10 SSRXn2
A11 SSRXp2 Rot * SDPp4 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 4, positiv B2 SSTXp2
A10 SSRXn2 Blau * SDPn4 Geschirmtes verdrilltes Leitungspaar 4, negativ B3 SSTXn2
* Adernfarben für die geschirmten verdrillten Leitungspaare sind nicht vorgeschrieben
Steckerbelegung USB Typ C [61]
A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1
GND RX2+ RX2− VBUS SBU1 D− D+ CC1 VBUS TX1− TX1+ GND
GND TX2+ TX2− VBUS CC2 D+ D− SBU2 VBUS RX1− RX1+ GND
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

Probleme mit USB-Typ-C-Kabeln

Wie Anfang 2016 durch Pressemeldungen bekannt wurde, treten mit USB-Typ-C-Kabeln durch mangelhafte Fertigung und den daraus resultierenden Spezifikationsüberschreitungen vermehrt Probleme auf, die irreversible Schäden der daran angeschlossenen Geräte bewirken können. [62]

Es wurden inzwischen Webseiten veröffentlicht, die ungefährliche USB-Typ-C-Kabel auflisten. [63]

USB-Typ-C-Authentifizierungsprogramm

Die für das Marketing und die Spezifikationen des USB-Standards zuständige gemeinnützige Organisation USB-IF hat 2016 das USB Type-C Authentication Program angekündigt, das kryptografische Authentifizierung definiert. Durch die Authentifizierung soll Schaden an Geräten verhindert werden. [64]

USB-Hubs

4-Port-USB-Hub mit eigener Stromversorgung ( self powered , Netzteilbuchse rechts)

Ein USB-Hub ist ein USB-Gerät, welches das USB-Signal an mehrere Ports verteilt. Handelsüblich sind USB-Hubs mit bis zu sieben Downstream-Ports, vereinzelt sind aber inzwischen auch Hubs mit bis zu 28 Ports zu finden. [65] Hubs können ihren Strom aus dem Bus selbst beziehen (als Bus-Powered- oder passiver Hub bezeichnet) oder über eine eigene Stromversorgung verfügen (als Self-Powered- oder aktiver Hub bezeichnet).

USB-Umschalter

Ein USB-Umschalter (auch USB-Switch oder USB-Weiche genannt) ist ein Gerät zum Betrieb eines Peripheriegeräts an mehreren Rechnern ohne Umstecken. Dem Umschalter kann auch ein USB-Hub nachgeschaltet werden bzw. dieser sich im selben Gehäuse befinden.

Hier kann immer nur einer der Rechner auf die jeweiligen Peripheriegeräte geschaltet werden. Das erfolgt entweder durch einen manuellen Umschalter oder automatisch, bei letzterem löst z. B. das Einschalten eines Rechners und die damit einhergehende USB-Stromversorgung die Umschaltung aus.

USB-Card-Bus

USB-2.0-CardBus-Controller

Der Cardbus -Standard [66] (PC Card Standard 5.0) wurde ursprünglich für PCMCIA-Karten als Datenspeichermedium entwickelt, unterscheidet sich aber vom PCMCIA -Standard durch eine völlig andere Architektur. Es sind auch Steckkarten mit CardBus-Controller am Markt erhältlich, die USB in CardBus umsetzen, so dass USB-Stecker beispielsweise auch an Mobilgeräten ohne integrierte USB-Schnittstelle verwendet werden können – sie sind aber auf den 32 Bit breiten CardBus beschränkt. Ein Nachrüsten bei Computern mit 16-Bit-Bus ist daher nicht möglich. [67] CardBus wurde vom neueren und leistungsfähigeren ExpressCard -Standard abgelöst.

