Datenübertragung

USB: Das universelle Datenübertragungssystem

Mit dem USB-Datenübertragungssystem können verschiedenste Geräte an einen Computer angeschlossen und auf diese Weise Energie und Daten übertragen werden. Ebenso können Geräte miteinander verbunden werden.

Von Julian Ruecker

Kurzer Überblick über die Geschichte von USB

USB ist die Abkürzung für "Universal Serial Bus" und ist ein serielles Übertragungssystem zur Verbindung von (Peripherie-)Geräten wie Maus, Tastatur, Drucker und ähnlicher Hardware mit einem Computer oder von Geräten untereinander. Neben Datenübertragung dient USB auch zur Energieübertragung. Seriell bedeutet, dass - im Gegensatz zur parallelen Übertragung - digitale Daten nur über eine Leitung übertragen werden. Bei paralleler Übertragung werden Daten dagegen synchron über mehrere Leitungen übertragen.

USB: Das universelle Datenübertragungssystem
Images licensed by Ingram Image, Montage: teltarif.de Die erste Version USB 1.0 wurde von den Unternehmen Compaq, DEC, Intel, IBM, Microsoft, NEC und Nortel in Zusammenarbeit entwickelt und 1996 eingeführt. Ziel war ein einheitlicher Anschlusstyp für Eingabe- und andere Peripheriegeräte. 1998 wurde bereits eine überarbeitete Version 1.1 vorgestellt, die Fehler und Unklarheiten beseitigte sowie erste kleine Neuerungen beinhaltete. Die darauf folgenden Spezifikationen wurden in Abständen von einigen Jahren vom 1995 gegründeten und auch heute noch dafür zuständigen USB Implementers Forum (USB-IF) veröffentlicht, das sich die Förderung und Verwaltung von USB zum Ziel gesetzt hat.

Spezifikation¹⁾	Jahr	Maximale Nutz-Datenrate	Maximale Leistung
USB 1.0	1996	1 MB/s	0,5 W
USB 2.0	2000	40 MB/s	2,5 W
USB 3.0	2008	1,8 GB/s	15 W
USB 4.0	2019	40 GB/s	100 W²⁾
Stand: April 2024, Angaben ohne Gewähr. 1) Zwischenversionen werden hier nicht berücksichtigt. 2) Voraussetzung ist USB-PD.

Die Eigenschaften der verschiedenen Stecker und Buchsen wurden wiederum in eigenen Spezifikationen festgelegt, beispielsweise für USB Typ-A und Typ-B mit ihren jeweiligen Stecker- und Buchsen-Variationen sowie die 2014 fertiggestellte und 2016 von der IEC (International Electrotechnical Commission, auf Deutsch: Internationale Elektrotechnik Kommission) angenommene USB-C-Spezifikation. Darüber hinaus gibt es noch die Spezifikationen USB-PD (USB Power Delivery) und USB-BC (USB Battery Charging). Die Besonderheiten von USB-C und weiteren in diesem Zusammenhang wichtigen Spezifikationen werden in den folgenden Abschnitten genauer beleuchtet.

Unterscheidung zwischen Host und Client

Bei Verbindung von USB-C-Geräten ist unter Umständen auf die beabsichtigte Richtung der Energieübertragung ("Laden") zu achten. Da bei USB-C nicht durch entsprechende Kabel bzw. Stecker und Buchse zwischen Host und Client unterschieden werden kann (wie z. B. auch bei HDMI- und RJ45-Kabel), ist die durch die Verbindung beabsichtige Übertragung von Energie oder durchaus auch Daten nicht immer möglich - beispielsweise bei Verbindung zwischen Host und Host oder Client und Client (z. B. bei Verbindung von Smartphone und Tablet oder Smartphone und Smartphone). Im Folgenden werden kurz weitere Details sowie Unterschiede und Abhängigkeiten zwischen Energie- und Datenübertragung beleuchtet.

Was die Datenübertragung angeht, gibt es vier verschiedene "Rollen", die ein Gerät einnehmen kann. Diese sind "keine Daten", "downstream facing port (DFP)" - das Gerät sendet Daten (wie USB-Typ-A-Port, z. B. am Computer) -, "upstream facing port (UFP)" - das Gerät empfängt Daten (wie USB-Typ-B-Port, z. B. am Handy) - und schließlich "dual role data (DRD) port".

