USB Grundlagen
Dieser Artikel liefert Grundlagenwissen zum USB-Standard. Er ist in der Computerbild im Sommer 2001 erschienen.
Ginge es nach den Entwicklern von USB, bräuchten Computer nur ein paar USB-Stecker. Alle anderen Anschlüsse wie der parallele und die seriellen Stecker wären ebenso überflüssig wie Tastatur und Maus-Anschluss. Modem, Drucker, Scanner, Maus, Tastatur, Joystick, Lautsprecher -- sie alle sollen sich den USB-Anschluss teilen und darüber ihre Daten senden und empfangen. Lediglich für den Bildschirm oder Netzwerk soll es eigene Stecker geben.
Entwicklung in den 90ern
Die Entwickler haben sich bereits in den frühen 90ern an USB gesetzt. Seitdem feilen sie an dem Standard. Aktuell ist USB 1.1, im Herbst 2001 wird USB 2.0 kommen. Beteiligt an der Entwicklung von USB sind Firmen wie Intel, Apple, Compaq oder Microsoft. Und die haben sich für USB einiges vorgenommen:
- USB soll leicht zu benutzen sein.
- An USB sollten sich viele unterschiedliche Geräte gleichzeitig anschließen lassen.
- Über die USB-Leitung soll auch telefonieren möglich sein. Das wäre ein Weg, endlich Telefon und Computer zusammen zu bringen, beispielsweise vom Computer aus Nummern zu wählen oder Telefonbücher zu verwalten.
1994 haben die Entwickler ein erstes Papier zu USB veröffentlicht: USB 0.7. Aber es dauert noch bis 1996: endlich meldet sich USB auf dem Markt. Aber keiner hört hin. Erst 1998 mit der Version 1.1 beginnt sich USB langsam durchzusetzen. Mehr und mehr Computer haben USB-Schnittstellen und mit Windows 98 kommt das erste Windows-Betriebsprogramm, das USB voll unterstützt.
Die Vorteile von USB
USB hat diese Vorteile:
- USB ist einfach: Es gibt nur eine Art von Kabeln. Diese Kabel sind an beiden Enden unterschiedlich. Das Ende für den Anschluss am Computer ist flach. Der Stecker für das Gerät, also den Drucker, den Scanner oder die Kamera ist viereckig. (Einige Geräte, zum Beispiel Kameras haben eigene Anschlüsse, die sich aber auch deutlich von dem flachen Stecker für den Computer unterscheiden.) Damit besteht keine Gefahr Stecker zu verwechseln und USB-Geräte falsch zu verkabeln.
- USB lässt sich bei eingeschaltetem PC an- und abstecken. Sie können eine Kamera oder einen Scanner anschließen, während der Computer läuft. Das Betriebsprogramm erkennt das Gerät und lädt das entsprechende Steuerungsprogramm. Falls Sie das Gerät zum ersten Mal einstecken, müssen Sie in den meisten Fällen erst noch das Steuerungsprogramm auf Ihren PC überspielen.
- USB ist erweiterbar. Theoretisch schafft USB bis zu 127 Geräte.
- USB ist schnell. Mit 12 MBit pro Sekunde flitzen die Daten durch die Leitung. Das entspricht genau 1,5 MByte in der Sekunde, also etwa dem Inhalt einer Diskette. Damit ist USB sogar etwas schneller als eine billige Netzwerkkarte. Die kommt nur auf 10 MBit, also etwa 1,25 MByte pro Sekunde. Vielen ist USB aber nicht schnell genug. Um zum Beispiel Videodaten zu übertragen, braucht man mehr Geschwindigkeit. Lesen Sie mehr dazu im Kasten USB 2.0.
- Es gibt viele Geräte für USB: Scanner, Drucker, Kameras, externe Wechselplattenlaufwerke, CD-ROM-Laufwerke, Modems oder Lautsprecher für USB.
- USB hat einen eingebauten Stromanschluss. Auf dem USB-Kabel liegen 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA. Das genügt, um Geräte mit geringem Energieverbrauch zu betreiben, also Mäuse, Tastaturen oder auch Scanner. Geräte mit höherem Energiebedarf brauchen aber eine eigene Versorgung, Drucker zum Beispiel.
Die Nachteile von USB
Das sind die Nachteile von USB.