Galvanische Trennung

In bestimmten Anwendungsbereichen, wie in industriellen Umgebungen oder in der Medizintechnik , kann es zur Vermeidung von problematischen Masseschleifen notwendig sein, eine galvanische Trennung zwischen verschiedenen USB-Geräten vornehmen zu müssen. Diese umfasst neben den Versorgungsleitungen der Schnittstelle mittels Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung auch die Datenleitungen. Da die Datenleitungen bis Hi-Speed (480 Mbit/s) bidirektional betrieben werden, ist für die galvanische Trennung der Schnittstelle eine entsprechende zusätzliche Kontrolllogik für die Steuerung der Treiberstufen nötig, die in integrierten Schaltungen zusammengefasst ist und als USB-Isolator bezeichnet werden. Dadurch reduziert sich bei USB-Isolatoren die erzielbare Datenrate. [68]

Software-Architektur

Alle USB-Transaktionen werden durch die USB-Software auf dem Host-Computer realisiert. Das geschieht durch den jeweiligen USB-Gerätetreiber, der mit seinem Gerät kommunizieren will. Der USB-Bustreiber ist die Schnittstelle zwischen dem USB-Gerätetreiber und dem USB-Host-Controller.

USB-Bustreiber

Der USB- Bustreiber (USB-Driver) kennt die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen USB-Geräte, zum Beispiel die Datenmenge pro Frame oder Abstände zwischen den periodischen Zugriffen. Er erkennt diese Eigenschaften beim Analysieren der Geräte-Deskriptoren während der Konfigurationsphase. Wenn der USB-Bustreiber ein IRP von einem USB-Gerätetreiber erhält, erzeugt er entsprechend dieser Anfrage einzelne Transaktionen, die innerhalb des Übertragungsrahmens (Frame) von einer Millisekunde ausführbar sind.

USB-Host-Controller-Treiber

Der USB-Host-Controller-Treiber ( host controller driver ) organisiert die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen (Scheduling). Dazu baut er eine Folge von Transaktionslisten auf. Jede dieser Listen besteht aus den noch nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung eines Gerätes, das am Bus angeschlossen ist. Sie definiert die Reihenfolge der Transaktionen innerhalb des 1-ms-Zeitrahmens. Der USB-Bustreiber kann eine einzelne Anfrage für einen Datentransfer in mehrere Transaktionen zerlegen. Das Scheduling hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren wie Transferart, Geräteeigenschaften und Busbelastung ab. Der USB-Host-Controller-Treiber löst die Transaktionen dann über den Root-Hub aus. Dieser setzt der Reihe nach alle Transaktionen um, die in der aktuellen Liste enthalten sind.

