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USB - Universal Serial Bus

Umfassende Informationen über den USB-Anschluss.
Darin Enthalten sind Informationen über Stecker, Übertragungsraten und die verschiedenen Versionen von USB und ihren Strombedarf.

Übersicht

Universeller serieller Bus (Universal Serial Bus), kurz auch USB genannt.
Tabelle 01: USB Übersicht
Version Jahr Leistungsangebot Übertragungsraten Theorie Praxis Kopierte Größe in 15 Min
USB 4.0 2019 max 5V/3A = 15W,
12V/5A = 60W,
20V/5A = 100W		 40 GBit/s
≈ 5 GByte/s		 ≈ 3 GByte/s
= 180 GByte/min		 2,70 TByte
USB 3.2 (Type C) 2014 max 4,45…5,25V/3A
=15W		 20 GBit/s
≈ 2,50 GByte/s		 ≈ 1,5 GByte/s
= 90 GByte/min		 1,35 TByte
USB 3.1 (SuperSpeed +) 2013 10 GBit/s
≈ 1,25 GByte/s 		≈ 750 MByte/s
= 45 GByte/min		 675 GByte
USB 3.0 (SuperSpeed) 2008 max 4,45…5,25V/0,9A
= 4,5W		 5 GBit/s
≈ 625 MByte/s		 ≈ 375 MByte/s
= 22,50 GByte/min		 337,50 GByte
USB 2.0 (Full Speed) 2000 max 4,45…5,25V/0,5A
= 2,5W		 480 MBit/s
≈ 60 MByte/s		 ≈ 36 MByte/s
= 2,16 GByte/min		 32,40 GByte
USB 1.2 1998 max 4,45…5,25V/1,5A
= 7,5W
USB 1.1 (Hi-Speed) 1998 15,10 MBit/s
≈ 1,80 MByte/s 		≈ 1,50 MByte/s
= 90 MByte/min		 1,35 GByte
USB 1.0 (Low Speed) 1996 max 4,40…5,25V/0,1A
= 0,5W		 12 MBit/s
≈ 1,50 MByte/s		 ≈ 0,90 MByte/s
= 54 MByte/min		 810 MByte
USB ist eine Bus-Schnittstelle, an die man bis zu 127 Geräte anschließen kann. Die Schnittstelle ist sehr leistungsfähig und enthält erstmals eine Plug & Play-Anbindung. Seit ihrer Einführung wurde USB für mehr und mehr Gerätetypen genutzt. Das besondere daran ist, dass über die Verbindung nicht nur Daten übertragen werden, sondern kleinere Geräte ihren Strom komplett über die USB-Schnittstelle beziehen können:

Wichtig: Die im Alltag erzielbare Datenrate ist 30 bis 45 Prozent kleiner als vom Hersteller angegeben. Deswegen werden wir hier 40 Prozent Toleranz abgezogen in der Tabellenspalte "Praxis".

Die normalen Kabel sind für 7,5W ausgelegt und die aktiven Kabel bis zu 15W. Ein Gerät darf erst Strom beziehen nachdem der Host-Controller die Freigabe erteilt hat, bis dahin gilt eine maximale Stromstärke von 0,1 A. Die Schnittstelle wurde stetig weiterentwickelt.

USB v3.0

Wie schnell die konkreten USB-Geräte nun sind, zum Beispiel, wie schnell eine externe USB-Festplatte Daten speichern kann, hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Die benutzte USB-Version
  • Die Geschwindigkeit des Endgerätes

Merke: Selbst wenn die Datenleitung unendlich schnell senden könnte, bremst ein langsam schreibender USB-Stick schnell die effektive Geschwindigkeit.

Steckerformen

Die unterschiedlichen Stecker verhindern eine Verwechslung der USB-Leitung.

Farben Merkmale:
  • Schwarzer/Weiß: USB 1.0 oder USB 2.0
  • Blau: USB 3.0
  • Gelb: Anschluss mit permanenter Stromversorgung
  • Rot/Orange: hohe Stromstärke oder Sleep-and-Wake-Anschluss (häufig USB 3.0)

Wichtig: Dabei ist zu beachten, dass die Farbzuweisungen nicht Teil der USB-Spezifikationen und werden auch nicht immer streng eingehalten.



