USB

In diesem Artikel geht es um den Computerbusstandard. Für das tragbare USB -Speichergerät siehe USB-Stick. Für andere Verwendungen siehe USB (Disambiguierung).
Universeller Serienbus
Certified USB.svg

USB-Steckerformen.jpg
Zertifizierter Logo und USB -Anschluss: USB-Typ-A, zwei USB Typ-B Anschlüsse, Mini B -Anschluss, Mikro -B -Anschluss.
Typ Bus
Produktionsgeschichte
Designer
Entworfen Januar 1996; Vor 26 Jahren
Produziert Seit Mai 1996[1]
Abgelöst Serielle Schnittstelle, Parallele Port, Spielport, Apple Desktop Bus, PS/2 Port, und Firewire (IEEE 1394)

Universeller Serienbus (USB) ist ein Industriestandard Das legt Spezifikationen für Kabel, Anschlüsse und festgelegt Protokolle für Verbindung, Kommunikation und Stromversorgung (Schnittstelle) zwischen Computern, Peripheriegeräte und andere Computer.[2] Eine große Auswahl an USB -Hardware existiert, einschließlich 14 verschiedener Steckertypen, von welchem USB-C ist der jüngste und der einzige, der derzeit nicht veraltet ist.

Die USB -Standards, die 1996 erstmals veröffentlicht wurden, werden von der aufrechterhalten USB -Implementiererforum (USB-wenn). Die vier Generationen von USB sind: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x, und USB4.[3]

Überblick

USB wurde entwickelt, um die Verbindung von zu standardisieren Peripheriegeräte an Personalcomputer, beide mit der Kommunikation mit Elektrikleistung und zur Stromversorgung. Es hat weitgehend Schnittstellen wie ersetzt wie serielle Ports und Parallele Portsund ist auf einer Vielzahl von Geräten alltäglich geworden. Beispiele für Peripheriegeräte, die über USB verbunden sind, umfassen Computer -Tastaturen und Mäuse, Videokameras, Drucker, tragbare Medienspieler, mobile (tragbare) digitale Telefone, Festplatten und Netzwerkadapter.

USB -Anschlüsse haben andere Typen als Ladekabel tragbarer Geräte zunehmend ersetzt.

Schnellreferenz vom Anschlusstyp

Hauptartikel: USB -Hardware § Stecker
Verfügbare Anschlüsse nach USB -Standard
Standard USB 1.0
1996 		USB 1.1
1998 		USB 2.0
2001 		USB 2.0
Überarbeitet		 USB 3.0
2008 		USB 3.1
2013 		USB 3.2
2017 		USB4
2019
Maximale Übertragungsrate 12 Mbit / s 480 Mbit / s 5 Gbit / s 10 Gbit / s 20 Gbit / s 40 Gbit / s
Geben Sie einen Stecker ein USB Type-A receptacle White.svg USB Type-A receptacle Black.svg USB 3.0 Type-A receptacle blue.svg Veraltet
Typ B -Anschluss USB Type-B receptacle.svg USB 3.0 Type-B receptacle blue.svg Veraltet
Typ C -Anschluss - USB Type-C Receptacle Pinout.svg
USB-C (vergrößert)
Mini-A-Anschluss - USB Mini-A receptacle.svg Veraltet
Mini-B-Anschluss - USB Mini-B receptacle.svg Veraltet
Mini-AB-Anschluss - USB Mini-AB receptacle.svg Veraltet
Micro-A-Anschluss - USB 3.0 Micro-A.svg Veraltet
Mikro-B-Anschluss - USB 3.0 Micro-B receptacle.svg Veraltet
Mikro-AB-Anschluss - USB Micro-AB receptacle.svg USB micro AB SuperSpeed.png Veraltet

Ziele

Der universelle Serienbus wurde entwickelt, um die Schnittstelle zwischen Personalcomputern und peripheren Geräten wie Mobiltelefonen, Computerzubehör und Monitoren zu vereinfachen und zu verbessern, im Vergleich zu zuvor vorhandenen Standards oder ad hoc Proprietäre Schnittstellen.[4]

Aus Sicht des Computerbenutzers verbessert die USB -Schnittstelle die Benutzerfreundlichkeit auf verschiedene Weise:

  • Die USB-Schnittstelle ist selbstkonfiguriert und beseitigt, dass der Benutzer die Einstellungen des Geräts für Geschwindigkeits- oder Datenformat oder Konfiguration anpassen muss Interrupts, Eingangs-/Ausgabeadressen oder Direktspeicherzugriffskanäle.[5]
  • USB -Anschlüsse sind am Host standardisiert, sodass jeder Peripheriegerät die meisten verfügbaren Behälter verwenden kann.
  • USB nutzt die zusätzliche Verarbeitungsleistung, die wirtschaftlich in periphere Geräte einbringen, so dass sie sich selbst verwalten können. Daher haben USB-Geräte häufig keine benutzerfeindlichen Schnittstelleneinstellungen.
  • Die USB -Schnittstelle ist heiß-swappbar (Geräte können ausgetauscht werden, ohne den Host -Computer neu zu starten).
  • Kleine Geräte können direkt von der USB -Schnittstelle ausgeschaltet werden, wodurch zusätzliche Stromversorgungskabel erforderlich sind.
  • Weil die Verwendung des USB -Logos erst danach gestattet ist AnforderungsprüfungDer Benutzer kann zuversichtlich sein, dass ein USB -Gerät ohne umfassende Interaktion mit Einstellungen und Konfiguration wie erwartet funktioniert.
  • Die USB -Schnittstelle definiert Protokolle zur Wiederherstellung von gemeinsamen Fehlern und verbessert die Zuverlässigkeit über frühere Schnittstellen.[4]
  • Die Installation eines Geräts, das auf dem USB -Standard angewiesen ist, erfordert eine minimale Bedieneraktion. Wenn ein Benutzer ein Gerät in einen Port auf einem laufenden Computer anschließt, konfiguriert es entweder automatisch mithilfe der vorhandenen Gerätetreiberoder das System fordert den Benutzer auf, einen Treiber zu lokalisieren, der dann automatisch installiert und konfiguriert wird.

Der USB -Standard bietet auch mehrere Vorteile für Hardwarehersteller und Softwareentwickler, insbesondere für die relative Implementierung:

  • Der USB -Standard beseitigt die Anforderung, proprietäre Schnittstellen zu neuen Peripheriegeräten zu entwickeln.
  • Die breite Palette der Übertragungsgeschwindigkeiten, die von einem USB -Schnittstellengeräte verfügbar sind, reichen von Tastaturen und Mäusen bis hin zu Streaming -Video -Schnittstellen.
  • Eine USB -Schnittstelle kann so konzipiert werden, dass sie die besten verfügbaren bieten Latenz Für zeitkritische Funktionen oder können eingerichtet werden, um Hintergrundübertragungen von Massendaten mit geringen Auswirkungen auf die Systemressourcen durchzuführen.
  • Die USB -Schnittstelle ist verallgemeinert, ohne dass nur eine Funktion eines Geräts gewidmet ist.[4]

Einschränkungen

Wie bei allen Standards besitzt USB mehrere Einschränkungen für das Design:

  • USB-Kabel sind begrenzt, da der Standard für Peripheriegeräte auf derselben Tabelle vorgesehen war, nicht zwischen Räumen oder Gebäuden. Ein USB -Anschluss kann jedoch an a angeschlossen werden Tor Das greift auf entfernte Geräte auf.
  • Die USB -Datenübertragungsraten sind langsamer als die anderen Verbindungen wie z. 100 Gigabit -Ethernet.
  • USB hat streng Baumnetzwerk Topologie und Master/Sklave Protokoll zur Behandlung von peripheren Geräten; Diese Geräte können nur über den Host miteinander interagieren, und zwei Hosts können nicht direkt über ihre USB -Anschlüsse kommunizieren. Eine gewisse Erweiterung dieser Einschränkung ist durch möglich USB on the-Go In Dual-Rollen-Geräten[6] und Protokollbrücke.
  • Ein Host kann keine Signale auf alle Peripheriegeräte gleichzeitig übertragen - seien einzeln individuell angegangen werden.
  • Während Konverter zwischen sicheren existieren Legacy -Schnittstellen Und USB bieten möglicherweise keine vollständige Implementierung der Legacy -Hardware. Beispielsweise kann ein USB-to-Parallel-Port-Konverter gut mit einem Drucker funktionieren, jedoch nicht mit einem Scanner, der die bidirektionale Verwendung der Datenstifte erfordert.