Unterstützung in Betriebssystemen

  • Amiga OS4.x unterstützt ab Version 4.0 USB 1.1. Seit dem AmigaOS4.1 Update3 unterstützt es auch USB 2.0.
  • Amiga OS3.x unterstützt standardmäßig kein USB. Lediglich mit Hard- und Software anderer Anbieter (Poseidon, Sirion, Anaiis) ist eine Anbindung von USB-1.1- und USB-2.0-Geräten möglich (mit breiter Unterstützung verschiedener Geräteklassen bei Poseidon). Bei Poseidon kann in Zusammenarbeit mit einer Flash-Rom-Karte sogar von USB-Massenspeichern gebootet werden. Ab Amiga OS4 wird – je nach Hardware – USB 1.1 und 2.0 unterstützt (kein USB 2.0 Hi-Speed, da der EHCI-Treiber noch fehlt). Unter AmigaOS 4 Classic kann jedoch alternativ auch Poseidon eingesetzt werden.
  • AROS enthält seit August 2009 eine quelloffene Portierung von Poseidon, der die alte Implementierung ersetzt. Es unterstützt OHCI/UHCI (USB 1.1) und EHCI (USB 2.0 Hi-Speed) sowie die meisten der in Poseidon für AmigaOS vorhandenen Gerätetreiber. Der Stack liegt (teilweise) im Kernel und es kann damit von USB-Massenspeichern gebootet werden.
  • Atari MiNT unterstützt standardmäßig kein USB, es sind jedoch für MiNT verschiedene Treiber in Entwicklung, die Add-on-Karten (wie EtherNAT, eine Kombination aus USB- und Ethernet Erweiterung für den Atari Falcon) unterstützen.
  • eComStation als Nachfolger von OS/2 bringt ebenfalls Unterstützung für USB 2.0 mit.
  • FreeBSD unterstützt ab Version 3.0 OHCI und UHCI Controller (USB 1.1), ab Version 5.2 EHCI (USB 2.0) und ab Version 8.2 auch XHCI (USB 3.x). Es existieren Treiber für USB-Geräte wie Tastatur, Maus, Drucker, TV-Receiver, Kameras, Ethernet, WLAN, Massenspeicher, Smartphones, serielle Schnittstellenadapter und viele mehr. In FreeBSD 8.0 erschien eine komplett neue USB-Implementierung, die die Treiber-Situation eine Weile beeinträchtigt hatte. In der aktuellen Version ist das Problem aber nicht mehr vorhanden.
  • Der Linux-Kernel unterstützt ab Version 2.2.7 (1999) USB-1.1-Controller. Seit der Kernelversion 2.4 sind Treiber für UHCI-, OHCI- (USB 1.1) und EHCI-Controller (USB 2.0) sowie Unterstützung für gängige USB-Endgeräte integriert. Die Unterstützung für EHCI-Controller in der Kernelversion 2.4 (2001) gilt jedoch als fehleranfällig und läuft erst ab Version 2.6 (2003) stabil. Weiterhin existieren Gadget-Treiber, damit kann ein Linux-basiertes System, das an einem USB-Host angeschlossen wird, selbst als USB-Gerät erscheinen, zum Beispiel als Massenspeicher, Netzwerkkarte oder serielle Schnittstelle. Ab der Version 2.6.31 (2009) wird auch USB 3.0 vom Linux-Kernel unterstützt. [69]
  • Mac OS unterstützt USB 1.1 ab Mac OS 8.1 (1998). Mit der Zeit wurde der Umfang an Geräten, die mit Klassentreibern unterstützt werden, deutlich erweitert; von Mac OS 8.5 (ebenfalls 1998) an werden die meisten üblichen Geräteklassen unterstützt.
  • macOS (von 1999 bis 2012 „Mac OS X“ bzw. bis 2016 „OS X“) unterstützt in allen Versionen USB 1.1 und ab Version 10.2.8 auch USB 2.0. Ab OS X 10.8 ( Mountain Lion , 2012) wird auch USB 3.0 auf entsprechend werkseitig ausgestatteten Macs unterstützt. Mit entsprechendem Treiber gibt es auch die Möglichkeit, Erweiterungskarten mit USB 2.0 und 3.0 unter früheren Mac-OS-X-Versionen zu nutzen.
  • MorphOS wird mit dem Poseidon -USB-Stack ausgeliefert mit voller Unterstützung von UHCI, OHCI und EHCI (nicht alle Treiber unterstützen isochronen Transfer).
  • MS-DOS und kompatible unterstützen USB standardmäßig nicht. USB-Tastaturen und USB-Massenspeicher sind über die Legacy - Emulation vieler moderner PC- BIOS -Versionen dennoch verwendbar, aber meist nicht Hotplug -fähig. Auch USB-Mäuse funktionieren meist mit für PS/2-Mäuse vorgesehenen Treibern, wenn der Legacy-Mode aktiviert ist. Für FreeDOS gibt es den „motto hairu“-Treiber, der USB 2.0 zur Verfügung stellt. Andere Hersteller bieten Spezialtreiber an, die aber viel konventionellen Speicher belegen und deshalb mit vielen DOS-Programmen nicht kompatibel sind.
  • NetBSD und OpenBSD unterstützen UHCI, OHCI und EHCI sowie gängige Endgeräte. NetBSD war 1998 das erste freie Betriebssystem mit USB-Unterstützung.
  • OS/2 Warp 4 unterstützt erst über den Aufrüstpack Warp 4.51 Convenience Pack 1 (vom Dezember 2000) USB 1.1. Dieser ist kostenpflichtig. Treiber-Aktualisierungen auf USB 2.0 sind ebenfalls verfügbar.
  • Palm OS unterstützt ab Version 3.2 USB als Kommunikationsplattform für HotSync , ab Palm OS 5 können (teilweise mit Zusatzprogrammen) auch Modemfunktionen über USB genutzt werden. Bestimmte PDAs (so bei Sony Clié) können mit der USB-Schnittstelle einen Massenspeicher emulieren.
  • QNX unterstützt ab der Version 6 UHCI, OHCI und EHCI, mit separat erhältlichen Treibern ist USB-Unterstützung auch in QNX4 nachrüstbar. Die mitgelieferten Treiber beschränken sich auf den HID-Bootmode, einige RS232- und Ethernet-Adapter sowie Massenspeicher.
  • Windows 95 hat ab OEM Service Release 2.1 eine rudimentäre Unterstützung von USB 1.0, die jedoch als so fehlerhaft gilt, dass eine Verwendung meist nicht möglich ist.
  • Windows 98 unterstützt USB 1.0, ab Windows 98 SE auch USB 1.1. USB 2.0 ist nur mit Treibern von Chipsatzherstellern möglich.
  • Windows Me unterstützt USB 1.1 und verfügt als einziges System der 9x -Serie über einen generischen Gerätetreiber für Massenspeicher. USB 2.0 ist nur mit Treibern von Chipsatzherstellern möglich. Im Gegensatz zu Windows 98 und 95 ist nach der Installation gerätespezifischer USB-Treiber kein Neustart erforderlich.
  • Windows NT 4.0 hat keinerlei USB-Unterstützung, von anderen Herstellern sind jedoch Systemerweiterungen dafür erhältlich. Gerätehersteller testen ihre Produkte selten mit derartigen Erweiterungen, deshalb gelten diese Systemerweiterungen nur für Spezialfälle als tauglich.
  • Windows 2000 (SP4), Windows XP (ab SP1), Windows Server 2003 , Windows Vista , Windows Server 2008 , Windows 7 und Microsoft Windows Server 2008 R2 unterstützen USB 1.1 und USB 2.0 und unterstützen generisch von Anfang an Massenspeicher. Weil der USB-Hostcontroller allerdings manchmal fehlerhaft erkannt wird, raten die meisten Hersteller dazu, die Treiber des Chipsatzherstellers zu installieren.
  • Windows 8 unterstützt USB 1.0, 1.1, 2.0, 3.0.
  • Windows 10 unterstützt USB 1.0, 1.1, 2.0, 3.0, 3.1. [70]