Tabelle 02: USB Stecker-Typen und Pin-Belegungen.
Version Beispiele Anschlüsse Pin-Belegung
Typ A am PC und HUB-Ausgang. USB Version 3.0 wird meist mit blauer Isolierung und Auflagefläche gekennzeichnet.
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe):
  1. Ub = +5V (Rot)
  2. D- = Datensignal - (Weiß)
  3. D+ = Datensignal + (Grün)
  4. GND (Masse) = 0V (Schwarz)
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Abb. 01a: USB-Stecker Typ A (USB v2.0)
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Abb. 03a: USB-Stecker Typ A (USB v3.0)
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Abb. 01e: Pin-Belegung vom USB-Stecker vom Typ A
Typ B am Gerät, z.B. Scanner, Drucker und Maus.
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe):
  1. Ub = +5V (Rot)
  2. D- = Datensignal - (Weiß)
  3. D+ = Datensignal + (Grün)
  4. GND (Masse) = 0V (Schwarz)
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Abb. 01b: USB-Stecker Typ B
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Abb. 10b: Pin-Belegung vom USB-Stecker Typ B
Mini B an MP3-Playern oder Digitalkameras.
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe):
  1. Ub = +5V (Rot)
  2. D- = Datensignal - (Weiß)
  3. D+ = Datensignal + (Grün)
  4. ID = Identifikation (kein Kabel)
  5. GND (Masse) = 0V (Schwarz)
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Abb. 02m: USB-Stecker Typ Mini B
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Abb. 02k: Pin-Belegung vom USB-Stecker Mini B.
Micro B An Smartphones
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe): Siehe USB v2.0 Mini B!
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Abb. 02n: USB-Pin Belegung Micro B.
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Abb. 02o: USB-Pin Belegung Micro B.
3.0 Micro B an externen Festplatten oder Kartenlesern.
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe):
  1. Ub = +5V (Rot)
  2. D- = Hi-Speed Datenleitung - (Weiß)
  3. D+ = Hi-Speed Datenleitung + (Grün)
  4. (4) ID = Identifikation (Kein Kabel)
  5. GND (Masse) = 0V (Schwarz)
  6. SSRX- = SuperSpeed Datenleitung Empfänger (Blau)
  7. SSRX+ = SuperSpeed Datenleitung Empfänger (Gelb)
  8. GND_DRAIN = Masse für SuperSpeed Datenleitungen, Blank (Metallisch)
  9. SSTX- = SuperSpeed Datenleitung Sender (Violett)
  10. SSTX+ = SuperSpeed Datenleitung Sender (Orange)
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Abb. 03c: USB-Stecker 3.0 Micro B.
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Abb. 03d: Pin-Belegung vom USB-Stecker 3.0 Micro B.
Typ Lightning Genannt wird es Lightning Cable und soll Apple favorisiert haben. Da die Zunge eine Sollbruchstelle hat und damit beim sinnlosen Wirken von Kräften die Buchse im Gerät nicht ausgebrochen wird. Ein Kabel ist preiswerter als ein Smart- oder gar iPhone.
Steckerbelegung (üblicher Kabelfarbe):
  1. GND, d.h. Masse.
  2. L0n, Daten: Lane 0-, d.h. Lane Datenleitung 0 negativ.
  3. L0p, Daten: Lane 0+, d.h. Lane Datenleitung 0 positiv.
  4. ID0, d.h. Identifikation (control 0).
  5. PWR, d.h Power = Stromversorgung.
  6. L1n, Daten: Lane 1-, d.h. Lane Datenleitung 1 negativ.
  7. L1p, Daten: Lane 1+, d.h. Lane Datenleitung 1 positiv.
  8. ID1, d.h. Identifikation (control 1).
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Abb. 02d: USB-Stecker vom Lightning Kabel mit USB v2.0!
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Abb. 02e: Kontakte des USB-Stecker vom Lightning Kabel mit USB v2.0.
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Abb. 02f: Pin-Belegung des USB-Stecker vom Lightning Kabel mit USB v2.0!
Typ C findet diese Steckerform aktuell hauptsächlich bei neuen Smartphones.
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Abb. 03f: USB-Stecker 3.0 Typ C.
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Abb. 03e: Pin-Belegung vom USB-Stecker 3.0 Micro C.

