EP Basics: Schnittstellen-Standard USB Universal Serial Bus: Konnektivität und Stromversorgung

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Die USB-Schnittstelle hat sich heute flächendeckend durchgesetzt. Die Integration von USB-Konnektivität und -Stromversorgung in die Spezifikation eines Designs ist ein wesentliches Kriterium für Hardware-Ingenieure und Entwickler von Embedded-Systemen.

Ursprünglich wurde die USB-Schnittstelle (Universal Serial Bus) vor mehr als zwei Jahrzehnten entwickelt, um die Konnektivität von Peripherie-Geräten über die alten seriellen und parallelen Schnittstellen hinaus zu verbessern. Inzwischen haben sich durch die Möglichkeit zur Stromversorgung die Anwendungen erheblich erweitert.

Dieser Artikel diskutiert, wie weit verbreitet die USB-Schnittstelle mittlerweile ist, wie sich der USB-Standard entwickelt hat und welche Änderungen es beim USB-Steckverbinderertyp gibt.

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Die erste USB-Spezifikation, USB 1.0, wurde 1996 vom USB Implementers Forum (USB-IF) veröffentlicht. USB wurde von den führenden Hardware-Anbietern dieser Zeit – Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und Nortel – aus der Notwendigkeit heraus entwickelt, eine Standardmethode für den Anschluss von Peripheriegeräten an Computer zu etablieren.

Das explosionsartige Wachstum von Desktop-Computern und Peripheriegeräten – von externen Festplatten, Tastaturen, Mäusen, Druckern, Webcams und tragbaren Media-Playern – führte zu einer Vielzahl von unterschiedlichen und teilweise proprietären Verbindungsmöglichkeiten. Das Fehlen eines Anschlussstandards schränkte auch das Marktwachstum für die vielen unabhängigen Hersteller von Peripherie-Geräten ein.

Mitte der 1990er Jahre wurden Peripherie-Geräte über die weit verbreitete serielle Schnittstelle RS232 und die parallele Centronics-Schnittstelle angeschlossen, die beide keine Stromversorgungsmöglichkeiten boten. Zudem erforderte deren Konfiguration technische Kenntnisse. Andere Anschlussarten waren IBM PS/2, DIN und SCSI.

USB-Spezifikation: Die anwenderfreundliche Schnittstelle

Die USB-Spezifikation wollte von Anfang an eine anwenderfreundliche Schnittstelle schaffen. Das bedeutete, dass die Schnittstelle selbstkonfigurierend und im laufenden Betrieb austauschbar sein musste, damit Geräte angeschlossen und entfernt werden konnten, ohne den Betrieb des Host-Computers zu unterbrechen. Da fast alle angeschlossenen Peripheriegeräte Strom benötigen, wurde in der Spezifikation USB 1.0 eine Leistung von 5 V DC / 0,5 A / 2,5 W festgelegt.

Durch die gleichzeitige Stromversorgung des Peripheriegeräts entfiel auch der Bedarf an zusätzlichen Netzteilen und Kabeln. USB spezifizierte auch eine kleine Anzahl von Host- und Peripherie-Steckverbinderertypen.

Die elektrische Spezifikation hätte nicht einfacher sein können: Es wird eine vieradrige Leitung verwendet, mit zwei Drähten für die Stromversorgung und einem verdrillten Paar für die Datenübertragung. Im ersten Jahrzehnt der USB-Einführung gab es eine Vielzahl von Steckverbindertypen, von denen jedoch viele inzwischen veraltet sind. Manchmal wird die Spezifikation des Steckverbinders, z. B. Typ A, mit der Busspezifikation, z. B. USB 3.1, verwechselt – siehe Bild 1.

Im Laufe der Jahre hat sich die USB-Spezifikation hinsichtlich der Datenübertragungsraten und der Stromversorgungsmöglichkeiten weiterentwickelt. Die ursprüngliche Spezifikation USB 1.0 sah zwei unterschiedliche Signalübertragungsraten von 12 MBit/s und 1,5 MBit/s vor. Um die technische Terminologie für Verbraucher auf ein Minimum zu beschränken, hatte jede Geschwindigkeitsspezifikation einen nichttechnischen Namen.

Der 12-MBit/s-Standard wurde als USB Full Speed und der 1,5-MBit/s-Standard als USB Low Speed bekannt. Das USB-IF (USB Implementers Forum) verfolgte diesen Ansatz im Jahr 2000 mit USB 2.0 weiter, einem 480-MBit/s-Standard, der als High Speed bezeichnet wurde. Im Jahr 2008 folgte USB 3.0 mit bis zu 5 GBit/s, dem SuperSpeed USB (Bild 2).