Für einen Produktentwickler erfordert die Verwendung von USB die Implementierung eines komplexen Protokolls und impliziert einen "intelligenten" Controller im peripheren Gerät. Entwickler von USB -Geräten, die für den öffentlichen Verkauf im Allgemeinen vorgesehen sind USB -Implementiererforum (USB-wenn). Entwickler von Produkten, die die USB-Spezifikation verwenden, müssen eine Vereinbarung mit dem USB-IF unterzeichnen. Die Verwendung der USB -Logos für das Produkt erfordert jährliche Gebühren und Mitgliedschaft in der Organisation.[4]

Geschichte

Large circle is left end of horizontal line. The line forks into three branches ending in circle, triangle and square symbols.
Der grundlegende USB Dreizack Logo[7]
USB-Logo auf dem Kopf eines Standard-USB-A-Steckers

Eine Gruppe von sieben Unternehmen begann 1995 mit der Entwicklung von USB:[8] Compaq, Dez, IBM, Intel, Microsoft, NEC, und Nortel. Ziel war es, es grundsätzlich einfacher zu machen, externe Geräte mit PCs zu verbinden, indem die Vielzahl der Anschlüsse an der Rückseite von PCs ersetzt, die Usability -Probleme vorhandener Schnittstellen behandelt und die Softwarekonfiguration aller mit USB verbundenen Geräte vereinfacht und größere zulässt Datenübertragungsraten für externe Geräte und Stecker und Spiel Merkmale.[9] Ajay Bhatt und sein Team arbeitete am Standard bei Intel;[10][11] Der Erste integrierte Schaltkreise Die Unterstützung von USB wurde 1995 von Intel produziert.[12]

Joseph C. Decuir, ein amerikanischer Stipendiat des Instituts für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE) und einer der Designer des frühen Atari 8-Bit-Spiel- und Computersystems (Atari VCS, Atari 400/800) sowie der Commodore Amiga, schreibt ihm gut ab Arbeit an Atari Sio, Die Kommunikationsinimpomentierung des Atari 8-Bit-Computers als Grundlage für den USB-Standard, den er auch bei der Gestaltung half und auf dem er Patente hält.[13]

Ab 2008Rund 6 Milliarden USB -Häfen und Schnittstellen befanden sich auf dem globalen Markt, und jedes Jahr wurden rund 2 Milliarden verkauft.[14]

USB 1.x

Veröffentlicht im Januar 1996, USB 1.0 Angaben Signalraten von 1,5 Mbit/s (Niedrige Bandbreite oder Langsame Geschwindigkeit) und 12 mbit/s (Vollgas).[15] Aufgrund von Zeit- und Leistungsbeschränkungen erlaubte es keine Verlängerungskabel oder Durchgangsmonitore. Nur wenige USB -Geräte schafften es auf den Markt, bis der USB 1.1 im August 1998 veröffentlicht wurde. USB 1.1 war die früheste Überarbeitung, die weit verbreitet war und zu dem führte, was Microsoft als "als" bezeichnet hat "führte"Legacy-Free PC".[16][17][18]

Weder USB 1.0 noch 1.1 gaben ein Design für jeden Stecker angegeben Miniaturverbinder, als hätten sie eine zusammengebundene Verbindung (dh kein Stecker oder Steckdose am peripheren Ende). Es gab keinen Anschluss an Miniatur -Typ A, bis USB 2.0 (Revision 1.01) einen einführte.

USB 2.0

Das Hochgeschwindigkeits-USB-Logo
Ein USB 2.0 PCI Erweiterungskarte

USB 2.0 wurde im April 2000 veröffentlicht und fügte ein höheres Maximum hinzu Signalrate von 480 mbit/s (maximal theoretischer Datendurchsatz 53 mbyte/s[19]) genannt Schnelle Geschwindigkeit oder Grosse Bandbreitezusätzlich zum USB 1.x Vollgas Signalrate von 12 Mbit/s (maximale theoretische Datendurchsatz 1,2 mbyte/s[20]).

Änderungen an der USB -Spezifikation wurden über vorgenommen Benachrichtigungen über technische Änderungen (ECNS). Die wichtigsten dieser ECNs sind in das USB 2.0 -Spezifikationspaket enthalten, das von USB.org erhältlich ist:[21]

  • Mini-A- und Mini-B-Stecker
  • Micro-USB-Kabel und Steckerspezifikation 1.01
  • Interchip USB Ergänzung
  • Nahrungsergänzungsmittel 1.3 USB on the-Go Ermöglicht es zwei USB -Geräten, miteinander zu kommunizieren, ohne einen separaten USB -Host zu verlangen
  • Batterieladung Spezifikation 1.1 Unterstützung für engagierte Ladegeräte, Host -Ladegeräteverhalten für Geräte mit toten Batterien
  • Batterie -Ladungsspezifikation 1.2:[22] Mit einem erhöhten Strom von 1,5 a auf Ladeanschlüssen für nicht konfigurierte Geräte, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglichen und gleichzeitig einen Strom von bis zu 1,5 a haben
  • Link Power Management Addendum ECN, was a fügt a schlafen Machtzustand
  • USB 2.0 VBUS Max Limiterhöhte die maximal zulässige V_Bus-Spannung von 5,25 V auf 5,50 V, um sich mit der USB-Typ-C-Spezifikation auszurichten, die gleichzeitig freigegeben wurde.

USB 3.x

Hauptartikel: USB 3.0
Das Superspeed USB -Logo

Die USB 3.0-Spezifikation wurde am 12. November 2008 veröffentlicht, wobei das Management von USB 3.0 Promoter Group auf das USB Implementierer Forum (USB-IF) überging, und am 17. November 2008 auf der Superspeed USB Developers Conference bekannt gegeben.[23]

USB 3.0 fügt a hinzu Superspeed Übertragungsmodus mit zugehörigen rückwärtskompatiblen Steckern, Behälter und Kabeln. Supersspeed -Stecker und -behälter werden mit einem unterschiedlichen Logo und blauen Einsätzen in Standardformatbehälter identifiziert.

Der Superspeed -Bus bietet zusätzlich zu den drei vorhandenen Übertragungsmodi einen Übertragungsmodus mit einem Nennsatz von 5,0 GBBit/s. Seine Effizienz hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich physischer Symbolcodierung und Verbindungsstufe. Bei einer Signalrate von 5 Gbit/s mit 8B/10B -KodierungJeder Byte benötigt 10 Bit, um zu übertragen, sodass der Rohdurchsatz 500 MB/s beträgt. Bei der Durchflussregelung, der Paketrahmen und des Protokollaufwands ist es realistisch für 400 MB/s (3,2 GBIT/s) oder mehr, um an eine Anwendung zu übertragen.[24]: 4–19 Kommunikation ist Vollduplex im SUPERSPEED -Übertragungsmodus; Frühere Modi sind halb Duplex, vom Host geschützt.[25]

USB-A 3.1 Gen 1 (früher bekannt als USB 3.0; später in USB 3.2 Gen 1x1) Ports

Geräte mit geringer Leistung und Hochleistungen bleiben mit diesem Standard betriebsbereit, aber Geräte, die Supersspeed verwenden, können den erhöhten verfügbaren Strom zwischen 150 und 900 mA nutzen.[24]: 9–9

USB 3.1, veröffentlicht im Juli 2013, hat zwei Varianten. Der erste bewahrt USB 3.0er Superspeed Übertragungsmodus und ist gekennzeichnet USB 3.1 Gen 1,[26][27] und die zweite Version führt eine neue vor Superspeed+ Übertragungsmodus unter dem Etikett von USB 3.1 Gen 2. Superspeed+ verdoppelt das Maximum Datensignalrate auf 10 gbit/s, während die Linienkodierung von Overhead auf nur 3% reduziert wird, indem die Leitung durch Ändern der Codierungsschema zu 128b/132b.[26][28]

USB 3.2, veröffentlicht im September 2017,[29] Bewahrt bestehende USB 3.1 Superspeed und Superspeed+ Datenmodi, aber zwei neue Einführungen einführen Superspeed+ Übertragungsmodi über die USB-C Anschluss mit Datenraten von 10 und 20 Gbit/s (1,25 und 2,5 GB/s). Die Erhöhung der Bandbreite ist ein Ergebnis des mehrspurigen Betriebs über vorhandene Drähte, die für Flip-Flop-Funktionen des USB-C-Anschlusses bestimmt waren.[30]

USB 3.0 stellte auch die vor Uasp Protokoll, das im Allgemeinen schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten bietet als das BOT-Protokoll (nur BOT-Transfer).

Namensschema

Ein Überblick über das neue Namensschema für USB 3.2.

Beginnend mit dem USB 3.2-Standard führte USB-IF ein neues Namensschema ein.[31] Um Unternehmen beim Branding der verschiedenen Transfermodi zu helfen, werden USB-IF empfohlen SUPERSPEED USB 5GBPS, SUPERSPEED USB 10 GBPS, und SUPERSPEED USB 20 GBPS, beziehungsweise.[32]

USB4

Hauptartikel: USB4
The certified USB4 40Gbps logo
The USB4 40Gbps trident logo
Das zertifizierte USB4 40Gbit / s -Logo und Dreizack Logo

Die USB4 -Spezifikation wurde am 29. August 2019 vom USB Implementers Forum veröffentlicht.[33]

USB4 basiert auf dem Thunderbolt 3 Protokoll.[34] Es unterstützt 40 Gbit/s -Durchsatz, ist mit Thunderbolt 3 kompatibel und rückwärts kompatibel mit USB 3.2 und USB 2.0.[35][36] Die Architektur definiert eine Methode, um einen einzelnen Hochgeschwindigkeits-Link mit mehreren Endgerätetypen dynamisch zu teilen, die die Datenübertragung nach Typ und Anwendung am besten dienen.

