Datenübertragung

USB: Das universelle Datenübertragungssystem

Mit dem USB-Daten­über­tra­gungs­system können verschie­denste Geräte an einen Computer ange­schlossen und auf diese Weise Energie und Daten über­tragen werden. Ebenso können Geräte mitein­ander verbunden werden.

Kurzer Über­blick über die Geschichte von USB

USB ist die Abkür­zung für "Universal Serial Bus" und ist ein seri­elles Über­tra­gungs­system zur Verbin­dung von (Peri­pherie-)Geräten wie Maus, Tastatur, Drucker und ähnli­cher Hard­ware mit einem Computer oder von Geräten unter­ein­ander. Neben Daten­über­tra­gung dient USB auch zur Ener­gie­über­tra­gung. Seriell bedeutet, dass - im Gegen­satz zur paral­lelen Über­tra­gung - digi­tale Daten nur über eine Leitung über­tragen werden. Bei paral­leler Über­tra­gung werden Daten dagegen synchron über mehrere Leitungen über­tragen.

USB: Das universelle Datenübertragungssystem USB: Das universelle Datenübertragungssystem
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Die erste Version USB 1.0 wurde von den Unter­nehmen Compaq, DEC, Intel, IBM, Micro­soft, NEC und Nortel in Zusam­men­arbeit entwi­ckelt und 1996 einge­führt. Ziel war ein einheit­licher Anschlusstyp für Eingabe- und andere Peri­phe­rie­geräte. 1998 wurde bereits eine über­arbei­tete Version 1.1 vorge­stellt, die Fehler und Unklar­heiten besei­tigte sowie erste kleine Neue­rungen beinhal­tete. Die darauf folgenden Spezi­fika­tionen wurden in Abständen von einigen Jahren vom 1995 gegrün­deten und auch heute noch dafür zustän­digen USB Imple­menters Forum (USB-IF) veröf­fent­licht, das sich die Förde­rung und Verwal­tung von USB zum Ziel gesetzt hat.

Spezi­fika­tion1) Jahr Maxi­male
Nutz-Daten­rate
Maxi­male
Leis­tung
USB 1.0 1996 1 MB/s 0,5 W
USB 2.0 2000 40 MB/s 2,5 W
USB 3.0 2008 1,8 GB/s 15 W
USB 4.0 2019 40 GB/s 100 W2)
Stand: November 2021, Angaben ohne Gewähr.
1) Zwischen­ver­sionen werden hier nicht berück­sich­tigt.
2) Voraus­set­zung ist USB-PD.
Die Eigen­schaften der verschie­denen Stecker und Buchsen wurden wiederum in eigenen Spezi­fika­tionen fest­gelegt, beispiels­weise für USB Typ-A und Typ-B mit ihren jewei­ligen Stecker- und Buchsen-Varia­tionen sowie die 2014 fertig­gestellte und 2016 von der IEC (Inter­national Elec­tro­tech­nical Commis­sion, auf Deutsch: Inter­natio­nale Elek­tro­technik Kommis­sion) ange­nom­mene USB-C-Spezi­fika­tion. Darüber hinaus gibt es noch die Spezi­fika­tionen USB-PD (USB Power Deli­very) und USB-BC (USB Battery Char­ging). Die Beson­der­heiten von USB-C und weiteren in diesem Zusam­men­hang wich­tigen Spezi­fika­tionen werden in den folgenden Abschnitten genauer beleuchtet.

Unter­schei­dung zwischen Host und Client

Bei Verbin­dung von USB-C-Geräten ist unter Umständen auf die beab­sich­tigte Rich­tung der Ener­gie­über­tra­gung ("Laden") zu achten. Da bei USB-C nicht durch entspre­chende Kabel bzw. Stecker und Buchse zwischen Host und Client unter­schieden werden kann (wie z. B. auch bei HDMI- und RJ45-Kabel), ist die durch die Verbin­dung beab­sich­tige Über­tra­gung von Energie oder durchaus auch Daten nicht immer möglich - beispiels­weise bei Verbin­dung zwischen Host und Host oder Client und Client (z. B. bei Verbin­dung von Smart­phone und Tablet oder Smart­phone und Smart­phone). Im Folgenden werden kurz weitere Details sowie Unter­schiede und Abhän­gig­keiten zwischen Energie- und Daten­über­tra­gung beleuchtet.

Was die Daten­über­tra­gung angeht, gibt es vier verschie­dene "Rollen", die ein Gerät einnehmen kann. Diese sind "keine Daten", "down­stream facing port (DFP)" - das Gerät sendet Daten (wie USB-Typ-A-Port, z. B. am Computer) -, "upstream facing port (UFP)" - das Gerät empfängt Daten (wie USB-Typ-B-Port, z. B. am Handy) - und schließ­lich "dual role data (DRD) port".