Rechenhilfe

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Abb. 04u: Diagramm der Übertragungsraten
Die für USB angegebene Geschwindigkeit erfolgt meist als Brutto-Datenrate. Die realen Alltagswerte liegen ca. 40% darunter!
Die Übertragungsraten können sehr stark variieren, es kommt auf die Software und Hardware an, von Hersteller zu Hersteller gibt es immer Unterschiede, manche schreiben schneller (write) aber lesen dafür langsam (read). Das sind alles theoretische, Zahlen die, die gegebenen Versionen erreichen könnten, in der Praxis sieht das Leider anders aus.

Wenn Sie wissen möchten, welchen USB-Standard z.B. Ihr USB-Stick benutzt:

  • Kopieren Sie einfach eine 50-100 MByte große Datei darauf, messen Sie die Zeit, die das benötigt
  • Rechnen Sie die Größe der Datei in MByte geteilt durch die Anzahl der benötigten Minuten, Sie erhalten die Geschwindigkeit in MByte pro Minute ("MByte/Min")
  • Sehen Sie auf der Tabelle oben nach, in welchem Bereich USB v1.0, v1.1, v2.0, v3.0, v3.1, v3.2 und v4.0 sich die ausgerechnete Zahl befindet.
Zum Beispiel:
An diesen Beispielen wird mit der theoretischen Übertragungsrate gerechnet, da die Praktische sehr variieren kann. Wenn Sie eine Datei haben, die 100 MByte groß ist und 5 Minuten braucht, um auf Ihren USB-Stick kopiert zu werden;
Rechnen Sie mit der Formel

Zeit t = Speichervolumen V / Transfergeschwindigkeit v = 100 MByte / 20 MByte/Minute = 5 Minuten

USB-Stick "Ultra Line 64 GByte USB 3.0"
lesen schreiben
Angaben des Herstellers 60 MByte/s 25 MByte/s
Transferrate innerhalb 15 min 54,0 GByte 22,5 GByte
Zeit für 5 GByte 1,42 min 3,41 min
Portable "SSD 512 GB USB 3.0"
lesen schreiben
Angaben des Herstellers 320 MByte/s 100 MByte/s
Transferrate innerhalb 15 min 288 GByte 90 GByte
Zeit für 5 GByte 16,0 s 51,2 s

USB 1.0 bis USB 2.0

Technische Daten

  • Maximale Leitungslänge von PC zum USB-Gerät bzw. zum USB-Hub beträgt
    • bei ungeschirmten Leitungen: 3 m und
    • bei geschirmten Leitungen: 5 m.
  • Übertragungsrate
    • Revision 1.1: bis 12 MBit/s. Kann auf bis zu 1,5MBit/s sinken
    • Revision 2.0 : bis zu 480 MBit/s. Kompatibel zu 1.0a.
  • Stecker-Typen:
    • Type A: am PC und HUB-Ausgang
    • Type B: am Gerät, z.B. Scanner, Drucker und Maus.

Steckerformen

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Abb. 01c: Hier sind die beiden USB-Stecker (Typ A und Typ B) zusehen.
Die unterschiedlichen Stecker ( /101/, S. 192 Computer-Kommunikation ) verhindern eine Verwechslung der USB-Leitung.

Y-Kabel (2x A-Stecker zu 1x B-Stecker)

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Abb. 02y: Ein Y-Kabel an USB B v2.0 zur Leistungseinspeisung.