Die USB4 -Spezifikation besagt, dass die folgenden Technologien von USB4 unterstützt werden sollen:[33]

Verbindung Obligatorisch für Bemerkungen
Gastgeber Hub Gerät
USB 2.0 (480 mbit/s) Ja Ja Ja Im Gegensatz zu anderen Funktionen-die das Multiplexing von Hochgeschwindigkeitsverbindungen verwenden-verwendet USB 2.0 über USB-C ein eigenes Differentialpaar von Drähten.
USB4 Gen 2 × 2 (20 gbit/s) Ja Ja Ja Ein USB 3.0-markiertes Gerät arbeitet immer noch über einen USB4-Host oder Hub als USB 3.0-Gerät. Die Geräteanforderung von Gen 2x2 gilt nur für die neuen USB4-Geräte.
USB4 Gen 3 × 2 (40 gbit/s) Nein Ja Nein
DisplayPort Ja Ja Nein Die Spezifikation erfordert, dass Hosts und Hubs den alternativen DisplayPort -Modus unterstützen.
Host-to-Host-Kommunikation Ja Ja — Eine lanähnliche Verbindung zwischen zwei Kollegen.
PCI Express Nein Ja Nein Die PCI -Expressfunktion von USB4 repliziert die Funktionalität früherer Versionen der Blitz Spezifikation.
Thunderbolt 3 Nein Ja Nein Thunderbolt 3 verwendet USB-C-Kabel; Die USB4 -Spezifikation ermöglicht Hosts und Geräten und erfordert Hubs, die Interoperabilität mit dem Standard im Alternativmodus Thunderbolt 3 zu unterstützen.
Andere alternative Modi Nein Nein Nein USB4 -Produkte können optional Interoperabilität mit dem bieten HDMI, MHL, und Virtuallink Alternative Modi.

Während CES 2020, USB-IF und Intel gaben ihre Absicht an, USB4-Produkte zu ermöglichen, die alle optionalen Funktionen unterstützen Thunderbolt 4 Produkte. Die ersten mit USB4 kompatibelen Produkte werden voraussichtlich Intel sind Tigersee Serie und Amds Zen 3 Reihe von CPUs. Veröffentlicht im Jahr 2020.

Versionsgeschichte

Versionen veröffentlicht

Name Veröffentlichungsdatum Maximale Übertragungsrate Notiz
USB 0,7 11. November 1994 ? Vorveröffentlichung
USB 0,8 Dezember 1994 ? Vorveröffentlichung
USB 0,9 13. April 1995 Vollgeschwindigkeit (12 Mbit/s) Vorveröffentlichung
USB 0,99 August 1995 ? Vorveröffentlichung
USB 1.0-RC November 1995 ? Kandidat freigeben
USB 1.0 15. Januar 1996 Vollgeschwindigkeit (12 Mbit/s),

Niedrige Geschwindigkeit (1,5 Mbit/s)
USB 1.1 August 1998
USB 2.0 April 2000 Hohe Geschwindigkeit (480 Mbit/s)
USB 3.0 November 2008 Supersspeed USB (5 Gbit/s) Auch als USB 3.1 Gen 1 bezeichnet[26] und USB 3.2 Gen 1 × 1
USB 3.1 Juli 2013 Superspeed+ USB (10 Gbit/s) Enthält neue USB 3.1 Gen 2,[26] Auch USB 3.2 Gen 2 × 1 in späteren Spezifikationen genannt. Letzte Version, um einen Anschluss zu unterstützen.
USB 3.2 August 2017 Superspeed+ USB Dual-Lane (20 Gbit/s) Enthält neue USB 3.2 Gen 1 × 2 und Gen 2 × 2 Multi-Link-Modi.[37] Benötigt Typ -C -Anschluss.
USB4 August 2019 40 gbit/s (2-lane) Enthält neue USB4-Gen 2 × 2 (64B/66B-Codierung) und Gen 3 × 2 (128B/132B-Codierung) und führt die USB4-Routing für das Tunneling von USB3.x, DisplayPort 1.4A und PCI Express-Verkehr und Host-to-Host-Transfers ein basierend auf dem Thunderbolt 3 -Protokoll

Leistungsbedingte Standards

Release -Name Veröffentlichungsdatum Max. Energie Notiz
USB -Batterieladung Rev. 1.0 2007-03-08 7,5 W (5 V, 1,5 a)
USB -Batterie -Ladevorgang Rev. 1.1 2009-04-15 7,5 W (5 V, 1,5 a) Seite 28, Tabelle 5–2, jedoch mit Einschränkung in Absatz 3.5. Im normalen USB 2.0-Standard-A-Port nur 1,5A.[38]
USB -Batterie -Ladevorgang Rev. 1.2 2010-12-07 7,5 W (5 V, 1,5 a) [39]
USB -Stromversorgung Rev. 1.0 (V. 1.0) 2012-07-05 100 W (20 V, 5 a) Verwenden von FSK -Protokoll über Buskraft (vBUS))
USB -Stromversorgung Rev. 1.0 (V. 1.3) 2014-03-11 100 W (20 V, 5 a)
USB Typ-C Rev. 1.0 2014-08-11 15 W (5 V, 3 a) Neue Stecker- und Kabelspezifikation
USB -Stromversorgung Rev. 2.0 (V. 1.0) 2014-08-11 100 W (20 V, 5 a) Verwenden von BMC-Protokoll über den Kommunikationskanal (CC) in USB-C-Kabeln.
USB Typ-C Rev. 1.1 2015-04-03 15 W (5 V, 3 a)
USB -Stromversorgung Rev. 2.0 (V. 1.1) 2015-05-07 100 W (20 V, 5 a)
USB Typ-C Rev. 1.2 2016-03-25 15 W (5 V, 3 a)
USB -Stromversorgung Rev. 2.0 (V. 1.2) 2016-03-25 100 W (20 V, 5 a)
USB -Stromversorgung Rev. 2.0 (V. 1.3) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 a)
USB -Stromversorgung Rev. 3.0 (V. 1.1) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 a)
USB Typ-C Rev. 1.3 2017-07-14 15 W (5 V, 3 a)
USB -Stromversorgung Rev. 3.0 (V. 1.2) 2018-06-21 100 W (20 V, 5 a)
USB Typ-C Rev. 1.4 2019-03-29 15 W (5 V, 3 a)
USB Typ-C Rev. 2.0 2019-08-29 15 W (5 V, 3 a) Aktivieren Sie USB4 über USB-Typ-C-Anschlüssen und Kabeln.
USB -Stromversorgung Rev. 3.0 (V. 2.0) 2019-08-29 100 W (20 V, 5 a) [40]
USB -Stromversorgung Rev. 3.1 (V. 1.0) 2021-05-24 240 W (48 V, 5 a)
USB Typ-C Rev. 2.1 2021-05-25 15 W (5 V, 3 a) [41]
USB -Stromversorgung Rev. 3.1 (V. 1.1) 2021-07-06 240 W (48 V, 5 a) [42]
USB -Stromversorgung Rev. 3.1 (V. 1.2) 2021-10-26 240 W (48 V, 5 a) Einschließlich Errata bis Oktober 2021[43]

Diese Version enthält die folgenden ECNs:

  • Verwenden Sie die Verwendung von Wiederholungen
  • Batteriefunktionen
  • FRS -Timing -Problem
  • PPS -Leistungsregel -Klarstellungen
  • Spitzenstromunterstützung für EPR AVS APDO

System-Design

Ein USB-System besteht aus einem Host mit einem oder mehreren nachgeschalteten Ports und mehreren Peripheriegeräten, die eine gestufte Stufe bilden.Sterntopologie. Zusätzlich USB -Hubs Kann eingeschlossen sein, was bis zu fünf Ebenen zulässt. Ein USB -Host hat möglicherweise mehrere Controller mit jeweils einer oder mehreren Ports. Bis zu 127 Geräte können an einen einzelnen Host -Controller angeschlossen werden.[44][24]: 8–29 USB -Geräte sind in Reihe durch Hubs verknüpft. Der in den Host Controller eingebaute Hub wird als die genannt Hauptnetzknoten.

Ein USB-Gerät kann aus mehreren logischen Unterabwänden bestehen, die als als bezeichnet werden Gerätefunktionen. EIN Verbundgerät kann beispielsweise mehrere Funktionen liefern a Webcam (Video-Gerätefunktion) mit integriertem Mikrofon (Audio-Gerätefunktion). Eine Alternative dazu ist a zusammengesetzte Gerät, In dem der Host jedem logischen Gerät eine eigene Adresse zuweist und alle logischen Geräte eine integrierte Hub herstellen, die mit dem physischen USB-Kabel verbunden ist.

Diagram: inside a device are several endpoints, each of which connects by a logical pipe to a host controller. Data in each pipe flows in one direction, though there are a mixture going to and from the host controller.
USB -Endpunkte befinden sich auf dem angeschlossenen Gerät: Die Kanäle des Hosts werden als Rohre bezeichnet.