PCs können über das BIOS auch (älteren) Betriebssystemen ohne USB-Unterstützung die Verwendung von USB-Eingabegeräten wie Mäusen und Tastaturen ermöglichen. Dazu aktiviert man einen „USB Legacy Support “ (englisch für etwa „USB-Unterstützung für Altsysteme“), wodurch die USB-Geräte dem Betriebssystem gegenüber als PS/2-Geräte erscheinen. Die dazu nötigen Einstellungen heißen in jeder BIOS-Variante unterschiedlich, beispielsweise einfach „USB Keyboard Support“. Auch ein Starten von USB-Speichermedien wird von den meisten Firmware-Implementierungen ermöglicht. Unter Open Firmware auf Apple- Macintosh -Computern mit PowerPC-Prozessor gibt es z. B. ein Firmware-Kommando, womit von einem angeschlossenen USB-Massenspeicher gestartet werden kann. Auf PCs mit BIOS wird meist genau ein USB-Laufwerk (wie USB-Stick, USB-Kartenleser, USB-Festplatte, USB-Floppy) eingebunden; weitere USB-Laufwerke werden nur eingebunden, wenn das startende Betriebssystem selbst USB unterstützt. Ältere Firmware (auch BIOS bei Computern bis 1995) kann mit USB nicht umgehen. Bei aktueller Firmware kann angenommen werden, dass USB sowohl für Eingabegeräte (Tastatur, Maus) sowie für das Startmedium verwendet werden kann.UEFI beispielsweise unterstützte USB von Beginn an voll.

