Der Universal Serial Bus (USB) ist eine Schnittstelle zum Herstellen der Kommunikation zwischen Geräten und einem Host-Controller (normalerweise Personal Computer). Heutzutage hat USB eine Vielzahl früherer PC-Schnittstellen ersetzt (z. B. serielle RS-232-Schnittstelle, parallele Schnittstelle und sogar FireWire). Aufgrund der Fähigkeit, die Vorziffergeräte mit Strom zu versorgen, wird USB häufig als Ladegerät für tragbare Geräte verwendet.

Eine USB-Systemarchitektur besteht aus einem Host-Controller, einem USB-Anschluss und mehreren angeschlossenen Geräten. Zusätzliche USB-Hubs können enthalten sein, um eine Verzweigung in eine Baumstruktur mit bis zu fünf Ebenen zu ermöglichen. USB kann Computerperipheriegeräte wie Mäuse, Tastaturen, Digitalkameras, PDAs, Mobiltelefone, Drucker, persönliche Mediaplayer, MTP-Geräte (Media Transfer Protocol), Flash-Laufwerke, GPS, Netzwerkadapter und externe Festplatten anschließen. Für viele dieser Geräte ist USB zur Standardverbindungsmethode geworden.

Die USB-Schnittstelle sollte das Hinzufügen von Erweiterungskarten in den PCI- oder PCI-Express-Bus des Computers überflüssig machen und die Plug-and-Play-Funktionen verbessern, indem Geräte im laufenden Betrieb ausgetauscht oder dem System hinzugefügt werden können, ohne den Computer neu zu starten.

USB connectors

There are several types of USB connectors. Der am Host oder Gerät montierte Stecker wird als Buchse bezeichnet, und der am Kabel angeschlossene Stecker wird als Stecker bezeichnet. Die ursprüngliche USB-Spezifikation enthält Standard-A- und Standard-B-Stecker und -Buchsen. Heutzutage sind 7 USB-Anschlüsse bekannt: Standard-A, Standard-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, Typ-C. Die Mini-USB-Pinbelegung und die Micro-USB-Pinbelegung unterscheiden sich geringfügig: Standard-USB verwendet 4 Pins, während Mini-USB und Micro-USB 5 Pins im Anschluss verwenden. Der zusätzliche Pin wird als angeschlossene Gerätepräsenzanzeige verwendet.

USB-Pinbelegungssignale

USB ist ein serieller Bus. Es verwendet 4 geschirmte drähte: zwei für power (+ 5 v & GND) und zwei für differential daten signale (beschriftet als D + und D-in pinout). NRZI (Non Return to Zero Invert) -Kodierungsschema zum Senden von Daten mit einem Sync-Feld zum Synchronisieren der Host- und Empfängeruhren. In USB-Datenkabeln werden Daten+ und Daten- Signale auf einem verdrillten Paar übertragen. Keine Kündigung erforderlich. Die Halbduplex-Differentialsignalisierung hilft, die Auswirkungen von elektromagnetischem Rauschen auf längeren Leitungen zu bekämpfen. Entgegen der landläufigen Meinung arbeiten D + und D- zusammen; sie sind keine separaten Simplex-Verbindungen. USB 2.0 bietet eine maximale Kabellänge von 5 Metern für Geräte mit hoher Geschwindigkeit.

USB-Übertragungsmodi

Der universelle serielle Bus unterstützt Steuerungs-, Interrupt-, Bulk- und isochrone Übertragungsmodi.

Spezifikationen der USB-Schnittstellen.

Heutzutage sind einige wichtige USB-Versionen bekannt:

USB 1.0 – Niedrige Geschwindigkeit oder volle Geschwindigkeit

• veröffentlicht 1996.
• Gibt Datenraten von 1 an.5 Mbit /s (niedrige Bandbreite, wird hauptsächlich für menschliche Eingabegeräte (HID) wie Tastaturen, Mäuse, Joysticks und häufig die Tasten bei Geräten mit höherer Geschwindigkeit wie Druckern oder Scannern verwendet) und 12 Mbit / s (volle Bandbreite).
• wird heutzutage immer noch von einigen Geräten verwendet, die keine schnelleren Datenübertragungsraten benötigen.

USB 2.0-Hohe Geschwindigkeit

• freigegeben in 2000
• zusätzlich zu USB 1.0 fügt signaling rate von 480 Mbit/s (Hallo-Speed)
• kompatibel mit USB 1.0, aber einige hardware entwickelt für USB 2.0 kann nicht arbeit mit USB 1.0 host controller.

USB 3.0-SuperSpeed

• veröffentlicht in 2008
• hinzugefügt übertragung raten bis zu 5 Gbit/s (SuperSpeed)
• USB 3.1 veröffentlicht in 2013 hinzugefügt SuperSpeed + übertragung rate bis zu 10 Gbit/s
• USB 3.2 veröffentlicht in 2017 hinzugefügt SuperSpeed + übertragung rate bis zu 20 Gbit/s und multi-link modi

USB 1.0 2,0 aktien gleichen stecker pinout, USB 3.0 pinout und USB Typ C verfügt über neue anschlüsse mit ihren eigenen pinouts.