Energieversorgung und Configuration Channel

Für die Energieversorgung über USB-C ist die USB-PD-Spezifikation, die vom eigentlichen USB-Standard unabhängig ist, zuständig. USB-PD 3.0 ermöglicht die Übertragung von Leistungen von bis zu 100 W (maximal 5 Ampère bei 20 Volt) - Standard Power Range (SPR) - über USB, mit der neueren Spezifikation USB-PD R3.1 können Leistungen von bis zu 240 W (maximal 5 Ampère bei 48 Volt) - Extended Power Range (EPR) - übertragen werden. Für die Definition entsprechender Anforderungen für Kabel wurde außerdem die Spezifikation R2.1 für USB-C veröffentlicht. Das dazugehörige Protokoll handelt mithilfe eines im Kabel (genauer: im Stecker) integrierten Chip aus, wie groß die erlaubte Leistung sein darf: Die Quelle ("provider" oder "source") liefert dem Verbraucher ("consumer" oder "sink") die möglichen Spannungs- und Stromstärkewerte, der Verbraucher sucht sich davon etwas aus und fordert dies dann von der Quelle an. Neben diesen beiden Rollen gibt es mit "dual role power (DRP) port" noch eine dritte. Hinter USB-PD steckt die Idee, neben Smartphones und Tablets auch Laptops per USB zu laden und so ein universelles Ladegerät zu erhalten. Nach der Aushandlung der Energieversorgung wird auch die Übertragungsgeschwindigkeit für Daten entsprechend ausgehandelt.

Sowohl die Rolle der angeschlossenen Geräte als auch die maximal zu übertragende Leistung wird also von USB-PD ausgehandelt. Dies geschieht über Datenpakete, die über den "Configuration Channel" (CC) gesendet werden. Wie unten zu sehen ist, hat die USB-C-Buchse im Gegensatz zum Stecker nur einen CC-Pin, wodurch der Eindruck entstehen könnte, dass die Orientierung doch nicht egal ist. Hier kommt jedoch wieder der CC ins Spiel: Er prüft, wie der Stecker in die Buchse gesteckt wurde, woraufhin der USB-Host-Controller die Buchse entsprechend beschaltet.

USB-C-Buchse-Pin-Belegung
Bild: Benson Leung (https://medium.com/@leung.benson)
USB-C-Stecker-Pin-Belegung
Bild: https://www.elektronik-kompendium.de/
Da nun also sowohl Hosts als auch Clients die gleiche Buchse haben, wird Folgendes festgelegt: Was früher eine Typ-A-Buchse war, ist jetzt DFP (Daten werden gesendet), und was früher eine Typ-B-Buchse war, ist jetzt UFP (Daten werden empfangen). Diese Festlegung geschieht über Widerstände (auf Englisch: resistors) im CC. DFP bekommt einen "pull-up resistor" (R_p) zwischen CC-Pin und 5V-Pin, UFP bekommt einen "pull-down resistor" (R_d) zwischen CC-Pin und Gnd-Pin (Gnd: "Ground", also auf Deutsch: Erde). Wird nun ein USB Host mit einem USB Clienten verbunden, ensteht eine Verbindung zwischen den CC-Pins auf beiden Seiten und der CC sorgt für die korrekte Flussrichtung.

USB-PD-Profile, PPS und PD-Probleme

Der bereits oben erwähnte Chip im Stecker des USB-C-Kabels enthält verschiedene Ladeprofile, wobei Eigenschaften des verwendeten Kabels berücksichtigt werden. Die USB-PD-Spezifikation sieht fünf Profile vor, von denen eines nach den Eigenschaften der Geräte ausgehandelt wird. Durch Profil 1 wird eine Leistung von 10 Watt bereitgestellt. Es ist das Standard-Profil beim Anschließen des Geräts sowie für das Laden von kleinen mobilen (End-)Geräten, Smartphones und Vergleichbarem. Wird durch die Aushandlung Profil 2 gewählt, beträgt die maximale Leistung bereits 18 Watt und ist damit für Tablets, kleine Laptops und Ähnliches geeignet. Das Profil 3 wird ebenfalls für kleine Laptops und zusätzlich größere Endgeräte mit einer maximalen Leistung von 36 Watt ausgehandelt. Für größere Laptops, Hubs, Docking-Stations und andere Geräte dieser Dimension wird das Profil 4 mit einer maximalen Leistung von 60 Watt benötigt. Zu guter Letzt steht im Falle der Aushandlung des Profils 5 eine maximale Leistung von 100 Watt ebenfalls z. B. für Hubs, Docking-Stations und überdies für Workstations o. Ä. zur Verfügung. Ab Profil 2 werden spezielle Kabel benötigt, denn die bisher üblichen Kabel sind für die Stromstärken und Spannungen nicht ausgelegt. Dies gilt insbesondere auch für ERP.