USB -Gerätekommunikation basiert auf Rohre (logische Kanäle). Ein Rohr ist eine Verbindung vom Host -Controller zu einer logischen Entität innerhalb eines Geräts, genannt Endpunkt. Da Rohre Endpunkten entsprechen, werden die Begriffe manchmal austauschbar verwendet. Jedes USB -Gerät kann bis zu 32 Endpunkte haben (16 in und 16 aus), obwohl es selten so viele ist. Endpunkte werden durch das Gerät während der Initialisierung definiert und nummeriert (der Zeitraum nach physischer Verbindung, der als "Aufzählung" bezeichnet) und daher relativ dauerhaft sind, während Rohre geöffnet und geschlossen werden können.

Es gibt zwei Arten von Rohr: Stream und Nachricht.

  • A Botschaft Rohr ist bidirektional und wird für verwendet Kontrolle Transfers. Nachrichtenrohre werden normalerweise für kurze, einfache Befehle für das Gerät und für Statusantworten des Geräts verwendet, beispielsweise von der Bussteuerungsrohrnummer 0.
  • A Strom Pipe ist ein uni-lichtungsübergreifendes Rohr, das an einen uni-lichtenden Endpunkt angeschlossen ist, der Daten mit einem überträgt isochron,[45] unterbrechen, oder Schüttgut Transfer:
    Isochrone Transfers
    Bei einigen garantierten Datenrate (für Streaming-Daten mit festem Bandbreiten) jedoch mit einem möglichen Datenverlust (z. B. Echtzeit-Audio oder Video)
    Interrupt Transfers
    Geräte, die garantierte schnelle Antworten (begrenzte Latenz) benötigen, wie z. B. Zeigengeräte, Mäuseund Tastaturen
    Bulk Transfers
    Große sporadische Übertragungen unter Verwendung aller verbleibenden verfügbaren Bandbreite, jedoch ohne Garantien für Bandbreite oder Latenz (z. B. Dateitransfers)

Wenn ein Host eine Datenübertragung startet, wird ein Token -Paket mit einem mit a angegebenen Endpunkt gesendet Tupel von (Device_address, Endpoint_Number). Wenn die Übertragung vom Host zum Endpunkt erfolgt, sendet der Host ein Out -Paket (eine Spezialisierung eines Token -Pakets) mit der gewünschten Geräteadresse und der Endpunktnummer. Wenn die Datenübertragung vom Gerät zum Host erfolgt, sendet der Host stattdessen ein Paket. Wenn es sich bei dem Zielendpunkt um einen uni-lichtenden Endpunkt handelt, dessen ausgewiesene Richtung des Herstellers nicht mit dem Token-Paket übereinstimmt (z. B. die ausgewiesene Richtung des Herstellers, während das Token-Paket ein Out-Paket ist), wird das Token-Paket ignoriert. Andernfalls wird es akzeptiert und die Datentransaktion kann beginnen. Ein bidirektionaler Endpunkt dagegen akzeptiert sowohl in als auch in Pakete.

Rectangular opening where the width is twice the height. The opening has a metal rim, and within the opening a flat rectangular bar runs parallel to the top side.
Zwei USB 3.0 Standard-A-Steckdose (links) und zwei USB 2.0 Standard-A-Steckdose (rechts) auf der Frontplatte eines Computers

Endpunkte sind in gruppiert in Schnittstellen und jede Schnittstelle ist einer einzelnen Gerätefunktion zugeordnet. Eine Ausnahme davon ist Endpunkt Null, der für die Gerätekonfiguration verwendet wird und mit keiner Schnittstelle verbunden ist. Eine einzelne Gerätefunktion, die aus unabhängig gesteuerten Schnittstellen besteht Verbundgerät. Ein zusammengesetztes Gerät hat nur eine einzelne Geräteadresse, da der Host einer Funktion nur eine Geräteadresse zuweist.

Wenn ein USB -Gerät zum ersten Mal an einen USB -Host angeschlossen ist, wird der USB -Geräteaufzählungsprozess gestartet. Die Aufzählung beginnt damit, ein Reset -Signal an das USB -Gerät zu senden. Die Datenrate des USB -Geräts wird während der Reset -Signalisierung bestimmt. Nach dem Zurücksetzen werden die Informationen des USB-Geräts vom Host gelesen und dem Gerät eine eindeutige 7-Bit-Adresse zugewiesen. Wenn das Gerät vom Host unterstützt wird, das Gerätetreiber Für die Kommunikation mit dem Gerät werden geladen und das Gerät auf einen konfigurierten Status eingestellt. Wenn der USB -Host neu gestartet wird, wird der Aufzählungsprozess für alle verbundenen Geräte wiederholt.

Der Host -Controller leitet den Verkehrsfluss auf Geräte, sodass kein USB -Gerät Daten im Bus ohne explizite Anfrage vom Host -Controller übertragen kann. In USB 2.0 der Host -Controller Umfragen Der Bus für den Verkehr, normalerweise in a Round-Robin Mode. Der Durchsatz jedes USB -Anschlusses wird durch die langsamere Geschwindigkeit des USB -Anschlusses oder des USB -Geräts bestimmt, das mit dem Port verbunden ist.

Hochgeschwindigkeits-USB 2.0-Hubs enthalten Geräte, die als Transaktionsübersetzer bezeichnet werden, die zwischen Hochgeschwindigkeits-USB 2.0-Bussen und Busse mit voller und niedriger Geschwindigkeit umwandeln. Es kann einen Übersetzer pro Hub oder pro Port geben.

Da es in jedem USB 3.0 -Host zwei separate Controller gibt, übertragen und empfangen USB 3.0 -Geräte bei USB 3.0 -Datenraten unabhängig von USB 2.0 oder früheren Geräten, die mit diesem Host verbunden sind. Die Betriebsdatenraten für frühere Geräte werden in der älteren Weise festgelegt.

Geräteklassen

Die Funktionalität eines USB -Geräts wird durch einen Klassencode definiert, der an einen USB -Host gesendet wird. Auf diese Weise kann der Host Softwaremodule für das Gerät laden und neue Geräte von verschiedenen Herstellern unterstützen.

Die Geräteklassen umfassen:[46]

Klasse Verwendungszweck Beschreibung Beispiele oder Ausnahme
00h Gerät Nicht spezifiziert[47] Die Geräteklasse ist nicht spezifiziert. Schnittstellendeskriptoren werden verwendet, um die erforderlichen Treiber zu bestimmen
01H Schnittstelle Audio Lautsprecher, Mikrofon, Soundkarte, MIDI
02H Beide Kommunikation und CDC -Kontrolle Uart und RS-232 Serienadapter, Modem, W-lan Adapter, Ethernet Adapter. Verwendet zusammen mit Klasse 0AH (CDC-Daten) unter
03H Schnittstelle Menschliches Schnittstellengerät (HID) Klaviatur, Maus, Joystick
05H Schnittstelle Physikalisches Schnittstellengerät (PID) Feedback Joystick erzwingen
06H Schnittstelle Bild (PTP/MTP)) Webcam, Scanner
07H Schnittstelle Drucker Laserdrucker, Tintenstrahldrucker, CNC-Maschine
08H Schnittstelle Massenspeicher (MSC oder UMS) USB-Stick, Speicherkarte Leser, Digitaler Audio -Player, Digitalkamera, externes Laufwerk
09H Gerät USB -Hub Vollständige Bandbreitenscheibe
0AH Schnittstelle CDC-Daten Verwendet zusammen mit Klasse 02H (Kommunikation und CDC -Kontrolle) Oben
0bh Schnittstelle Chipkarte USB Smart Card Reader
0dh Schnittstelle Inhaltssicherheit Fingerabdruckleser
0EH Schnittstelle Video Webcam
0fh Schnittstelle Personal Healthcare Device Class (PHDC) Pulsmonitor (Uhr)
10H Schnittstelle Audio/Video (AV) Webcam, FERNSEHER
11h Gerät Werbetafel Beschreibt USB-C-alternative Modi, die vom Gerät unterstützt werden
DCH Beide Diagnosegerät USB -Compliance -Testgerät
E0H Schnittstelle Kabellos Regler Bluetooth Adapter, Microsoft Rndis
EFH Beide Sonstig ActiveSync Gerät
Feh Schnittstelle Anwendungsspezifisch Irda Bridge-, Test- und Messklasse (USBTMC),[48] USB -DFU (Gerätefirmware -Upgrade)[49]
Ffh Beide Herstellerspezifisch Zeigt an, dass ein Gerät herstellerspezifische Treiber benötigt

USB -Massenspeicher / USB -Laufwerk

Siehe auch: USB -Massenspeichergerätklasse, Festplattengehäuse, und Externer Festplattenlaufwerk
A Flash Drive, ein typisches USB-Massen-Storage-Gerät
Ein M.2 (2242) Solid-State-Drive (SSD) Angeschlossen in USB 3.0 -Adapter und mit dem Computer verbunden.