Sicherheitsprobleme

Auf der Black Hat 2014 erläuterten Karsten Nohl und Jakob Lell Sicherheitsrisiken von USB-Geräten. [71] [72] [73] [74] Viele USB-Controller-Chips in USB-Geräten lassen sich umprogrammieren. [73] Ein wirksamer Schutz vor einer Neubeschreibung besteht nicht, so dass sich ein scheinbar harmloses USB-Gerät als schädliches Gerät missbrauchen lässt. [73] Ein USB-Gerät kann:

  • eine Tastatur und Befehle im Namen des angemeldeten Benutzers emulieren, somit Malware installieren und angeschlossene USB-Geräte infizieren. [73]
  • sich als Netzwerkkarte ausgeben, die DNS -Einstellung im Computer ändern und Datenverkehr umleiten. [73]
  • beim Bootvorgang ein kleines Virus laden, welches das Betriebssystem vor dem Booten infiziert. [73]

Derartige Angriffe sind bisher schwer abwehrbar, da Malware-Scanner nicht die Firmware in USB-Geräten prüfen und die Verhaltenserkennung schwierig ist. [73] USB-Firewalls, welche nur bestimmte Geräteklassen blockieren, existieren noch nicht. [73] Einen gewissen Schutz bietet macOS beim Anstecken eines als Tastatur erkannten USB-Geräts, indem es fragt, ob man die Tastatur aktivieren will. Die sonst übliche Beseitigung von Malware – durch Neuinstallation des Betriebssystems – nutzt nichts, da ein USB-Speicher, von dem installiert wird, bereits infiziert sein kann. Andere USB-Geräte sind von der Neuinstallation des Betriebssystems ebenfalls nicht betroffen und enthalten die Malware daher immer noch. Zu beachten ist, dass USB auch als interne Schnittstelle zur Anbindung fest eingebauter Peripherie-Komponenten (etwa einer Webcam im Laptop-Deckel) verbreitet ist. [73]

Im Oktober 2014 stellten die Sicherheitsforscher Adam Caudill und Brandon Wilson auf der Konferenz DerbyCon eine modifizierte Firmware und Werkzeuge zur Schadensbehebung vor. [75]

USB als standardisierte Spannungsquelle

USB-Ladesteckdose im Solaris Urbino 12 electric

Des Weiteren wird USB teilweise als standardisierte Spannungsquelle eingesetzt. So haben sich im Jahr 2009 namhafte Mobiltelefonhersteller auf Druck der EU-Kommission darauf geeinigt, Micro-USB als Standard-Gerätebuchse für den Ladekontakt einzusetzen. [76] Vereinzelt haben Hersteller anderer elektronischer Kleingeräte wie kompakter Digitalkameras nachgezogen – im Bereich der (tragbaren) Medienabspielgeräte (insbesondere bei MP3-Playern ) war ein Aufladen via USB-Schnittstelle schon zuvor verbreitet.