Die PPS - Programmable Power Supply (auf Deutsch: programmierbare Energieversorgung) - ist die USB-PD-Spezifikation in der Version 3.0 und der erste offizielle Schnelllade-Standard. Dieser erlaubt es USB-Netzteilen, nicht nur feste Stufen oberhalb von 5 Volt bereitzustellen, sondern dynamisch breite Spannungsintervalle zu durchlaufen, sodass das Netzteil die Spannung bedarfsgerecht in kleinen Schritten regelt.

Was sich in der Theorie gut anhört, muss noch lange nicht in der Praxis funktionieren. Damit Daten- und Energieübertragung so funktionieren wie beabsichtigt, müssen alle Geräte inklusive Kabel aufeinander abgestimmt sein - und das ist bei der Menge an verschiedenen Herstellern, Geräten, Kabeln und den sich daraus ergebenden Kombinationsmöglichkeiten alles andere als einfach. Es kann also zu unvorhersehbarem Verhalten kommen, wie auch der nächste Abschnitt exemplarisch zeigt. Ob diese Probleme in naher Zukunft gelöst werden können, bleibt also abzuwarten. USB-C-Energie
Bild: https://www.rohm.de/

Client-zu-Client- und andere Verbindungen

Da USB-PD und der CC bei fest definiertem Host und Client die gewünschte Flussrichtung herstellen, sollte es zu keinerlei Problemen bei Daten- und Energieübertragung kommen, wenn nur USB-C-Geräte und -Kabel benutzt werden. Nun bleibt also die Frage was passiert, wenn andere Verbindungskombinationen, unter anderem auch mit Hubs oder Ähnlichem, realisiert werden. Da die möglichen Kombinationen mannigfaltig sind, wird sich hier auf einige wichtige Beispiele beschränkt. Da es noch viele Typ-A- und Typ-B-Clients und Hosts gibt, ist diese Betrachtung mit am interessantesten. Aufschlussreich ist es zudem zu beobachten, wie sich zwei USB-C-Geräte gleicher Art bei direkter Verbindung mit entsprechendem USB-C-Kabel verhalten. In Foren, Blogs und anderen Orten im Internet gibt es bereits einige Erfahrungsberichte. So wird beim Zusammenschluss eines Smartphones mit USB-C-Buchse mit einem Tablet mit USB-C-Buchse durch ein USB-C-Kabel immer das Smartphone durch das Tablet geladen (es ist davon auszugehen, dass eines der mitgelieferten Kabel benutzt wird, also USB-PD und CC vorhanden sind). Bei Verwendung eines "USB-C-OTG-Adapters" und eines dann benötigten A-Steckers auf USB-C-Stecker kann es vorkommen, dass das vermeintlich kleinere Smartphone das Tablet lädt.

USB-C-Adapter
Bild: https://www.rohm.de/
Während also alles wie gewünscht läuft wenn nur USB-C-Geräte und -Kabel an Verbindungen beteiligt sind, kommt es bei einer Mischung darauf an, welche Kabel und Adapter verwendet werden. Es gibt zwei Arten von Kabeln/Adaptern: Legacy-Host-Adapter (Typ-A-Stecker oder Micro-B-Buchse auf Typ-C-Stecker) und Legacy-Device-Adapter (Micro-B-Stecker oder Typ-A-Buchse auf Typ-C-Stecker). Diese sollten die korrekten Widerstände haben, damit sich die beabsichtigten Rollen entsprechend einstellen. Das würde bedeuten, dass im Falle von Legacy-Host-Port-Adaptern Energie und Daten immer zum Typ-C-Stecker fließen, im Falle von Legacy-Device-Port-Adaptern immer vom Typ-C-Stecker weg. All das zeigt also, dass bis zu einem problemlosen Zusammenschließen und Laden verschiedener Geräte oder einem universellen Ladegerät für alle angeschlossenen Geräte noch ein weiter Weg ist.