Von USB 1 bis USB4 – der Universal Serial Bus kann immer mehr

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Der Universal Serial Bus (USB) hat sich von einer einfachen „gemeinsamen Schnittstelle“ für einige Peripheriegeräte zu einer vielseitigen, universellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für alle externen Geräte entwickelt.

Mitte der neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts gründen mehrere Computer-Unternehmen das USB Implementers Forum (USB-IF) und legen die Spezifikation für eine universelle serielle Schnittstelle fest, den neue Peripheriegeräte – seien es E/A-Gerät, Massenspeicher oder Kommunikationsschnittstelle – nutzen können.

Die Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle kann durch Hubs auf viele Geräte erweitert werden. Später wird die Datenrate mit USB 2.0 von 12 Mbps auf 480 Mbps erhöht, wobei die Abwärtskompatibilität zu langsameren Geräten beibehalten wurde.

USB 3.0 erlaubt eine deutlich höhere Datenrate

2008 definierte das USB-IF USB 3.0 und beseitigt den Engpass der Halbduplex-Kommunikation über ein einziges Leitungspaar, indem sie zwei unidirektionale Superspeed-Verbindungen für Downlink und Uplink einführt. Jede dieser Verbindungen besteht aus zwei differentiellen Leitungen und wird Lane genannt.

Die Datenrate wird auf 5 Gbps, später auf 10 Gbps gesetzt, und es wird eine verbesserte Übertragungs- und Kodierungstechnologie eingesetzt. Der nächste Standard USB Type-C ist softwarekompatibel, bietet aber mehr Flexibilität bei der Hardware.

USB Type-C bietet mehr Flexibilität bei der Hardware

Der neue Stecker für USB Type-C hat 24 Leitungen. Es gibt nur einen Typ, der sowohl an den Host als auch das Gerät passt, wobei die Richtung des Kabels umkehrbar ist. Der Host sorgt dafür, dass die Leitungen in die richtige Richtung geschaltet werden.

Darüber hinaus implementiert USB Type-C so genannte „Alternate Modes“. In diesen Modi können einige Leitungen zur Übertragung anderer Signale, also nicht nur für USB-Daten verwendet werden, zum Beispiel für DisplayPort oder MHL-Grafiken (Bild 1).

Da USB Type-C als reine USB-Verbindung ein Paar pro Richtung ungenutzt lässt, verwendet die nächste Revision von USB die „Reserve“-Leitungen, um Daten schneller zu übertragen. Dazu werden die beiden Kanäle gebündelt. USB 3.2 verdoppelt auf diese Weise die Datenrate auf „Enhanced SuperSpeed“ mit 20 Gbps.

Thunderbolt bietet mehr Anschlussmöglichkeiten

Die Konkurrenz zum Universal Serial Bus wird Mitte der achtziger Jahre unter anderem von Apple Computers definiert. Die „Thunderbolt“-Schnittstelle ermöglicht nicht nur den Anschluss von Peripheriegeräten wie Festplatte, Scanner, Kamera und Monitor in einer Daisy-Chain-Konfiguration, sondern verbindet auch zwei Hosts mit bis zu 40 Gbps.

Der Host stellt jedem Peripheriegerät ausreichend Bandbreite für die Datenübertragung zur Verfügung. Darüber hinaus kann über dieselbe Schnittstelle eine Leistung von bis zu 100 W bereitgestellt werden. Intel als Patentinhaber übergibt die Spezifikation an die USB Implementers Group, die diese Technologie in die Spezifikation von USB4 einfließen lässt.

USB4 verbindet Thunderbolt und den klassischen USB

USB4 ist eine Synthese des klassischen USB und Thunderbolt. Die Geschwindigkeit von USB 3 wird auf 40 Gbps verdoppelt, was aus 20 Gbps pro Lane resultiert. Thunderbolt steuert das Konzept der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite als auch die Tunnelarchitektur bei. Alle Thunderbolt-Signale werden unterstützt, also DisplayPort-Grafiken, PCIe-Daten, USB ab Version 1.1 und eine Leistung von bis zu 100 W. Die Baumstruktur wird von USB übernommen.

Elektrische Aspekte beim USB4 im Detail

USB4 nutzt den USB-Type-C-Stecker mit 24 Pins und alle Leitungen. Zwei separate Leitungen für USB-2.0/1.1-Signale gewährleisten die Abwärtskompatibilität. Das neue Benennungsschema (Bild 2) berücksichtigt verschiedenste Konfigurationen je nach Datenrate und der Anzahl der Lanes. Der vollständige Name lautet also „USB4 Gen X x Y“, wobei X die Datenrate und Y die Anzahl der Lanes angibt.

Bislang definiert USB4 drei verschiedene Datenraten pro Lane: 5 Gbps (X = 1), 10 Gbps (X = 2) und 20 Gbps (X = 3). Begrenzt durch die verfügbaren Leitungen sind eine (Y = 1) oder zwei (Y = 2) Lanes möglich. Zwei Lanes werden aggregiert und erscheinen dem System wie ein einziger Übertragungskanal mit bis zu 40 Gbps Datenrate. Im Vergleich zum noch weit verbreiteten USB 3.1 mit 5 Gbps erlaubt USB 4.0 die 8-fache Datenrate. Im Vergleich zu USB 2.0, das noch viele USB-Memory-Sticks noch weit verbreitet inutzen, ergibt sich bei USB4 eine mehr als 80-fache Steigerung (Bild 3).