USB -Massenspeichergerätklasse (MSC oder UMS) standardisiert Verbindungen zu Speichergeräten. Zunächst für magnetische und optische Laufwerke beabsichtigt, wurde es um Unterstützung erweitert Flash -Laufwerke. Es wurde auch erweitert, um eine Vielzahl neuartiger Geräte zu unterstützen, da viele Systeme mit der bekannten Metapher der Dateimanipulation in Verzeichnissen gesteuert werden können. Der Prozess, ein neuartiges Gerät wie ein bekanntes Gerät aussieht, wird auch als Erweiterung bezeichnet. Die Fähigkeit, einen Schreibgeschoss zu booten SD-Karte Mit einem USB-Adapter ist besonders vorteilhaft für die Aufrechterhaltung der Integrität und nicht korruptibeler, makelloser Zustand des Booting-Mediums.

Obwohl die meisten PCs seit Anfang 2005 von USB -Massenspeichergeräten starten können, ist USB nicht als primärer Bus für den internen Speicher eines Computers gedacht. USB hat jedoch den Vorteil, es zuzulassen Heißeswappendund es nützlich für mobile Peripheriegeräte, einschließlich Laufwerke verschiedener Art.

Mehrere Hersteller bieten externe tragbare USB an Festplattenfahrten, oder leere Gehäuse für Festplattenantriebe. Diese bieten eine Leistung, die mit internen Laufwerken vergleichbar ist, begrenzt durch die Anzahl und die Arten von angehängten USB -Geräten sowie die Obergrenze der USB -Schnittstelle. Zu den weiteren konkurrierenden Standards für die Konnektivität für externe Laufwerks gehören Esata, Express karte, Firewire (IEEE 1394) und zuletzt zuletzt Blitz.

Eine weitere Verwendung für USB -Massenspeichergeräte ist die tragbare Ausführung von Softwareanwendungen (z. B. Webbrowser und VoIP -Clients), ohne dass sie auf dem Host -Computer installiert werden müssen.[50][51]

Medienübertragungsprotokoll

Siehe auch: Bildtransferprotokoll

Medienübertragungsprotokoll (MTP) wurde von entworfen von Microsoft Um einen höheren Zugriff auf das Dateisystem eines Geräts als USB-Massenspeicher auf der Ebene der Dateien und nicht auf Festplattenblöcken zu gewähren. Es hat auch optional DRM Merkmale. MTP wurde für die Verwendung mit Tragbare Medienspieler, aber es wurde seitdem als primäres Speicherzugriffsprotokoll des Speicherzugriffs übernommen Android -Betriebssystem Aus der Version 4.1 Jelly Bean sowie Windows Phone 8 (Windows Phone 7 -Geräte hatten das Zune -Protokoll verwendet - eine Entwicklung von MTP). Der Hauptgrund dafür ist, dass MTP keinen exklusiven Zugriff auf das Speichergerät erfordert, wie es UMS tut. Die Linderung potenzieller Probleme sollte den Speicher anfordern, während er an einen Computer angeschlossen ist. Der Hauptnachteil ist, dass MTP außerhalb von Windows -Betriebssystemen nicht so gut unterstützt wird.

Menschliche Benutzeroberflächen

Hauptartikel: USB Human Interface Device Class

USB -Mäuse und Tastaturen können normalerweise mit älteren Computern verwendet werden, die haben PS/2 -Stecker Mit Hilfe eines kleinen USB-to-PS/2-Adapters. Für Mäuse und Tastaturen mit zwei Protokollunterstützung, ein Adapter, der nein enthält Logikschaltung kann verwendet werden: die USB -Hardware In der Tastatur oder der Maus ist festgestellt, ob sie mit einem USB- oder PS/2 -Anschluss verbunden ist und mithilfe des entsprechenden Protokolls kommunizieren. Es gibt ebenfalls auch Konverter, die PS/2 -Tastaturen und Mäuse (normalerweise jeweils) mit einem USB -Anschluss verbinden.[52] Diese Geräte bieten dem System zwei versteckte Endpunkte und verwenden a Mikrocontroller Ausführung einer bidirektionalen Datenübersetzung zwischen den beiden Standards.

Geräte -Firmware -Upgrade -Mechanismus

Geräte -Firmware -Upgrade (DFU) ist ein Anbieter- und Gerätsunabhängiger Mechanismus zur Upgrade der Firmware von USB -Geräten mit verbesserten Versionen, die von ihren Herstellern bereitgestellt werden, bieten (z. B. eine Möglichkeit, Firmware -Fehlerbehebungen bereitzustellen. Während des Firmware -Upgrade -Vorgangs ändern USB -Geräte ihren Betriebsmodus effektiv zu einem ABSCHLUSSBALL Programmierer. Jede Klasse von USB -Geräten kann diese Fähigkeit implementieren, indem sie den offiziellen DFU -Spezifikationen folgen.[49][53][54]

DFU kann dem Benutzer auch die Freiheit geben, USB -Geräte mit alternativer Firmware zu flashen. Eine Konsequenz davon ist, dass USB-Geräte nach dem erneuten Flash möglicherweise als verschiedene unerwartete Gerätetypen fungieren. Beispielsweise kann ein USB -Gerät, das der Verkäufer nur für ein Flash -Laufwerk beabsichtigt, ein Eingabegerät wie eine Tastatur "gefälscht". Sehen Badusb.[55]

Audio-Streaming

Die USB Device Working Group hat Spezifikationen für das Audio -Streaming festgelegt, und bestimmte Standards wurden für Audioklassenanwendungen entwickelt und implementiert Gerätespezifikationen:[56][57] Audio 1.0, 2.0 und 3.0, bezeichnet als "UAC"[58] oder "ADC".[59]

UAC 3.0 führt in erster Linie Verbesserungen für tragbare Geräte ein, z. B. reduzierte Stromverbrauch, indem die Daten häufiger auf dem niedrigen Stromversorgungsmodus geblieben sind, und Stromdomänen für verschiedene Komponenten des Geräts, sodass sie bei Nichtgebrauch heruntergefahren werden können.[60]

UAC 2.0 führte die Unterstützung für Hochgeschwindigkeits-USB (zusätzlich zur vollen Geschwindigkeit) ein und ermöglicht eine höhere Bandbreite für Mehrkanal-Schnittstellen, höhere Stichprobenraten,[61] niedrigere inhärente Latenz,[62][58] und 8 × Verbesserung der Zeitauflösung in synchronen und adaptiven Modi.[58] UAC2 führte auch das Konzept der Taktdomänen ein, das dem Host Informationen darüber liefert, welche Eingabe- und Ausgabeterminals ihre Uhren aus derselben Quelle abgeben, sowie eine verbesserte Unterstützung für Audio -Codierungen wie DSD, Audioeffekte, Kanalclustering, Benutzersteuerung und Gerätebeschreibungen.[58][63]

UAC 1.0-Geräte sind jedoch aufgrund ihrer plattformübergreifenden fahrerlosen Kompatibilität immer noch üblich.[61] und auch teilweise aufgrund MicrosoftDas Versäumnis, UAC 2.0 über ein Jahrzehnt nach seiner Veröffentlichung zu implementieren, nachdem er endlich Unterstützung zugestellt hatte Windows 10 Über das Creators Update am 20. März 2017.[64][65][63] UAC 2.0 wird auch von unterstützt von Mac OS, iOS, und Linux,[58] jedoch Android Implementiert auch nur eine Untergruppe von UAC 1.0.[66]

USB liefert drei isochrone Synchronisationstypen (Festbänder).[67] Alle werden von Audiogeräten verwendet:[68]

  • Asynchron-Der ADC oder DAC wird überhaupt nicht mit der Uhr des Host-Computers synchronisiert, wodurch eine freie Uhr lokal zum Gerät betrieben wird.
  • Synchron-Die Uhr des Geräts wird mit dem USB-Frame-Start (SOF) oder dem Busintervallsignale synchronisiert. Dies kann beispielsweise einen 11,2896 -MHz -Takt mit einem 1 -kHz -SOF -Signal synchronisieren, eine große Frequenzmultiplikation.[69][70]
  • Adaptiv - Die Uhr des Geräts wird mit der Datenmenge synchronisiert, die vom Host pro Rahmen gesendet wurde[71]

Während die USB-Spezifikation ursprünglich den asynchronen Modus beschrieb, der in "kostengünstigen Lautsprechern" und adaptiven Modus in "High-End-digitalen Lautsprechern" verwendet wurde, wurde es[72] Die entgegengesetzte Wahrnehmung existiert in der Hifi World, wo der asynchrone Modus als Funktion beworben wird und adaptive/synchrone Modi einen schlechten Ruf haben.[73][74][66] In Wirklichkeit können alle Typen je nach Qualität ihres Engineerings und der Anwendung qualitativ hochwertig oder minderwertig sein.[70][58][75] Asynchron hat den Vorteil, aus der Uhr des Computers entlassen zu werden, aber der Nachteil, dass es erforderlich ist, erforderlich zu sein Probenrate -Konvertierung bei der Kombination mehrerer Quellen.