- Es gibt zu wenig USB-Stecker am PC: An den meisten Computern finden sich nur zwei USB-Stecker. Jeder, der mehr als zwei Geräte anschließen will, muss also einen USB-Hub kaufen. Das ist ein Verteiler, an den sich weitere USB-Geräte anstöpseln lassen. Und der kostet Geld, belegt selbst schon wieder einen USB-Anschluss und braucht im Normalfall noch Platz für ein eigenes Netzteil. (Es gibt Hubs, die sich wahlweise auch ohne Netzteil betreiben lassen. Allerdings liefern sie dann selbst unter Umständen zu wenig Strom, um andere USB-Geräte ohne Netzteil zu betreiben.)
- Alte Computer haben kein USB.
- Alte Betriebsprogramme kommen noch nicht mit USB zurecht. Wer mit Windows 95 USB nutzen will, muss das Betriebsprogramm auf den neuesten Stand bringen. Und das funktioniert auch nur bei neueren Windows-95-Versionen, die zusammen mit einem PC gekauft wurden (mehr dazu unter http://www.microsoft.com/IntlKB/ Germany/support/kb/d42/d42947.htm) Unter Windows NT 4 gibt es USB nicht. Microsoft plant auch nicht, USB noch nachträglich in Windows NT einzubauen.
- Für Multimedia-Anwendungen ist USB zu langsam. Wenn die Daten aus der Videokamera in den Computer wollen, brauchen die mehr Geschwindigkeit.
- Geschwindigkeitsprobleme, wenn viele Geräte gleichzeitig angeschlossen sind. Zwar können sich durch die USB-Leitungen in jeder Sekunde 1,5 MByte an Daten bewegen. Doch wenn ein Drucker, ein Scanner und ein paar Lautsprecher an USB hängen und gleichzeitig Daten übertragen wollen, wird es eng. Denn diese Geräte müssen sich die 1,5 MByte pro Sekunde teilen. Das kann zu Problemen und Fehlern führen.
USB ist kein Bus-System
Auch wenn es der Name behauptet: USB ist kein Bussystem. Denn bei einem Bus hängen alle Geräte an einer Leitung.
Diese Leitung entspricht einer Buslinie im öffentlichen Nahverkehr. Am Anfang und Ende dieses Bus befinden sich Endwiderstände, sozusagen die Endhaltestellen. Dazwischen sind die Geräte als Haltestellen. Jedes Gerät kann mit jedem anderen Gerät Daten austauschen, also von Haltestelle zu Haltestelle senden. Dabei enthält ein Datenpaket immer den Namen der Haltestelle, von der es kommt und die Haltestelle, an der es aussteigen muss, sprich die Adresse des Gerätes für das es bestimmt ist. Solche Bussysteme finden sich in den meisten Netzwerken oder auch bei ISDN.
Bei USB hingegen handelt es sich im Grunde um einen sternförmigen Aufbau mit mehreren Zwischenebenen.
Jedes Gerät ist über eine eigene Leitung mit dem Computer oder mit einem dazwischen geschalteten Hub verbunden. Ein Hub arbeitet wie ein Sammelpunkt. Er nimmt Daten von den Geräten entgegen und liefert sie an den PC oder an den nächst höheren Hub. Umgekehrt nimmt ein Hub Daten vom Computer entgegen und leitet sie an das richtige Gerät oder den nächst tieferen Hub weiter. Ein solcher Hub kann auch in einer Tastatur oder in einem Monitor stecken.
Zwischen den Computer und ein Gerät lassen sich bis zu sieben Hubs einbauen. Sie bilden so genannte Ebenen.
In jeder Ebene darf das USB-Kabel 5 Meter lang sein. Insgesamt kann also ein Gerät 35 Meter vom Computer entfernt stehen.
Die Daten bewegen sich nur zwischen dem Computer und dem jeweils angesprochenen Gerät. Die USB-Geräte können sich untereinander nicht verständigen.
Die Kontrolle über die Daten hat alleine der Computer. Er bildet den so genannten root-Hub. Das heißt, der Computer fragt regelmäßig bei den Geräten nach, ob die Daten für ihn haben und holt diese ab. Die Geräte selbst dürfen keinerlei Daten los senden. Dieses Polling genannte Verfahren kostet zwar Rechenzeit im Computer, erlaubt aber, die USB-Geräte einfacher aufzubauen.
So werden die Daten übertragen
Wenn der Computer mit einem Gerät Daten austauscht, baut er immer eine direkte Verbindung dorthin auf, eine Pipe.