Ein USB-Gerät muss seine Geschwindigkeit anzeigen, indem es entweder die D+ – oder die D-Leitung auf 3,3 Volt hochzieht. Diese Pull-Up-Widerstände am Geräteende werden auch vom Host oder Hub verwendet, um das Vorhandensein eines an seinen Port angeschlossenen Geräts zu erkennen. Ohne einen Pull-Up-Widerstand geht USB davon aus, dass nichts an den Bus angeschlossen ist.

Um dem Benutzer zu helfen, die maximale Geschwindigkeit des Geräts zu identifizieren, gibt ein USB-Gerät seine Geschwindigkeit häufig auf seinem Cover mit einem der speziellen USB-Marketinglogos an.

Wenn das neue Gerät zum ersten Mal angeschlossen wird, zählt der Host es auf und lädt den Gerätetreiber, der zum Ausführen erforderlich ist. Das Laden des entsprechenden Treibers erfolgt über eine PID / VID-Kombination (Product ID / Vendor ID), die von der angeschlossenen Hardware geliefert wird. Die USB host controller hat ihre eigenen spezifikationen: UHCI (Universal Host Controller Interface), OHCI (Open Host Controller Interface) mit USB 1.1, EHCI (Verbesserte Host Controller Interface) ist verwendet mit USB 2.0.

USB-betriebene Geräte

Der USB-Anschluss stellt ein einzelnes 5-Volt-Kabel bereit, über das angeschlossene USB-Geräte sich selbst mit Strom versorgen können. Ein gegebenes Segment des Busses wird spezifiziert, um bis zu 500 mA zu liefern. Dies reicht oft aus, um mehrere Geräte mit Strom zu versorgen, obwohl dieses Budget auf alle Geräte aufgeteilt werden muss, die einem nicht mit Strom versorgten Hub nachgeschaltet sind. Ein busbetriebenes Gerät kann so viel Strom verbrauchen, wie der Anschluss zulässt, an den es angeschlossen ist.

Busbetriebene Hubs können die vom Bus bereitgestellte Energie weiterhin an angeschlossene Geräte verteilen, aber die USB-Spezifikation erlaubt nur eine einzelne Ebene von busbetriebenen Geräten von einem busbetriebenen Hub. Dies verbietet die Verbindung eines busbetriebenen Hubs mit einem anderen busbetriebenen Hub. Viele Hubs enthalten externe Stromversorgungen, die über sie angeschlossene Geräte mit Strom versorgen, ohne Strom vom Bus zu beziehen. Geräte, die mehr als 500 mA oder mehr als 5 Volt benötigen, müssen ihre eigene Stromversorgung bereitstellen.

Wenn USB-Geräte (einschließlich Hubs) zum ersten Mal angeschlossen werden, werden sie vom Host-Controller abgefragt, der jeweils ihren maximalen Strombedarf abfragt. Es scheint jedoch, dass jede an den USB-Anschluss angeschlossene Last vom Betriebssystem als Gerät behandelt werden kann. Das Hostbetriebssystem verfolgt in der Regel den Strombedarf des USB-Netzwerks und kann den Bediener des Computers warnen, wenn ein bestimmtes Segment mehr Strom benötigt als verfügbar ist, und Geräte herunterfahren, um den Stromverbrauch innerhalb der verfügbaren Ressource zu halten.

USB power verbrauch:

Um das Laden der Batterie zu erkennen, legt ein dedizierter Ladeanschluss einen Widerstand von nicht mehr als 200 Ω über die Anschlüsse D+ und D−.

Dedizierter Lademodus:

Ein einfaches USB-Ladegerät sollte einen 200-Ohm-Widerstand zwischen D + und D- Drähten enthalten (manchmal reichen Kurzschlüsse D + und D- zusammen aus). Das Gerät versucht dann nicht, Daten zu senden oder zu empfangen, sondern kann bis zu 1,8 A ziehen, wenn die Versorgung dies bereitstellen kann.

USB-Spannung:

Die von einem Host oder einem mit Strom versorgten Hub bereitgestellte Spannung liegt zwischen 4,75 V und 5,25 V. Der maximale Spannungsabfall für busbetriebene Hubs beträgt 0,35 V vom Host oder Hub zum Ausgangsanschluss des Hubs. Alle Hubs und Funktionen müssen in der Lage sein, Konfigurationsdaten bei 4,4 V zu senden, aber nur Low-Power-Funktionen müssen bei dieser Spannung arbeiten. Die normale Betriebsspannung für Funktionen beträgt mindestens 4,75 V.

USB-Kabelabschirmung:

Shield sollte nur am Host an Masse angeschlossen werden. Kein Gerät sollte Schild an Masse anschließen.

USB kabel drähte:

Geschirmt:
Daten: 28 AWG twisted
Power: 28 AWG – 20 AWG non-twisted

Non-shielded:
Data: 28 AWG non-twisted
Power: 28 AWG – 20 AWG non-twisted