Anschlüsse

Hauptartikel: USB -Hardware § Stecker

Die Steckverbinder des USB -Komitees legt die Unterstützung einer Reihe von USB -zugrunde liegenden Zielen an und spiegelt die Lehren aus den vielen Steckverbindern wider, die die Computerindustrie verwendet hat. Der auf dem Wirt oder Gerät montierte weibliche Anschluss wird als das genannt Behälterund der am Kabel befestigte männliche Stecker wird als die genannt Stecker.[24]: 2–5 - 2–6 Die offiziellen USB -Spezifikationsdokumente definieren auch regelmäßig den Begriff männlich den Stecker darstellen und weiblich das Behälter darstellen.[76]

USB Type-A plug
Der Standard-USB-Typ-A-Stecker. Dies ist eine von vielen Arten von USB-Anschluss.

Das Design soll es schwierig machen, einen USB -Stecker fälschlicherweise in seinen Behälter einzufügen. Die USB -Spezifikation erfordert, dass der Kabelstopfen und der Steckdose markiert sind, sodass der Benutzer die richtige Ausrichtung erkennen kann.[24] Der USB-C-Stecker ist jedoch reversibel. USB-Kabel und kleine USB-Geräte werden durch die packende Kraft des Behälters ohne Schrauben, Clips oder Daumenwende an Ort und Stelle gehalten, wenn einige Anschlüsse verwendet werden.

Die verschiedenen A- und B -Stecker verhindern versehentlich zwei Stromquellen. Ein Teil dieser gerichteten Topologie geht jedoch mit dem Aufkommen von Mehrzweck-USB-Verbindungen verloren (wie z. USB on the-Go In Smartphones und USB-betriebenen Wi-Fi-Routern), die A-zu-A, B-to-B und manchmal Y/Splitter-Kabel benötigen.

USB -Anschlusstypen multiplizierten im Verlauf der Spezifikation. Die ursprüngliche USB-Spezifikation detaillierte Standard-A- und Standard-B-Stecker und -behälter. Die Anschlüsse waren unterschiedlich, sodass Benutzer keinen Computerbehälter mit einem anderen verbinden konnten. Die Datenstifte in den Standard -Stecker sind im Vergleich zu den Leistungsstiften vertieft, sodass das Gerät vor dem Erstellen einer Datenverbindung einschalten kann. Einige Geräte arbeiten in verschiedenen Modi, je nachdem, ob die Datenverbindung hergestellt wird. Ladedocks liefern liefern und enthalten kein Host -Gerät oder Datenstifte, sodass ein fähiges USB -Gerät in einem Standard -USB -Kabel aufgeladen oder betrieben wird. Ladekabel bieten Stromverbindungen, jedoch keine Daten. In einem Nur-Lad-Kabel werden die Datendrähte am Ende des Geräts kurzgeschlossen, da das Gerät das Ladegerät als ungeeignet abweist.

Verkabelung

Hauptartikel: USB -Hardware § Verkabelung
Eine Vielzahl von USB -Kabeln zum Verkauf in Hongkong

Der USB 1.1 -Standard gibt an, dass ein Standardkabel eine maximale Länge von 5 Metern (16 ft 5 Zoll) haben kann, wobei Geräte mit voller Geschwindigkeit (12 Mbit/s) und einer maximalen Länge von 3 Metern (9 ft 10 Zoll) mit betrieben werden können Geräte mit niedriger Geschwindigkeit (1,5 Mbit/s).[77][78][79]

USB 2.0 sieht eine maximale Kabellänge von 5 Metern (16 Fuß 5 Zoll) für Geräte mit hoher Geschwindigkeit (480 Mbit/s) vor.[79]

Der USB 3.0 -Standard gibt nicht direkt eine maximale Kabellänge an, sodass nur alle Kabel eine elektrische Spezifikation erfüllen: für Kupferverkabelung mit Awg26 Kabel Die maximale praktische Länge beträgt 3 Meter (9 Fuß 10 Zoll).[80]

USB -Brückenkabel

USB -Brückenkabel oder Datenübertragungskabel finden Sie auf dem Markt und bieten direkte PC -Verbindungen. Ein Brückenkabel ist ein spezielles Kabel mit einem Chip und einer aktiven Elektronik in der Mitte des Kabels. Der Chip in der Mitte des Kabels fungiert als Peripherieur für beide Computer und ermöglicht eine Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen den Computern. Die USB -Brückenkabel werden verwendet, um Dateien zwischen zwei Computern über ihre USB -Anschlüsse zu übertragen.

Populär von microsoft als Windows Easy TransferDas Microsoft -Dienstprogramm verwendete ein spezielles USB -Brückenkabel, um persönliche Dateien und Einstellungen von einem Computer zu übertragen, der eine frühere Version von Windows auf einen Computer ausführt, auf dem eine neuere Version ausgeführt wird. Im Kontext der Verwendung von Windows Easy Transfer Software, das Brückenkabel kann manchmal als bezeichnet werden Einfache Übertragungskabel.

Viele USB -Brücken- / Datenübertragungskabel sind immer noch USB 2.0, aber es gibt auch eine Reihe von USB 3.0 -Übertragungskabeln. Obwohl USB 3.0 10 -mal schneller als USB 2,0 ist, sind USB 3.0 -Transferkabel angesichts ihres Designs nur 2- bis 3 -mal schneller.

Die USB 3.0-Spezifikation führte ein A-zu-A-Überkreuzungskabel ohne Strom zum Anschließen von zwei PCs ein. Diese sind nicht für die Datenübertragung gedacht, sondern für diagnostische Anwendungen.

Dual-Role-USB-Verbindungen

USB-Brückenkabel sind mit USB-Dual-Rollen-Gerätefunktionen, die mit der USB 3.1-Spezifikation eingeführt wurden, weniger wichtig geworden. Nach den neuesten Spezifikationen unterstützt USB die meisten Szenarien, die Systeme direkt mit einem Typ-C-Kabel verbinden. Für die Arbeitsfähigkeit müssen vernetzte Systeme jedoch die Rollenabschaltung unterstützen. Die Dual-Roll-Funktionen erfordern es zwei Controller innerhalb des Systems sowie a Rollencontroller. Während dies auf einer mobilen Plattform wie einem Tablet oder einem Telefon zu erwarten ist, unterstützen Desktop -PCs und Laptops häufig keine doppelten Rollen.[81]

Leistung

Hauptartikel: USB -Hardware § Stromversorgung

Upstream -USB -Steckverbinder liefern Strom an einem nominalen 5 -V -Gleichstrom über den V_BUS -Pin zu nachgeschalteten USB -Geräten.

Geräte mit geringer Leistung und Hochleistungen

Geräte mit geringer Leistung können höchstens 1 Einheitenlast zeichnen, und alle Geräte müssen als Geräte mit geringer Leistung fungieren, wenn sie als nicht konfiguriert beginnen. 1 Einheitenlast beträgt 100 mA für USB -Geräte bis zu USB 2.0, während USB 3.0 eine Einheitslast mit 150 mA definiert.

Hochleistungsgeräte (z. ) für Superspeed -Geräte (USB 3.0).

USB -Leistungsstandards
Spezifikation Aktuell Stromspannung Leistung max.)
Gerät mit geringer Leistung 100 ma 5 v[a] 0,50 w
Low-Power-Superspeed-Gerät (USB 3.0) 150 Ma 5 v[a] 0,75 w
Hochleistungsgerät 500 mA[b] 5 v 2,5 w
Hochleistungs-Superspeed-Gerät (USB 3.0) 900 ma[c] 5 v 4,5 w
Multi-Lane-Superspeed (USB 3.2 Gen 2) Gerät 1,5 a[d] 5 v 7,5 w
Batterieladung (BC) 1.1 1,5 a 5 v 7,5 w
Batterieladung (BC) 1.2 1,5 a 5 v 7,5 w
USB-C 1,5 a 5 v 7,5 w
3 a 5 v 15 w
Stromversorgung 1.0/2.0/3.0 Typ-C 5 a[e] 20 v 100 w
Stromversorgung 3.1 Typ-C 5 a[e] 48 v[f] 240 w
  1. ^ a b Das VBUS Die Versorgung von einem Hub-Hub-Hub-Anschluss kann auf 4,40 V sinken.
  2. ^ Bis zu fünf Einheitenlasten; Bei Nicht-Supersspeed-Geräten beträgt eine Einheitslast 100 mA.
  3. ^ Bis zu sechs Lasten der Einheiten; Bei Superspeed -Geräten beträgt eine Einheitslast 150 mA.
  4. ^ Bis zu sechs Lasten der Einheiten; Bei mehrspurigen Geräten beträgt eine Einheitslast 250 mA.
  5. ^ a b > 3 a (> 60 W) Vorgänge erfordert ein elektronisch markiertes Kabel mit 5 A.
  6. ^ > 20 V (> 100 W) Betrieb erfordert ein elektronisch markiertes EPR -Kabel (verlängertem Strombereich).

Um den Batterie -Lademodus zu erkennen, legt ein dedizierter Ladeanschluss einen Widerstand von nicht mehr als 200 Ω über die D+ - und D− -Anterminals. Verknüpfte oder nahezu kurze Datenspuren mit einem Widerstand von weniger als 200 Ω über die "D+" und "D-" -terminals bedeuten einen dedizierten Ladeanschluss (DCP) mit unbestimmten Ladungsraten.[82][83]

Zusätzlich zu Standard-USB gibt es ein proprietäres Hochleistungssystem, das als bekannt ist Poweredusb, entwickelt in den neunziger Jahren und hauptsächlich in Point-of-Sale-Terminals wie Bargeldregistern.