Über diese Verbindung fließen die Daten auf vier Arten:
- Die Kontroll-Transfers dienen ausschließlich der Zusammenarbeit zwischen Computer und dem USB-Gerät. Diese Daten versenden Sie, wenn Sie ein Gerät konfigurieren. Oder das Gerät zeigt damit an, dass es verfügbar ist. Sollten sich Fehler bei der Übertragung einschleichen, so werden diese erkannt und die Übertragung wiederholt. Diesen Vorgang nennt man Fehlerkorrektur. Mehr dazu im nächsten Abschnitt "So verhindert USB Fehler".
- Die Bulk-Transfers kommen zum Einsatz, wenn große Datenmengen über die Leitung gehen. Das ist zum Beispiel bei Druckern oder Scannern der Fall. Bei solchen Datenübertragungen wird die gesamte gerade verfügbare Übertragungskapazität verwendet. Falls die Datenleitung verstopft ist, wartet die Übertragung einfach, bis wieder Platz ist. Auch in dieser Betriebsart gibt es eine Fehlerkorrektur.
Interrupt-Transfers sind bei geringen Datenmengen gefragt, die regelmäßig auftreten. Der PC holt sich zum Beispiel in festen Abständen, so genannten Intervallen, Daten von Tastatur oder Maus. Auch bei diesem Verfahren gibt es eine Fehlerkorrektur.
Isochrone Transfers übertragen die Daten ununterbrochen in regelmäßigen Abständen. Eine Fehlerkorrektur gibt es nicht. Typisch für diese Übertragungsart ist Sprache und Musik. Hier kommt es darauf an, dass die Daten in jedem Fall sofort übertragen werden. Dafür fällt ein Fehler weniger ins Gewicht: Schlimmstenfalls knackt es einmal kurz oder es rauscht. Das Problem dieser isochronen Übertragung ist: sie verbraucht sehr viel Bandbreite. Damit aber nicht der gesamte Datenverkehr ins stocken gerät, bleiben immer 20 Prozent der Bandbreite für andere Übertragungen frei. Damit ist garantiert, dass Maus und Tastatur weiter funktionieren.
So verhindert USB Fehler
Damit sich beim Datenverkehr zwischen einem USB-Gerät und dem Computer keine Fehler einschleichen, gibt es ein Protokoll. Dieses Protokoll regelt genau, wer welche Daten bekommt und es sorgt dafür, dass alle Daten richtig ankommen. Wenn einmal Daten nicht richtig ankommen, veranlasst das Protokoll einen neuen Übertragungsversuch.
Das Protokoll steckt die Daten in Pakete. Davon gibt es zwei Arten. Eines übermittelt Kontroll- und Steuerungsinformationen, das andere Daten. Beide sind aber im Grunde gleich aufgebaut:
- Der erste Teil des Pakets besteht aus einer Token (zu Deutsch: "Zeichen") genannten Information. Die verrät, was sich in dem Paket verbirgt. Das sind entweder ganz normale Daten, wie sie etwa vom Computer an den Drucker gehen. Oder es sind interne Steuerinformationen, zum Beispiel die Adresse, an die sich das nächst folgende Datenpaket richtet.
Diese Adresse sagt genau, an welches der 127 Geräte die Daten gehen. USB kann zusätzlich innerhalb jedes Gerätes bis zu 15 Unteradressen ansprechen (eigentlich sind es 16, doch eine Adresse ist von USB reserviert). Das ist so, wie in einem Mietshaus, das eine Adresse, aber mehrere Briefkästen hat. Auf diese Weise finden Daten zum Beispiel in einem Faxdrucker den richtigen Weg - entweder zum Fax oder zum Drucker.
- Danach folgt eine Prüfsumme. Die hilft dem Empfänger der Daten festzustellen, ob alle Daten im Paket stimmen.
- Sobald die Adressinformationen über die Leitung gegangen sind, kann das erste Datenpaket folgen. Wieder kündigt das Protokoll ein Paket an und sagt, was sich darin verbirgt -- in diesem Fall die Daten. Das können bis zu 1023 Byte sein. Wieder folgt eine Prüfsumme.
- Auf das Datenpaket folgt ein Handshake, zu Deutsch ein Händedruck. Dabei teilt der Empfänger dem Absender mit, ob er die Daten so annimmt. Wenn etwas mit einer Prüfsumme nicht gestimmt hat, wird das Gerät diesen Händedruck verweigern und der Absender muss das Paket nochmals schicken. Bei der isochronen Übertragung von Sprachdaten gibt es den Handshake nicht, da es auch keine Fehlerkorrektur gibt.