Der USB-Standard sieht vor, dass Geräte zunächst im Low-Power-Modus (100 mA oder 150 mA) starten und bei höherem Strombedarf diesen erst vom Host anfordern, bevor sie den normalen Modus schalten. Das können bei USB 2.0 bis zu weiteren viermal 100 mA, bei USB 3.0 bis zu weiteren fünfmal 150 mA sein. Schlägt diese Anforderung fehl, muss sich das Gerät abschalten. Die meisten der vorgenannten Geräte verwenden den USB-Anschluss jedoch ungefragt nur als Spannungsquelle und verstoßen gegen den USB-Standard, indem sie ohne Erlaubnis des Hosts mehr als 100 mA Strom beziehen. Das könnte im Extremfall den USB-Anschluss des Hosts beschädigen oder das Energiemanagement des Rechners durcheinanderbringen, was zu instabilem Verhalten führen kann. Sparsame 2,5-Zoll-Festplatten können meist mit 2,5 W (500 mA) an einem 2.0-USB-Port mit Adapter betrieben werden, größere 3,5-Zoll-Festplatten jedoch nicht. Weiterhin gibt es sparsame Notebook-CD/DVD/Bluray- Brenner , die am USB-Port betrieben werden können. Deren Stromaufnahme liegt jedoch insbesondere beim Brennen mit höheren Geschwindigkeiten mit teilweise permanent über 1000 mA weit außerhalb der USB-Spezifikation.

Mittlerweile gibt es Netzteile, die an einer USB-A-Buchse oder einem Kabel mit Micro-USB-B-Stecker 5 V zur Verfügung stellen. Der verfügbare Strom liegt meist bei 1000 mA (allgemein zwischen 500 und 2500 mA). Generell gilt bei Smartphones die USB-Battery Charging Specification als Referenz (dies ist nicht mit dem Energiemanagement zu verwechseln, das beim Enumeration-Prozess, beim Anschließen an einen USB-Host, stattfindet). Diese standardisiert die Beschaltung der Datenleitungen, damit es eine einheitliche Konfiguration gibt und möglichst alle Smartphones mit ein und demselben Netzteil geladen werden können. Allerdings halten sich nicht alle Smartphone-Hersteller an diese Vorgabe, so dass bestimmte Geräte nicht mit jedem Netzteil geladen werden können (z. B. Apple). Wenn ein Gerät nicht an einem dafür gebauten Netzteil, sondern an einem USB-Host (z. B. PC/Notebook) geladen wird, werden Befehle bzgl. des Energiemanagements während der Enumeration ausgetauscht. Letzteres ist notwendig, wenn das zu ladende Gerät sich exakt an den USB-Standard hält und nur den Strom entnimmt, der ihm genehmigt wurde. Ein bekannter Vertreter ist das iPhone : Es erkennt, dass es an einem Netzteil geladen wird, wenn bestimmte Spannungspegel an den Datenleitungen anliegen. An einem Rechner wird stattdessen über das Energiemanagement verhandelt, wie viel Strom das Gerät entnehmen darf.

Kurioses

USB-Spielzeug- Raketenwerfer , der auf Befehl kleine Schaumstoffraketen abfeuert
USB-Weihnachtsbaum

Auch ausgefallene Geräte sind auf den Markt gekommen, die USB vorwiegend zur Stromversorgung nutzen. Beispielsweise gibt es USB-Wärmeplatten, mit denen etwa eine Kaffeetasse über die USB-Schnittstelle warmgehalten werden kann, USB-Lampen für Notebooks , um die Tastatur zu beleuchten, USB-Tastatur-Staubsauger, USB-Ventilatoren, Rotoren mit LED-Lichteffekten, USB-Weihnachtsbäume oder beheizbare USB-Handschuhe, USB- Butt-Plugs , USB- Hörgerätetrockner [77] und USB-Pantoffeln.

Ajay Bhatt wurde aus der Gruppe der Entwickler des USB-Standards besonders hervorgehoben, als er in dem Werbespot Ajay Bhatt – The Real USB Rock Star! des Unternehmens Intel als Rockstar porträtiert wurde. [78] [79]

Literatur

  • Hans-Joachim Kelm: USB 2.0 . Franzis, Poing 2006, ISBN 3-7723-7965-6 .
  • Jan Axelson: USB Complete. Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals . 4. Auflage. Lakeview Research, Madison 2009, ISBN 978-1-931448-08-6 .
  • Bernhard Redemann: Steuern und Messen mit USB, Hard- und Softwareentwicklung mit dem FT232, 245 und 2232 . Eigenverlag, Berlin 2006, ISBN 3-00-017884-8 .