Ener­gie­ver­sor­gung und Confi­gura­tion Channel

Für die Ener­gie­ver­sor­gung über USB-C ist die USB-PD-Spezi­fika­tion, die vom eigent­lichen USB-Stan­dard unab­hängig ist, zuständig. USB-PD ermög­licht die Über­tra­gung von Leis­tungen von bis zu 100 W (maximal 5 Ampère bei 20 Volt) über USB. Das entspre­chende Proto­koll handelt mithilfe eines im Kabel (genauer: im Stecker) inte­grierten Chip aus, wie groß die erlaubte Leis­tung sein darf: Die Quelle ("provider" oder "source") liefert dem Verbrau­cher ("consumer" oder "sink") die mögli­chen Span­nungs- und Strom­stär­kewerte, der Verbrau­cher sucht sich davon etwas aus und fordert dies dann von der Quelle an. Neben diesen beiden Rollen gibt es mit "dual role power (DRP) port" noch eine dritte. Hinter USB-PD steckt die Idee, neben Smart­phones und Tablets auch Laptops per USB zu laden und so ein univer­selles Lade­gerät zu erhalten. Nach der Aushand­lung der Ener­gie­ver­sor­gung wird auch die Über­tra­gungs­geschwin­dig­keit für Daten entspre­chend ausge­han­delt.

Sowohl die Rolle der ange­schlos­senen Geräte als auch die maximal zu über­tra­gende Leis­tung wird also von USB-PD ausge­han­delt. Dies geschieht über Daten­pakete, die über den "Confi­gura­tion Channel" (CC) gesendet werden. Wie unten zu sehen ist, hat die USB-C-Buchse im Gegen­satz zum Stecker nur einen CC-Pin, wodurch der Eindruck entstehen könnte, dass die Orien­tie­rung doch nicht egal ist. Hier kommt jedoch wieder der CC ins Spiel: Er prüft, wie der Stecker in die Buchse gesteckt wurde, woraufhin der USB-Host-Controller die Buchse entspre­chend beschaltet.

USB-C-Buchse-Pin-Belegung USB-C-Buchse-Pin-Belegung
Bild: Benson Leung (https://medium.com/@leung.benson)

USB-C-Stecker-Pin-Belegung USB-C-Stecker-Pin-Belegung
Bild: https://www.elektronik-kompendium.de/

Da nun also sowohl Hosts als auch Clients die gleiche Buchse haben, wird Folgendes fest­gelegt: Was früher eine Typ-A-Buchse war, ist jetzt DFP (Daten werden gesendet), und was früher eine Typ-B-Buchse war, ist jetzt UFP (Daten werden empfangen). Diese Fest­legung geschieht über Wider­stände (auf Englisch.: resis­tors) im CC. DFP bekommt einen "pull-up resistor" (Rp) zwischen CC-Pin und 5V-Pin, UFP bekommt einen "pull-down resistor" (Rd) zwischen CC-Pin und Gnd-Pin (Gnd: "Ground", also auf Deutsch: Erde). Wird nun ein USB Host mit einem USB Clienten verbunden, ensteht eine Verbin­dung zwischen den CC-Pins auf beiden Seiten und der CC sorgt für die korrekte Fluss­rich­tung.

USB-PD-Profile, PPS und PD-Probleme

Der bereits oben erwähnte Chip im Stecker der USB-C Kabels enthält verschie­dene Lade­pro­file, wobei Eigen­schaften des verwen­deten Kabels berück­sich­tigt werden. Die USB-PD-Spezi­fika­tion sieht fünf Profile vor, von denen eines nach den Eigen­schaften der Geräte ausge­han­delt wird. Durch Profil 1 wird eine Leis­tung von 10 Watt bereit­gestellt. Es ist das Stan­dard-Profil beim Anschließen des Geräts sowie für das Laden von kleinen mobilen (End-)Geräten, Smart­phones und Vergleich­barem. Wird durch die Aushand­lung Profil 2 gewählt, beträgt die maxi­male Leis­tung bereits 18 Watt und ist damit für Tablets, kleine Laptops und Ähnli­ches geeignet. Das Profil 3 wird eben­falls für kleine Laptops und zusätz­lich größere Endge­räte mit einer maxi­malen Leis­tung von 36 Watt ausge­han­delt. Für größere Laptops, Hubs, Docking-Stations und andere Geräte dieser Dimen­sion wird das Profil 4 mit einer maxi­malen Leis­tung von 60 Watt benö­tigt. Zu guter Letzt steht im Falle der Aushand­lung des Profils 5 eine maxi­male Leis­tung von 100 Watt eben­falls z. B. für Hubs, Docking-Stations und über­dies für Work­sta­tions o. Ä. zur Verfü­gung. Ab Profil 2 werden spezi­elle Kabel benö­tigt, die bisher übli­chen Kabel sind für die Strom­stärken und Span­nungen nicht ausge­legt.