SuperSpeed+: Die Datenraten steigen

Im Jahr 2013 lieferte USB 3.1 SuperSpeed+ Datenübertragungsraten bis zu 10 GBit/s, und mit USB 3.2 im Jahr 2017 wurde ein Dual-Lane-Ansatz eingeführt, der die Datenrate auf 20 GBit/s verdoppelt. In nur etwas mehr als einem Jahrzehnt stiegen die USB-Datenübertragungsraten um das 1666-fache und die Verbreitung von USB nahm rapide zu. USB konnte sich in dieser Zeit auch gegen mehrere konkurrierende Technologien durchsetzen, z. B. gegen das schnellere, aber schwieriger zu implementierende Firewire von Apple.

Bei der USB-3.0-Spezifikation gab es mehrere Iterationen bei der Datenrate und, was noch wichtiger ist, die Ankündigung des USB-C-Steckverbindertyps. Der USB-C-Anschluss unterstützt ein breiteres Spektrum an Geräten und kann unabhängig von der Ober- oder Unterseite verdreht gesteckt werden. USB-C hat sich schnell als primäre Methode zum Aufladen und Betreiben tragbarer Geräte etabliert, von Smartphones bis hin zu Laptops. Die Leistungsfähigkeit entspricht mittlerweile der eines herkömmlichen Netzteils. Außerdem wurden mit USB-C und USB 3.0 eine Reihe verschiedener Spannungsausgänge eingeführt: 9; 12; 15 und 20 V.

USB war von Anfang an bestrebt, seine ursprünglichen Ziele fortzusetzen. Die Kabellängen sind relativ kurz gehalten, da Geräte am gleichen physischen Standort wie den Host zu verbinden und nicht in Netzwerkanwendungen zu verfallen. Außerdem erfordert die Baum-Topologie, dass die gesamte Kommunikation über den Host-Controller erfolgt. Geräte können nicht direkt miteinander kommunizieren.

USB-Architektur und -Konzepte

Die funktionale Architektur von USB basiert auf einem Tiered-Star-Host-Konzept, wobei der Root-Host-„Upstream“-Controller in der Regel in einem Desktop-PC oder Laptop eingebaut ist. Bis zu 127 Geräte können über mehrere externe Hubs an einen einzigen Controller angeschlossen werden. Die angeschlossenen Peripheriegeräte werden nach Klassen eingeteilt (HMI, Media-Streaming usw.). Jedes Gerät, z. B. eine Tastatur, wird eindeutig mit einer Adresse und meist drei logischen Endpunktkanälen identifiziert. Jeder Endpunkt hat eine bestimmte Funktion, und die Spezifikation lässt bis zu 32 Endpunkte in einem einzigen Gerät zu (Bild 4).

Die Kommunikation zwischen dem Host-Controller und dem Gerät erfolgt über bidirektionale Leitungen, entweder zur Steuerung oder für Daten. Die Leitungsfunktionen hängen von der Geräteklasse ab, die normalerweise die Datenübertragungsarten definiert. Es gibt vier Arten der Datenübertragung: Control, Interrupt, Bulk und Isochron. Bild 5 zeigt die Attribute jedes Datentransfertyps mit einem Anwendungsbeispiel.

Der Prozess der Geräteinitialisierung (Enumeration) wird durch den Anschluss eines USB-Geräts an einen Host-Controller eingeleitet. In diesem Schritt sendet der Host ein Reset-Signal an das Gerät und fragt die Parameter des Geräts ab, um die Geräteklasse und die Übertragungsgeschwindigkeit festzulegen. Anhand dieser Informationen weist der Host-Controller dem Gerät eine eindeutige 7-Bit-Adresse zu, woraufhin die Datenübertragung beginnen kann.

Eine ausführlichere technische Erklärung der USB-Architektur und des Betriebs ist auf der USB-IF-Website zu finden. Der Anwendungshinweis AN57294 von Infineon (ehemals Cypress) enthält ebenfalls eine detaillierte Erläuterung des USB 2.0-Betriebs.

Fortlaufende Entwicklung führt zu USB4

Ende 2019 gab das USB-IF die USB4-Spezifikation bekannt. USB4 basiert auf der Architektur von USB 2.0 und USB 3.4 und basiert hauptsächlich auf dem Thunderbolt-Protokoll. Die Datenübertragung bis zu 40 GBits/s im Zwei-Lane-Betrieb wird durch USB-C-Stecker und zertifizierte Kabel ermöglicht. Mehrere Anzeige- und Datenprotokolle teilen sich die maximale Bandbreite von USB4 effizient. Die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0 wird beibehalten, neu bei USB4 ist die Kompatibilität mit Thunderbolt-3-Geräten.

Das USB-IF verfolgt als eines der Ziele bei USB4 die Konzentration auf USB-C voranzutreiben und die Verwirrung zu beseitigen, die mit mehreren alten Steckverbindertypen verbunden ist. Kreative Branchen wie Videobearbeitung und Animation profitieren schon lange von den außergewöhnlichen Übertragungsraten, die Thunderbolt 3 bietet. Die Integration in USB4 bietet daher zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten. USB4 kann auch andere gängige Übertragungsprotokolle tunneln, darunter PCIe und DisplayPort.

