Eine Schnittstelle für das Backup und den Datentransfer bei Desktop-Rechnern

Vom Universal Serial Bus 1.0 bis USB 3.1

| Autor / Redakteur: Tina Billo / Rainer Graefen

Anschlusspins der USB-C-Schnittstelle.
Anschlusspins der USB-C-Schnittstelle. (Intel)

Die seit kurzem ins Rennen geschickte aktuelle Version USB 3.1 bietet wie schon die Vorläufervarianten erneut eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit. Daneben wurde an der Stromaufnahme geschraubt und ein neuer Steckertyp herausgebracht. Die Neuerungen im Überblick.

Bald 20 Jahre hat das serielle Bussystem USB in Kürze auf dem Buckel. Die von dem Interessenverband USB-IF (USB Implementers Forum) unter Federführung von Intel entwickelte Schnittstellentechnik gilt inzwischen als der Verbindungsstandard schlechthin am Markt.

Kaum noch vorstellbare Datenraten

Die Älteren unter uns erinnern sich sicherlich nur allzu gut an die Vielfalt von Anschlüssen, die einst für die Ein- und Anbindung von Peripheriegeräten an Rechner und den Datentransfer erforderlich waren. Diese reichten von parallelen, seriellen und PS/2-Schnittstellen bis hin zu COM-, SCSI- sowie VGA-Ports und diversen Netzwerkkarten, um nur einige zu nennen.

Die Einführung von USB 1.0 im Jahr 1996 beendete nicht nur das Schnittstellen- und Stecker-Durcheinander, sondern machte auch vieles einfacher. Anwender, die mehr Geräte nutzen wollten, mussten bei Port-Knappheit nicht länger in teure Erweiterungskarten investieren.

Nicht zuletzt ließen sich Geräte im laufenden Betrieb anschließen, in vielen Fällen entfielen auch die zuvor nötigen manuellen Installations- und Konfigurationsarbeiten. Allerdings erwies sich die Transfergeschwindigkeit der Ursprungsversion (1,5 MBit/s im Low-Speed- beziehungsweise 12 MBit/s im Full-Speed-Modus) schon kurz nach der Einführung als als unzureichend. Um diese Schwachstelle auszumerzen, erfolgten kontinuierlich Speed-Anpassungen.

Höhere Datenraten für externe Laufwerke

Für mehr Tempo sorgte bereits der im Jahr 2000 verabschiedete USB 2.0-Standard einschließlich des neuen Highspeed-Modus, der eine mögliche Übertragungsrate von 480 MBit/s und damit maximal nahezu 60 Megabyte pro Sekunde versprach. Im praktischen Einsatz lag die erzielbare Durchsatzrate jedoch nur bei etwa 35 MByte/s.

Die anfangs üppig erscheinende Bandbreite erwies sich mit dem Einzug immer kapazitäts- sowie leistungsstärkerer Speichermedien und Geräte somit schon bald als neuerlicher Flaschenhals und bremste deren erreichbare Geschwindigkeit aus. Insofern – unter anderem auch, um mit weiteren Schnittstellentechniken Schritt zu halten – führte kein Weg an einer Weiterentwicklung vorbei.

Der 2008 vorgestellte abwärtskompatible Nachfolger USB 3.0 („SuperSpeed-USB“) verzehnfachte mit einer Datenrate von knapp 5 Gigabit pro Sekunde bereits den Brutto-Durchsatz und war damit sogar schnell genug für externe SSD-Speicher.

Das Generationenproblem für das Kabel

Der im Juli 2013 abgesegnete USB 3.1-Standard sorgt mit einer Geschwindigkeit von 10 Gigabit pro Sekunde (Superspeed+) nochmals für doppelten Schub und ist damit schnell genug für SSDs, die im RAID-0-Verbund zusammengeschlossen sind oder über eine PCI-Express-Schnittstelle verfügen. Doch muss auf das Kleingedruckte geachtet werden, denn USB 3.1 ist nicht gleich USB 3.1.

Vielmehr hob das Entwicklerkonsortium USB-IF von der Öffentlichkeit relativ unbemerkt im Jahr 2014 USB 3.1 Gen 2 aus der Taufe und benannte in diesem Zuge den langsamer arbeitenden Vorläuferstandard in USB 3.1 Gen 1 um. Ein verwirrender Schachzug, da nun genau hingeschaut werden muss, welchen Übertragungsmodus ein mit USB 3.1. gekennzeichnetes Gerät tatsächlich unterstützt: „Enhanced Superspeed Gen 1 und damit lediglich 5 GBit/s oder tatsächlich Superspeed+ (Enhanced Superspeed Gen 2), also 10 GBit/s.

