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USB - Universal Serial Bus

Umfassend Informationen über USB. Enthalten sind Informationen über Stecker, Übertragungsraten und die verschiedenen Versionen von USB und dem Strombedarf.

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Allgemeines

Universeller serieller Bus (Universal Serial Bus), kurz USB.
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 (bis zu 0,5 A) ihren Strom komplett über die USB-Schnittstelle beziehen können.
Die Übertragungsrate erlaubt sogar den Betrieb eines ISDN-Primärmultiplexadapters. ( /101/, S. 190 Computer-Kommunikation )

Die Schnittstelle wurde stetig weiterentwickelt, so dass wir heute mehrere Versionen von USB zur Verfügung haben. Diese sind:

  • USB 1.0
  • USB 1.1
  • USB 2.0

Außerdem ist derzeit ein Wireless-USB in der Entwicklung.



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Übertragungsraten

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
usb01a
Merke: Selbst wenn die Datenleitung unendlich schnell senden könnte, bremst ein langsam schreibender USB-Stick schnell die effektive Geschwindigkeit.

Rechenhilfe

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 dem Diagramm unten nach, in welchem Bereich USB v1.0, v1.1 oder v2.0 sich die ausgerechnete Zahl befindet.
usb01b.gif Abb 01b: Diagramm der Übertragungsraten
Zum Beispiel:
Wenn Sie eine Datei haben, die 100 MByte groß ist und 5 Minuten braucht, um auf Ihren USB-Stick kopiert zu werden;
Rechnen Sie
     100 MByte
   = --------------------   =   5 Minuten
     20 MByte/Minute
    

Sie sehen im Diagramm nach und sehen, dass 20 MByte/Min im Bereich USB 1.1 liegt. Also hat Ihr USB-Stick einen Anschluss vom Typ 1.1.




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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

usb01c.jpg 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.

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.
usb01d.jpg Abb 01d: USB-Stecker vom Typ A
usb01e.jpg Abb 01e: USB-Stecker vom Typ B
Die Belegung bei den Ardern-Farben sind bei den USB-Stecker vom Typ A und B gleich.
usb01f.jpg Abb 01f: So sieht das USB-Kabel innen aus.
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


Energieangebot

usb01g.gif Abb 01g: Treppenförmiger Verlauf der Gewährung bei Strombedarf.

Das zur Zeit maximale Angebot liegt bei +5V/0,5mA und entspricht damit P=5V*0,5A=2,5AV=2,5W. Die Spannung U=5V muss dabei innerhalb einer Toleranz von 5% bleiben. Das heißt von 4,75V bis 5,25V.

Wie kann ein angeschlossenes Gerät dieses Angebot nutzen?
  • Generell bekommt jedes angeschlossenen Gerät +5V/0,1A geliefert.
  • Benötigt es mehr?
    • Muss es dies per Datenaustausch beim Computer = Host beantragen.
    • Es bekommt 0,002A mehr. Reicht das, ist alles Ok. Wenn nicht dann zurueck 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.

Vorteil: Defekte Geräte können den 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.

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

usb01h.png Abb 01h: Ein Weichenkabel (oft bei ext. HDDs verwendet)

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.