Signalisierung

Hauptartikel: USB (Kommunikation) § Signalübertragung (USB -Phy)

USB -Signale werden mit Verwendung übertragen Differentielle Signalübertragung auf einen verdrehte Pair Datendrähte mit 90 Ω ± 15% charakteristische Impedanz.[84] USB 2.0 und frühere Spezifikationen definieren ein einzelnes Paar in Halbduplex (HDX). USB 3.0- und spätere Spezifikationen definieren ein Paar für USB 2.0-Kompatibilität und zwei oder vier Paare für die Datenübertragung: zwei Paare in Full-Duplex (FDX) für Einzelspurvarianten (erfordert Supersspeed-Anschlüsse). Vier Paare in Full-Duplex-Varianten mit zwei Spuren (× 2) (erfordert USB-C-Anschluss).

Ratenname Alte Bezeichnung Erste Veröffentlichung (Standard) Codierung Datenpaare Nominal
Rate		 USB-wenn Marketing
Name[85][86][87] 		Logo
Langsame Geschwindigkeit Erscheint nicht USB 1.0 NRzi 1 HDX 1,5 mbit/s Grundgeschwindigkeit USB USB icon.svg
Vollgas 12 mbit/s
Schnelle Geschwindigkeit USB 2.0 480 mbit/s Hi-Speed ​​USB
USB 3.2 Gen 1 × 1 USB 3.0;
USB 3.1 Gen 1		 USB 3.0 8b/10b 2 FDX 5 Gbit/s SUPERSPEED USB 5GBPS USB SuperSpeed 5 Gbps Trident Logo.svg
USB 3.2 Gen 2 × 1 USB 3.1 Gen 2 USB 3.1 128b/132b 2 FDX 10 Gbit/s SUPERSPEED USB 10 GBPS USB SuperSpeed 10 Gbps Trident Logo.svg
USB 3.2 Gen 1 × 2 Erscheint nicht USB 3.2 8b/10b 4 FDX × 2 10 Gbit/s -
USB 3.2 Gen 2 × 2 128b/132b 4 FDX × 2 20 Gbit/s SUPERSPEED USB 20 GBPS USB SuperSpeed 20 Gbps Trident Logo.svg
USB4 Gen 2 × 1 USB4 64b/66b[a] 2 FDX 10 Gbit/s -
USB4 Gen 2 × 2 64b/66b[a] 4 FDX × 2 20 Gbit/s USB4 20gbit / s USB4 20Gbps Logo.svg
USB4 Gen 3 × 1 128b/132b[a] 2 FDX 20 Gbit/s -
USB4 Gen 3 × 2 128b/132b[a] 4 FDX × 2 40 Gbit/s USB4 40Gbit / s USB4 40Gbps Logo.svg
  1. ^ a b c d USB4 kann optional verwenden Reed -Solomon Vorwärtsfehlerkorrektur (RS FEC). In diesem Modus 12 × 16 B (128 Bit) Symbole werden zusammen mit 2 zusammengestellt B (12 Bit + 4 Bit reserviert) Synchronisationsbits, die die jeweiligen Symboltypen und 4 anzeigen B von Rs FEC, um bis zu 1 zu korrigieren B Fehler überall in der Gesamt 198 B -Block.


  • Niedriggeschwindigkeit (LS) und Vollgeschwindigkeit (FS) Modi verwenden ein einzelnes Datenpaar, das mit D+ und D–, in gekennzeichnet ist Halbduplex. Übertragene Signalpegel sind 0,0–0,3 v für logisch niedrig und 2,8–3,6 v Für logische hohe Ebene. Die Signallinien sind nicht beendet.
  • Hochgeschwindigkeit (HS) Der Modus verwendet dasselbe Drahtpaar, jedoch mit unterschiedlichen elektrischen Konventionen. Niedrigere Signalspannungen von –10 bis 10 mV für niedrig und 360 bis 440 mV Für logische hohe Ebene und Beendigung von 45 Ω bis Masse oder 90 Ω Differential, um der Datenkabelimpedanz zu entsprechen.
  • Superspeed (SS) Fügt zwei zusätzliche Paare von abgeschirmten verdrehten Draht (und neuen, meist kompatiblen erweiterten Anschlüssen) hinzu. Diese sind dem Full-Duplex-Superspeed-Betrieb gewidmet. Die SuperSpeed ​​-Verbindung arbeitet unabhängig vom USB 2.0 -Kanal und hat Vorrang bei der Verbindung. Die Linkkonfiguration wird unter Verwendung von LFPs (niedrige Frequenz-periodische Signalübertragung, ungefähr bei 20 MHz-Frequenz) durchgeführt. Zu den elektrischen Merkmalen gehören die Spannungsdefhase am Senderseite und die adaptive lineare Ausgleich auf der Empfängerseite, um elektrische Verluste in Übertragungsleitungen und damit die Verbindung zu bekämpfen, und damit die Verbindung führt das Konzept von vor Linktraining.
  • Superspeed+ (SS+) Verwendet eine erhöhte Datenrate (Gen 2 × 1-Modus) und/oder die zusätzliche Spur im USB-C-Anschluss (Gen 1 × 2 und Gen 2 × 2-Modus).

Eine USB -Verbindung besteht immer zwischen einem Host oder einer Hub am A Anschlussende und ein Gerät oder Hubs "stromaufwärts" Port am anderen Ende.

Protokollschicht

Hauptartikel: USB (Kommunikation) § Protokollschicht

Während der USB -Kommunikation werden Daten als übertragen Pakete. Zunächst werden alle Pakete vom Host über den Root -Hub und möglicherweise mehr Hubs an Geräte gesendet. Einige dieser Pakete lenken ein Gerät, um einige Pakete als Antwort zu senden.

Transaktionen

Hauptartikel: USB (Kommunikation) § Transaktion

Die grundlegenden Transaktionen von USB sind:

  • Transaktion aus
  • In der Transaktion
  • Setup -Transaktion
  • Kontrollübertragungsaustausch

Verwandte Standards

Das drahtlose USB -Logo

Das USB Implementierer -Forum führte am 29. Juli 2015 den medialen Agnostischen USB v.1.0 Wireless Communication Standard vor. Wireless USB ist eine Kabelersetzungstechnologie und verwendet und verwendet Ultra-Breitband kabellose Technologie für Datenraten von bis zu 480 Mbit/s.[88]

Die USB-IF verwendete Wigig Serial Extension V1.2 Spezifikation als anfängliche Grundlage für die MA-USB-Spezifikation und entspricht der USB (3.0 und 3.1) und dem Hi-Speed-USB (USB 2.0). Geräte, die MA-USB verwenden, werden als "betrieben von Ma-USB" bezeichnet, sofern das Produkt sein Zertifizierungsprogramm qualifiziert.[89]

Interchip USB ist eine Chip-to-Chip-Variante, die die konventionellen Transceiver in normalem USB beseitigt. Das hsic Physische Schicht verwendet etwa 50% weniger Strom und 75% weniger Tafel Bereich im Vergleich zu USB 2.0.[90]

Vergleiche mit anderen Verbindungsmethoden

IEEE 1394

Zunächst wurde USB als Ergänzung an betrachtet IEEE 1394 (FireWire) -Technologie, die als Serienbus mit hoher Bandbreite konzipiert wurde, der Peripheriegeräte wie Festplatten, Audio-Schnittstellen und Videogeräte effizient miteinander verbindet. Im ersten Design arbeitete USB mit einer weitaus niedrigeren Datenrate und verwendete weniger ausgefeilte Hardware. Es war für kleine Peripheriegeräte wie Tastaturen und Zeigengeräte geeignet.

Die wichtigsten technischen Unterschiede zwischen Firewire und USB sind:

  • USB -Netzwerke verwenden a Stufenstar Topologie, während IEEE 1394 -Netzwerke a verwenden Baum Topologie.
  • USB 1.0, 1.1 und 2.0 verwenden ein Protokoll "Speak-wenn zu" zu ", was bedeutet, dass jeder periphere mit dem Host mit dem Host kommuniziert, wenn der Host es speziell zur Kommunikation fordert. USB 3.0 ermöglicht die von Geräte initiierte Kommunikation zum Host. Ein Firewire -Gerät kann jederzeit mit jedem anderen Knoten kommunizieren, unterliegt den Netzwerkbedingungen.
  • Ein USB -Netzwerk stützt sich auf einen einzelnen Host oben im Baum, um das Netzwerk zu steuern. Alle Kommunikationen liegen zwischen dem Host und einem peripheren. In einem Firewire -Netzwerk kann jeder fähige Knoten das Netzwerk steuern.
  • USB läuft mit einer 5V Stromlinie, während Firewire 12 V und theoretisch bis zu 30 V liefert.
  • Standard-USB-Hub-Hub-Anschlüsse können von den typischen 500 mA/2,5 W Strom nur 100 mA von Nicht-Hub-Anschlüssen aus liefern. USB 3.0- und USB-Versorgung mit 1,8 A/9,0 W (für dedizierte Batterieladung, 1,5 A/7,5 W volle Bandbreite oder 900 mA/4,5 W hohe Bandbreite), während Firewire theoretisch bis zu 60 Watt Strom liefern kann , obwohl 10 bis 20 Watt typischer sind.