Hinzu kommt, dass zeitgleich mit der Revision des Standards zwei weitere eigenständige, sich dennoch ergänzende und teils überschneidende Spezifikationen – der USB Alternate Mode und USB Power Delivery – sowie ein vielseitig einsetzbarer neuer Steckverbinder namens Typ-C verabschiedet wurden. Erst das Zusammenspiel der Techniken schafft die Voraussetzung dafür, dass sich Daten schneller übertragen, Geräte in kürzerer Zeit laden und die Bandbreite an neuen oder überarbeiteten Funktionen nutzen lässt.

Doppelter Durchsatz dank besserer Kodierung

Den Geschwindigkeitssprung verdankt USB 3.1 Gen 2 unter anderem dem Wechsel auf das Kodierungsverfahren 128B/132B. Zur seriellen Übertragung werden nunmehr 128 anstelle von acht Bit langen Datengruppen in 132 Bit lange Codegruppen (zuvor 8 Bit) umgewandelt.

Der mit diesem Vorgang verbundene Overhead sinkt dadurch von etwa 20 auf nur drei Prozent ab, dies spiegelt sich in der höheren nutzbaren Transferrate wider. Bei 10 GBit/s liegt diese nunmehr bei fast 800 MByte/s und damit über den mit SATA-6G erzielbaren 600 MByte/s.

Ebenso zieht USB dadurch mit der ersten Version der (Apple-)Alternative Thunderbolt gleich. Einen Wermutstropfen gibt es dennoch: um die hohe Superspeed+-Übertragungsgeschwindigkeit ohne Umwege auszuschöpfen, kommt man nicht um ein neues zertifiziertes Verbindungskabel mit einer Maximallänge von einem Meter herum.

USB C: Neuer Steckertyp, der mehr als USB kann

Ein besonderes Merkmal des sogenannten USB-C-Kabels besteht darin, dass an beiden Enden erstmals punktsymmetrische und damit gleiche Stecker verwendet werden. Der Clou dabei ist, dass diese immer passen, egal wie herum man sie einsteckt.

Verglichen mit den Typ-A- oder Typ-B-Vorgängern stehen mit 24 Kontakten darüber hinaus mehr Pins als bisher zur Verfügung. Diese lassen sich für alternative Betriebsmodi (“Alternate Mode“) einsetzen, so dass sich die neue Steckverbindung nicht ausschließlich für USB-Datentransfers eignet.

Gleichermaßen lassen sich über freie Kontakte Thunderbolt, Displayport und PCI oder analoge Audiosignale transportieren.

Unterstützung des Power-Delivery-Standards verkürzt Ladezeiten

Welcher Steckertyp zum Einsatz kommt, spielt für die Stromversorgung über den USB-Anschluss indes keine große Rolle. Hier kommt es vornehmlich darauf an, dass die Kabel den USB Power Delivery- (UPD) Standard unterstützen.

Ist dies der Fall, regeln mit dem USB-PD-Protokoll verbundene Geräte ihre Leistungsanforderungen untereinander, indem sie den jeweils optimalen Strom- und Spannungspegel aushandeln. Für die Versorgung über USB sind fünf Profile definiert, die von 10 Watt (fünf Volt, zwei Ampere) bis hin zu maximal 100 Watt (20 Volt, fünf Ampere) reichen.

Grundsätzlich gilt dabei, je höher die Spannungsbreite und Stromstärke, desto kürzer die Ladezeit. Für bis zu 3 Ampere reichen Standardkabel aus, bei 5 Ampere und 20 Volt – der höchsten Stufe – führt kein Weg an elektronisch markierten „Fully Featured“-Kabeln vorbei.

Fazit

Die USB-Verjüngungskur kommt gerade recht. Mit den USB 3.1-, Typ C- und Power-Delivery-Spezifikationen legte das USB-IF den Grundstein, um selbst große Datenmengen wie sie beispielsweise bei der Bildbearbeitung, dem Backup oder der Archivierung anfallen, schnell und in kürzester Zeit zu übermitteln.

Zeitgleich wurden dadurch die Voraussetzungen geschaffen, sich auch künftig gegen alternative Techniken durchzusetzen und die dominante Marktstellung zu behaupten. Hierfür bedarf es jedoch der Integration von USB 3.1 in Mainboards, Endgeräten, die mit entsprechenden Anschlüssen sowie Controllern ausgerüstet und für den schnellen Standard zertifiziert sind sowie passenden Kabeln.

Noch sind entsprechende Produkte rar gesät. Insofern braucht es vermutlich noch Zeit, bis USB 3.1 zur Selbstverständlichkeit wird.

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