Für eine detaillierte Einführung in USB4 ist die Präsentation USB4 System Overview des USB-IF besonders informativ.

Das USB-IF hat weiterhin Konformitäts- und Prüfdienste für Gerätehersteller eingerichtet. Da Typ-C nun eine Nische für Ladegeräte und Stromversorgungsapplikationen gefunden hat und das Wachstum von USB4 für eine zunehmende Anzahl von Peripherie-Geräten vorantreibt, hat das USB-IF die Website EnablingUSB eingerichtet. Auf der Website werden die neuen Logos vorgestellt, die den Verbrauchern die Gewissheit geben sollen, dass die Produkte zertifiziert sind.

Beispiele für das USB-Produktportfolio

Mouser bietet eine Reihe von USB-Produkten führender Hersteller an, um Ingenieure bei der Entwicklung und Produktion von USB-Applikationen zu unterstützen. Dazu gehören beispielsweise die verschiedenen USB-C-Evaluierungsmodule von FTDI Chip. Die Module FT233HP und FT4233HP bieten Hochgeschwindigkeits-USB-Typ-C-Konnektivität mit zwei Typ-C-Anschlüssen. Ein Typ-C-Anschluss kann entweder als Senkenanschluss zur Aufnahme von Strom oder als Stromquellenanschluss fungieren. Der zweite Anschluss kann nur als Senkenanschluss fungieren.

Die Anschlüsse unterstützen mehrere USB-3.0-Stromversorgungsprofile, die von 5 bis 20 V reichen. Zu den seriellen Host-Konnektivitätsoptionen gehören UART, SPI, I²C und JTAG. Die Module enthalten die Hochgeschwindigkeits-USB-Brücken-ICs FT233HP und FT4233 von FTDI. Diese USB 3.0-kompatiblen Bauelemente verfügen über einen 32-Bit-RISC-Controller und sind mit den USB-2.0-Standards 480 MBit/s und 12 MBit/s kompatibel.

Smart-Hub-Überbrückung

Die USB 3.1 Gen 1 kompatiblen Smart-Hub-Überbrückungs-ICs USB58x und USB59x von Microchip Technology können sechs oder sieben USB 3.1 Gen 1 Downstream-Ports implementieren. Die ICs sind mit der Port-Splitting-Technologie von Microchip ausgestattet, die es ermöglicht, einen USB-Downstream-Port zwischen der gleichzeitigen Unterstützung von USB 3.1- und USB 2.0-Geräten aufzuteilen. Die Überbrückungsfunktionen des USB58 und des USB59 ermöglichen die nahtlose Anbindung von I²C, SPI oder GPIOs über USB. Das Eva-Board des Herstellers EVB-USB5816 ist eine perfekte Demonstrations- und Prototyping-Plattform für die USB5816-Baureihe von Brücken-ICs. Bild 5 zeigt die Architektur des Brücken-ICs und veranschaulicht dessen Downstream-Fähigkeiten mit sechs Ports und die Upstream-Fähigkeiten mit einem Port.

Der USB-Typ-C-Controller-IC EZ-PD CCG3PA von Infineon/Cypress eignet sich für USB-Power-Delivery-Applikationen in einer Vielzahl von Tablet- und Smartphone-Ladegeräten. Basierend auf einem Arm-Cortex-M0-Prozessorkern und Fehlerschutzfunktionen auf Systemebene, wie Unterspannung, Überspannung und Ausgangsüberstrom, entspricht der IC der Power Delivery 3.0-Spezifikation des USB-IF.

USB gewinnt immer mehr an Bedeutung

Der Universal Serial Bus hat sich als kabelgebundene Hochgeschwindigkeitsschnittstelle mit kurzer Reichweite für praktisch alle Geräte durchgesetzt. In den letzten Jahren hat USB mit den USB-Typ-C-Steckverbindern und deren Rolle bei der Stromversorgung weitere Schritte unternommen, um seine Attraktivität und Beliebtheit noch weiter zu steigern.

Die Integration von USB-Konnektivität und Stromversorgung in die Spezifikation eines Designs ist ein wesentliches Kriterium für Hardware-Ingenieure und Entwickler von Embedded-Systemen. Führende Halbleiterhersteller bieten eine breite Palette von USB-IF-konformen Schnittstellen, Controllern und Stromversorgungs-ICs an, die als Basis für ein Design verwendet werden können. Evaluierungsboards, Development Kits und Referenzdesigns tragen dazu bei, dass eine neue Entwicklung schneller Wirklichkeit wird. (kr)

* Mark Patrick ist Technical Marketing Manager EMEA bei Mouser Electronics.

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