Diese und andere Unterschiede spiegeln die unterschiedlichen Designziele der beiden Busse wider: USB wurde für Einfachheit und niedrige Kosten entwickelt, während Firewire für hohe Leistung ausgelegt war, insbesondere in zeitempfindlichen Anwendungen wie Audio und Video. Obwohl der Firewire 400 in theoretischer maximaler Übertragungsrate ähnlich ist, ist er schneller als USB 2,0-Hochbandbreite in der Realverwendung.[91] Besonders bei der Verwendung von Hochgeborenen wie externer Festplatten.[92][93][94][95] Der neuere FireWire 800-Standard ist doppelt so schnell wie Firewire 400 und schneller als USB 2,0-Hochbandbreite theoretisch und praktisch.[96] Die Geschwindigkeitsvorteile von FireWire beruhen jedoch auf niedrigen Techniken wie z. direkter Speicherzugriff (DMA), was wiederum Möglichkeiten für Sicherheitsausbeutungen wie die geschaffen hat DMA -Angriff.

Der zur Implementierung von USB und Firewire verwendetes Chipsatz und Treiber haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie viel von der Bandbreite, die durch die Spezifikation in der realen Welt vorgeschrieben ist, sowie die Kompatibilität mit Peripheriegeräten erreicht werden.[97]

Ethernet

Das IEEE 802.3AF, 802.3at, und 802.3BT Strom über Ethernet (POE) Standards geben aufwändiger Machtverhandlungssysteme an als USB. Sie arbeiten bei 48 V.DC und kann mehr Strom liefern (bis zu 12,95 W für 802.3af, 25,5 W für 802.3at AKA Poe+, 71 W für 802.3BT AKA 4ppoe) über ein Kabel von bis zu 100 Metern im Vergleich zu USB 2,0, was 2,5 W mit einer maximalen Kabellänge von 5 Metern liefert. Dies hat Poe für populär gemacht Voip Telefone, Sicherheitskameras, drahtlose Zugangspunkteund andere vernetzte Geräte in Gebäuden. USB ist jedoch billiger als POE, sofern die Entfernung kurz und der Strombedarf niedrig ist.

Ethernet Die Standards erfordern eine elektrische Isolierung zwischen dem Netzwerk (Computer, Telefon usw.) und dem Netzwerkkabel bis zu 1500 V AC oder 2250 V DC für 60 Sekunden.[98] USB hat keine solche Anforderung, da er für Peripheriegeräte ausgelegt war, die eng mit einem Host -Computer verbunden sind, und tatsächlich verbindet sie die Peripherie- und Host -Gelände. Dies bietet Ethernet einen signifikanten Sicherheitsvorteil gegenüber USB mit Peripheriegeräten wie Kabel- und DSL -Modems, die mit externen Verkabelung verbunden sind, die unter bestimmten Fehlerbedingungen gefährliche Spannungen annehmen können.[99][100]

MIDI

Das USB -Geräteklassendefinition für MIDI -Geräte überträgt die digitale Schnittstelle für Musikinstrumente (MIDI) Musikdaten über USB.[101] Die MIDI -Fähigkeit wird erweitert, um bis zu sechzehn gleichzeitig zu ermöglichen Virtuelle Midi -KabelJede davon kann die üblichen MIDI -Sechzehnkanäle und Uhren tragen.

USB ist wettbewerbsfähig für kostengünstige und physikalisch benachbarte Geräte. Leistung über Ethernet und die jedoch MIDI Plug-Standard hat einen Vorteil in High-End-Geräten, die möglicherweise lange Kabel haben. USB kann verursachen Bodenschleife Probleme zwischen Ausrüstung, da es Bodenreferenzen für beide Transceiver verbindet. Im Gegensatz dazu der MIDI -Stecker Standard und Ethernet eingebaute Isolation zu haben 500V oder mehr.

Esata/Esatap

Das Esata Anschluss ist ein robuster Sata Stecker, für die Verbindung zu externen Festplatten und SSDs vorgesehen. Die Übertragungsrate von ESATA (bis zu 6 Gbit/s) ist ähnlich wie bei USB 3.0 (bis zu 5 Gbit/s) und USB 3.1 (bis zu 10 Gbit/s). Ein von ESATA verbundener Gerät erscheint als gewöhnliches SATA -Gerät, das sowohl die vollständige Leistung als auch die vollständige Kompatibilität mit internen Laufwerken bietet.

ESATA liefert keine Stromversorgung für externe Geräte. Dies ist ein zunehmender Nachteil im Vergleich zu USB. Obwohl die 4,5 -W -USB 3.0 manchmal nicht ausreicht, um externe Festplatten mit Strom zu versorgen, wird die Technologie vorangetrieben und externe Laufwerke allmählich weniger Leistung benötigen, was den ESATA -Vorteil verringert. Esatap (Macht über ESATA; AKA ESATA/USB) ist ein 2009 eingeführter Anschluss, der angehängte Geräte mit einem neuen, rückwärtskompatiblen Stecker versorgt wird. In einem Notebook-ESATAP liefert normalerweise nur 5 V, um einen 2,5-Zoll-Festplatten/SSD mit Strom zu versorgen. Auf einer Desktop-Workstation kann zusätzlich 12 V für größere Geräte wie 3,5-Zoll-HDD/SSD und 5,25-Zoll-optische Laufwerke versorgt werden.

ESATAP -Unterstützung kann einem Desktop -Computer in Form einer Halterung hinzugefügt werden, die die Motherboard -SATA-, Strom- und USB -Ressourcen verbindet.

Esata unterstützt wie USB Heißes Verstopfung, obwohl dies durch OS -Treiber und Gerätefirmware eingeschränkt sein könnte.

Blitz

Blitz Kombinieren PCI Express und Mini DisplayPort in eine neue serielle Datenschnittstelle. Die ursprünglichen Thunderbolt -Implementierungen verfügen über zwei Kanäle mit jeweils eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Gbit/s, was zu einer aggregierten unidirektionalen Bandbreite von 20 Gbit/s führt.[102]

Thunderbolt 2 Verwendet die Link -Aggregation, um die zwei 10 Gbit/s -Kanäle in einem bidirektionalen 20 -Gbit/s -Kanal zu kombinieren.[103]

Thunderbolt 3 verwendet die USB-C Verbinder.[104][105][106] Thunderbolt 3 verfügt über zwei physikalische 20 gbit/s-bidirektionale Kanäle, die als einzelner logischer 40 gbit/s-bidirektionaler Kanal aggregiert sind. Thunderbolt 3 -Controller können einen USB 3.1 -Gen 2 -Controller einbeziehen, um mit USB -Geräten die Kompatibilität zu gewährleisten. Sie sind auch in der Lage, den alternativen Modus des DisplayPorts über den USB-C-Anschluss bereitzustellen, wodurch ein Thunderbolt 3-Port ein Superset eines USB 3.1-Gen 2-Anschlusses mit dem Anzeigeport-alternativen Modus erstellt wird.

DisplayPort Alt -Modus 2.0: USB 4 unterstützt DisplayPort 2.0 über den alternativen Modus. DisplayPort 2.0 kann eine 8K -Auflösung bei 60 Hz mit HDR10 -Farbe unterstützen.[107] DisplayPort 2.0 kann bis zu 80 gbit/s verwenden, was dem doppelten Betrag doppelt so hoch ist, dass USB -Daten verfügbar sind, da alle Daten in eine Richtung (an den Monitor) gesendet werden und somit alle acht Datenspuren gleichzeitig verwenden können.[107]

Nachdem die Spezifikation lizenzgebührenfrei gemacht wurde und die Verwahrung des Thunderbolt-Protokolls von Intel auf das USB-Implementiererforum übertragen wurde, wurde Thunderbolt 3 in der USB4-Spezifikation effektiv implementiert-mit der Kompatibilität mit Thunderbolt 3 optional, aber für USB4-Produkte ermutigt.[108]

Interoperabilität

Hauptartikel: USB -Adapter

Verschiedene Protokollkonverter sind verfügbar, die USB -Datensignale in und von anderen Kommunikationsstandards konvertieren.

Sicherheitsbedrohungen

  • Intel CPUs von Skylake erlauben, die Kontrolle über sie von USB 3.0 zu übernehmen.[109][110][111]
  • USB -Mörder
  • USB -Flash -Laufwerke waren für die ersten Versionen von Windows XP gefährlich, da sie standardmäßig konfiguriert wurden, um das in autorun.in.in unmittelbar nach dem Einfügen von Flash -Laufwerk eingeführte Programm mit der Verwendung davon automatisch aktiviert werden zu können.[112]

Siehe auch

Verweise

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