Weblinks

Wiktionary: USB – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : USB – Sammlung von Bildern

Anmerkungen

  1. Die Asymmetrie aufgrund der Pullup- und Pulldown-Widerstände, mit denen das Peripheriegerät die von ihm unterstützte Datenrate anzeigt, kann hier aufgrund der hohen Werte dieser Widerstände vernachlässigt werden; die Widerstandswerte liegen mehr als eine Größenordnung über dem Wellenwiderstand der Leitung.

Einzelnachweise

  1. usb.org ( Memento vom 14. Mai 2009 im Internet Archive )
  2. a b USB 3.2: Geschwindigkeit von USB-C auf 20 GBit/s verdoppeltHeise , am 27. September 2017
  3. a b Schnittstelle: USB 3.2 verdoppelt Datenrate auf 20 GBit/sGolem , am 26. Juli 2017
  4. USB (Universal Serial Bus). (Nicht mehr online verfügbar.) Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung, archiviert vom Original am 31. Dezember 2015 ; abgerufen am 12. November 2015 : „Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein physischer Datenbus.“
  5. DVI-Ausgang per USB nachrüstenHeise , am 5. Juni 2007
  6. 1394 Monthly Newsletter . Information Gatekeepers Inc ( google.at [abgerufen am 4. Januar 2019]).
  7. Sven Hesse: USB 3.0 kommt 2009 mit 4,8 Gbit/s angerast . ( Memento vom 20. Dezember 2008 im Internet Archive ) Allround-PC.com, 21. November 2008.
  8. USB 3.1: Startschuss für Entwickler. auf heise.de . 1. August 2013.
  9. Seth Colaner, Niels Broekhuijsen: All Things USB 3.1 And USB Type-C: An Explainer . tomshardware.com vom 27. August 2015.
  10. SuperSpeed USB. ( Memento vom 14. Mai 2009 im Internet Archive ) USB Implementers Forum, Inc., abgerufen am 3. Januar 2016.
  11. USB 3.2 oder «SuperSpeed USB 20Gbps» soll noch in 2019 kommen. 27. Februar 2019, abgerufen am 27. Februar 2019 .
  12. USB Promoter Group USB4 Specification. In: usb.org. 29. August 2019, abgerufen am 15. Mai 2020 .
  13. Florian Müssig: USB 4 bekommt Hub-Topologie. In: heise.de . 6. März 2019, abgerufen am 15. Mai 2019 .
  14. Florian Müssig: Spezifikation für USB 4 finalisiert. Abgerufen am 24. Januar 2021 .
  15. USB 2.0 ECN VBUS Max Limit.pdf
  16. a b Oliver Ehm: Stromversorgung für den USB-Anschluss . Com-Magazin.de, 22. Februar 2012.
  17. a b c d e USB-PD – USB Power Delivery. In: www.elektronik-kompendium.de. Abgerufen am 10. August 2018 .
  18. OVERVIEW OF USB BATTERY CHARGING REVISION 1.2 AND THE IMPORTANT ROLE OF ADAPTER EMULATORS , 2014
  19. a b Battery Charging Specification – Revision 1.2. USB Implementers Forum, 7. Dezember 2010, abgerufen am 12. September 2020 .
  20. usb.org @1 @2 Vorlage:Toter Link/www.usb.org ( Seite nicht mehr abrufbar , Suche in Webarchiven ) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  21. usb.org ( Memento vom 4. April 2016 im Internet Archive ) (PDF)
  22. eXtensible Host Controller Interface for Universal Serial Bus (xHCI). (PDF) Revision 1.1. Intel Corporation, 20. Dezember 2013, S. 500 , abgerufen am 22. September 2016 (englisch).
  23. USB-Spezifikation 2.0 Seite 153
  24. USB Class Codes ( Memento vom 2. April 2007 im Internet Archive ) . usb.org. 17. November 2009 (englisch)
  25. USB-Spezifikation 2.0, S. 46.
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