Solche Kabel werden oft für externe USB-Festplatten verwendet. Mit dieser Methode ist ein zusätzliches Netzteil nicht mehr notwendig. In der Praxis hat sich auch herausgestellt, das trotz solch eines Kabels die Stromversorgung oft nicht ausreicht. Der Stecker, welcher 2 Kabel verbindet, ist der sogenannte MAIN. Der 2. Stecker, welcher die Stromversorgung zusätzlich überbrückt, nennt man Aux Power. Bei der Verwendung von Geräten mit solchen Kabeln sollte man folgendes beachten:

  • Beim Anschließen sollte man zu aller erst die 2 Stecker MAIN und Aux Power an den USB-Anschlüssen des Computers anschließen. Darauf folgend schließt man das Gerät an das Kabel an.
  • Bevor man das Gerät trennt, sollte man zuvor (sofern USB-Storage) im Betriebssystem das Gerät Auswerfen. Nun trennt man zuerst das Kabel vom USB-Gerät, danach die Kabel vom PC. Es ist also die umgekehrte Reihenfolge vom Anschließen.
  • Beachtet man diese Vorgehensweise bei einem USB-Gerät mit Y-Kabel nicht, kann es zu Schäden am USB-Controller des Computers führen, da ein USB-Port allein das Gerät mit > 500mA betreiben müsste.

Kontakte und Pin-Belegung

Die Pin-Belegung ist bei dem USB-Stecker vom Typ A in einer Reihe angeordnet, während bei dem Stecker vom Typ B, sie sich paarweise gegenüberliegen.
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Abb. 01k: USB-Stecker vom Typ A
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Abb. 01d: USB-Stecker vom Typ B
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Abb. 01g: So sieht das USB-Kabel innen aus.
Tabelle: Belegung der USB-Stecker vom Typ A und B.
Pin Farbe Funktion
1 rot Vb = +5V
2 weiß D- = Datensignal -
3 grün D+ = Datensignal +
4 schwarz GND (Masse) = 0V
Die Belegung bei dem Adern-Farben sind bei den USB-Stecker vom Typ A und B gleich.

Leistungsangebot

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Abb. 01g: Treppenförmiger Verlauf der Gewährung bei Strombedarf.
Beispiel einer Einfachen Rechnung:
Ein USB Anschluss liefert 5 V und das Netzteil hat eine Leistung von 12 Watt.
Nun rechnen wir die 12 Watt durch die 5V. Die Formel lautet:

Strom I = P/U = 12 W / 5 V = 2,4 A.


Das bedeutet, dass der Ladestrom 2,4 A beträgt.

Das zurzeit maximale Angebot liegt bei 20 V mit 5 A an USB 4.0 Anschluss.
die Spannung 5 V muss dabei innerhalb einer Toleranz von 5% bleiben. Das heißt von 4,75 V bis 5,25 V, Ausnahme ist bei USB 4.0, das es seid 2019 vereinzelt gibt, kann eine Spannung von 5 V, 12 V oder 20 V haben.
Ein USB 2.0 Anschluss liefert bis zu 500 mA, im Gegenzug liefert ein USB 3.0 Anschluss bis zu 900 mA, damit auch Geräte mit großem Stromverbrauch verwendet werden können.
  • Generell bekommt jedes angeschlossenen Gerät +5V/0,1A geliefert.
  • Benötigt es mehr?
    • Muss es dies per Datenaustausch beim Computer = Host beantragen.
    • Bsp. mit 5V/0,5A
      Es bekommt 0,002A mehr. dieses Reicht das,es ist in Ordnung. Wenn nicht dann zurück zur nächsten Beantragung.
    Somit kann es durch maximal 200 Anträgen weiter 0,4A erhalten und damit das Maximum von I=0,1A+0,4A=0,5A.
Tabelle: Stromverbrauch von USB v2.0 - Geräten.
Gerätetyp Stromverbrauch (Leerlauf) Stromverbrauch (Last)
USB-Hub (passiv) 4 mA 10 mA
Notebook-Maus 20 mA 52 mA
Desktop-Maus 28 mA 62 mA
USB-Stick (USB 2.0) 50 mA 72 mA
USB-Stick (USB 3.0) 184 mA 266 mA
DVB-T-Stick 54 mA 180 mA
DVD-Brenner (USB 2.0) 116 mA 680 mA
USB-Festplatte (2,5 Zoll) 548 mA 700 mA

Vorteil: Defekte Geräte können dem Host nicht zerstören, da dieser beim Start nur 5V*0,1A=0,5W auszuhalten hat.
Zum Vergleich ein Kohleschicht-Widerstand kann 0,1W und ein Metallschicht-Widerstand kann 0,6W Verlustleitung ertragen.

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