Die PPS - Programmable Power Supply (auf Deutsch: program­mier­bare Ener­gie­ver­sor­gung) - ist die USB-PD-Spezi­fika­tion in der Version 3.0 und der erste offi­zielle Schnell­lade-Stan­dard. Dieser erlaubt es USB-Netz­teilen, nicht nur feste Stufen ober­halb von 5 Volt bereit­zustellen, sondern dyna­misch breite Span­nungs­inter­valle zu durch­laufen, sodass das Netz­teil die Span­nung bedarfs­gerecht in kleinen Schritten regelt.

Was sich in der Theorie gut anhört, muss noch lange nicht in der Praxis funk­tio­nieren. Damit Daten- und Ener­gie­über­tra­gung so funk­tio­nieren wie beab­sich­tigt, müssen alle Geräte inklu­sive Kabel aufein­ander abge­stimmt sein - und das ist bei der Menge an verschie­denen Herstel­lern, Geräten, Kabeln und den sich daraus erge­benden Kombi­nati­ons­mög­lich­keiten alles andere als einfach. Es kann also zu unvor­her­seh­barem Verhalten kommen, wie auch der nächste Abschnitt exem­pla­risch zeigt. Ob diese Probleme in naher Zukunft gelöst werden können, bleibt also abzu­warten. USB-C-Energie USB-C-Energie
Bild: https://www.rohm.de/

Client-zu-Client- und andere Verbin­dungen

Da USB-PD und der CC bei fest defi­niertem Host und Client die gewünschte Fluss­rich­tung herstellen, sollte es zu keinerlei Problemen bei Daten- und Ener­gie­über­tra­gung kommen, wenn nur USB-C-Geräte und -Kabel benutzt werden. Nun bleibt also die Frage was passiert, wenn andere Verbin­dungs­kom­bina­tionen, unter anderem auch mit Hubs oder Ähnli­chem, reali­siert werden. Da die mögli­chen Kombi­nationen mannig­faltig sind, wird sich hier auf einige wich­tige Beispiele beschränkt. Da es noch viele Typ-A- und Typ-B Clients und Hosts gibt, ist diese Betrach­tung mit am inter­essan­testen. Aufschluss­reich ist es zudem zu beob­achten, wie sich zwei USB-C-Geräte glei­cher Art bei direkter Verbin­dung mit entspre­chendem USB-C-Kabel verhalten. In Foren, Blogs und anderen Orten im Internet gibt es bereits einige Erfah­rungs­berichte. So wird beim Zusam­men­schluss eines Smart­phones mit USB-C-Buchse mit einem Tablet mit USB-C-Buchse durch ein USB-C-Kabel immer das Smart­phone durch das Tablet geladen (es ist davon auszu­gehen, dass eines der mitge­lie­ferten Kabel benutzt wird, also USB-PD und CC vorhanden sind). Bei Verwen­dung eines "USB-C-OTG-Adap­ters" und eines dann benö­tigten A-Steckers auf USB-C-Stecker kann es vorkommen, dass das vermeint­lich klei­nere Smart­phone das Tablet lädt.

USB-C-Adapter USB-C-Adapter
Bild: https://www.rohm.de/

Während also alles wie gewünscht läuft wenn nur USB-C-Geräte und -Kabel an Verbin­dungen betei­ligt sind, kommt es bei einer Mischung darauf an, welche Kabel und Adapter verwendet werden. Es gibt zwei Arten von Kabeln/Adap­tern: Legacy-Host-Adapter (Typ-A-Stecker oder Micro-B-Buchse auf Typ-C-Stecker) und Legacy-Device-Adapter (Micro-B-Stecker oder Typ-A-Buchse auf Typ-C-Stecker). Diese sollten die korrekten Wider­stände haben, damit sich die beab­sich­tigten Rollen entspre­chend einstellen. Das würde bedeuten, dass im Falle von Legacy-Host-Port-Adap­tern Energie und Daten immer zum Typ-C-Stecker fließen, im Falle von Legacy-Device-Port-Adap­tern immer vom Typ-C-Stecker weg. All das zeigt also, dass bis zu einem problem­losen Zusam­men­schließen und Laden verschie­dener Geräte oder einem univer­sellen Lade­gerät für alle ange­schlos­senen Geräte noch ein weiter Weg ist.