So sehen die Kabel aus
In jedem USB-Kabel stecken vier Drähte. Zwei übertragen die Daten, die beiden anderen versorgen die angeschlossenen Geräte mit Strom.
Es gibt zwei Sorten von USB-Kabeln. Für die schnelle Übertragung mit 12 MBit/s sind die beiden Datenkabel ineinander verdreht, der Fachausdruck hierfür ist Twisted Pair, zu Deutsch etwa "zusammen gedrehtes Paar". Zusätzlich sind diese Kabel abgeschirmt. Es kann also keine Störungen von außen die Datenübertragung beeinträchtigen.
Damit niemand die Kabelenden verwechselt ist die Seite für den Computer flach, die Seite für das Gerät oder für den Hub viereckig.
Bei Geräten, die nur mit langsamen 1,5 MBit, also 192 kByte pro Sekunde arbeiten, kommen andere Kabel zum Einsatz. Hier sind zwar ebenfalls vier Drähte zu finden, jedoch sind die beiden Leitungen zur Datenübertragung nicht ineinander verdreht. Außerdem sind die Leitungen nicht gesondert abgeschirmt und mit dem Gerät immer fest verbunden. Diese Art kommt zum Beispiel bei Mäusen, Joysticks oder Tastaturen zum Einsatz. Denn diese Geräte brauchen keine hohen Übertragungsraten. Wegen der schlechteren Abschirmung dürfen diese langsamen USB-Kabel aber höchstens drei Meter lang sein.
USB 2.0
Seit April 2001 gibt es den Standard USB 2.0, Prototypen sind unterwegs: Der neue USB 2.0 geht 40mal schneller zur Sache als USB 1.1. Mit 480 MBit pro Sekunde überträgt das System die Daten. Dabei bleibt USB 2.0 kompatibel zu USB 1.1. Das heißt, Sie können auch mit USB 2.0 alle USB-Geräte weiter verwenden. Allerdings wird in Ihrem Computer eine neue Steckkarte nötig sein, die USB 2.0 beherrscht. Von Adaptec gibt es bereits eine solche Einsteckkarte für den Anschluss von USB-2.0-Geräten namens USB 2 Connect.) Etwa ab Herbst sind erste ab Werk mit USB 2.0 ausgestat-tete Computer zu erwarten.
Mit der Geschwindigkeit von 480 MBit pro Sekunde hängt USB 2.0 sogar Firewire ab (siehe Kasten "Konkurrent Firewire"). Dank der hohen Übertragungsrate lassen sich auch Videodaten schnell übermitteln oder schnelle Festplatten anschließen. Bleibt abzuwarten, ob USB 2.0 Firewire vom Markt verdrängt oder ob für beide Standards Platz bleibt. Schlecht sieht es für USB 2.0 aber nicht aus. Denn zu den an der USB-2.0-Entwicklung beteiligten Unternehmen gehören neben Compaq, Intel, Microsoft, und NEC jetzt auch Hewlett Packard, Lucent und Philips.
Konkurrent Firewire
Er heißt 1394, I Link oder Firewire. Der Konkurrent von USB hat schon seit Jahren eine Übertragungsrate von 400 MBit pro Sekunde. Damit sticht er USB 1.1 locker aus.
Wie USB ist auch Firewire einfach einzusetzen. Bis zu 64 Geräte lassen sich im laufenden Betrieb anschließen und wieder entfernen. Zum Einsatz kommt Firewire vor allem bei Video-Anwendungen. Denn hier müssen die Daten schnell von der digitalen Videokamera zum System gelangen.
Allerdings hat nicht jeder PC eine Firewire-Schnittstelle. Die muss man eigens nachrüsten. Viele Computer von Typ Apple Macintosh sowie tragbare Notebooks von Sony hingegen verfügen über Firewire.
Von Apple kommt auch das ursprüngliche Firewire-Konzept. Viele Firmen unterstützen es, darunter Intel, AMD, Microsoft oder Sony.
Wenn USB 2.0 kommt, ist Firewire erst einmal der langsamere. Doch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen 480 und 400 MBit ist so gering, dass niemand genötigt ist, umzusteigen. Außerdem ist bereits ein Firewire-Nachfolger namens 1394b angekündigt. Das meldet der US-Nachrichtendienst Cnet). Und der neue Standard läuft mit 800 MBit pro Sekunde USB 2.0 wieder den Rang ab.