Die verschiedenen Protokoll-Möglichkeiten von USB4

Eine Stärke von USB4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Allerdings schreibt die USB4-Spezifikation keine Thunderbolt-Unterstützung durch einen Host-Computer oder ein Gerät selbst vor. Anders als bei den „Alt-Modi“, die mit USB Type-C eingeführt wurden, wird die Bandbreite mit einer feinen Granularität geteilt, nicht in Lane-Einheiten. Die Hot-Plugging-Fähigkeit ermöglicht das Anschließen, Konfigurieren, Verwenden und Trennen von Peripheriegeräten, während der Host und andere Peripheriegeräte in Betrieb sind. Das Protokoll ist kompatibel zu früheren Revisionen von USB. Mit dem USB-PD-Protokoll (Power Delivery) kann Strom zum Betrieb oder Laden des Akkus bidirektional zwischen Host und Peripheriegeräten übertragen werden.

Die Eigenschaften des USB- Standards im Überblick

USB 1.1/2.0 nutzt ein Paar Datenleitungen (Bild 4). Die nächste Generation ergänzte SuperSpeed auf getrennten Leitungspaaren, und USB Type-C fügte zwei weitere Lanes hinzu, um den Stecker wenden zu können. Die Reserve-Lanes konnten für alternative Modi, etwa DisplayPort-Videosignale verwendet werden. Diese Funktion wird von USB Type-C in zwei Stufen genutzt: Im ersten Schritt werden zwei Lanes zur Übertragung alternativer Daten verwendet. Im zweiten werden alle SuperSpeed-Lanes für DisplayPort-Daten umgewandelt, sodass sehr hochauflösende Displays angeschlossen werden können. USB 2.0/1.1 bleibt weiterhin verfügbar, da es auf getrennten Leitungen läuft.

Neben den neuen Funktionen bietet USB4 eine neue Datenrate von 40 Gbps, welche die mit USB 3.2 verfügbare Datenrate verdoppelt. Dabei überträgt jede der zwei Lanes 20 Gbps. Die maximal erreichbare Kabellänge hat sich nochmals reduziert. Während die Kabellänge bei USB 1.1/2.0 hauptsächlich unter Zeitbeschränkungen litt – die maximale Zeit bis zum Rückempfang der Antwort beim Host –, müssen spätere Generationen mit den Eigenschaften von realen Kabeln und realen Steckern zurechtkommen.

Ab USB 3 wird die Qualität der elektrischen Signale während der Enumeration überprüft, und die Sender wenden eine Vorverzerrung und Entzerrung an. Das bedeutet, dass das Signal am Sender absichtlich verzerrt wird, um am Empfänger ein noch gutes Signal zu erhalten. Es liegt auf der Hand, dass ein hochwertiges Kabel mit konstanter und angepasster Impedanz, geringen Verlusten und geringer Kapazität eine größere Entfernung zulässt. Dennoch arbeitet die Gen 1 (5 Gbps) bis 3 m, die Gen 2 (10 Gbps) bis 1 m zuverlässig. 20 Gbps können über 0,5 m erreicht werden. Distanzen, insbesondere bei 20 Gbps, können durch den Einsatz eines aktiven Kabels, das Re-Clocker und adaptive Equalizer einsetzt, verlängert werden.

USB4 bietet eine hohe Bandbreite und große Vielseitigkeit

USB4 kombiniert höchste Bandbreite mit größter Vielseitigkeit für Peripheriegeräte und basiert auf den Erfahrungen mit früheren USB-Generationen und der Thunderbolt-Technologie. Die Verwendung von zwei parallelen Lanes und die Verdoppelung der Datenrate auf jeder Lane erhöhte die Gesamtdatenkapazität auf 40 Gbps. Dies ermöglichte den Anschluss mehrerer Peripheriegeräte mit Hochgeschwindigkeits-USB, DisplayPort-Grafiken, PCIe-Lade-/Speicherfunktionen oder gar Host-zu-Host-Verbindungen.

Die USB-Stromversorgung erlaubt bidirektionales Laden oder eine Stromversorgung zwischen Host und Gerät. Die Stecker und Kabel des USB Type-C sind zukunftssicher und dank Wendefunktion gut handhabbar. Das Thunderbolt-3-Protokoll bietet Kompatibilität zu einer noch größeren Bandbreite an Peripheriegeräten, und die skalierbare (nicht nur wählbare) Bandbreite für Grafik und Daten macht die Schnittstelle äußerst flexibel. USB4 ist eine echte Einkabellösung für viele stationäre und mobile Geräte.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 9/2020 (Download PDF)

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* Rudolf Sosnowsky ist Technischer Leiter/ Chief Technology Officer bei HY-LINE Computer Components in Unterhaching bei München.

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