Der Universal Serial Bus (USB) [] ist ein bit-serielles Datenübertragungssystem zur Verbindung eines Computers mit externen Geräten. Mit USB ausgestattete Geräte oder Speichermedien, wie etwa USB-Speichersticks, können im laufenden Betrieb miteinander verbunden (Hot Plugging) und angeschlossene Geräte sowie deren Eigenschaften automatisch erkannt werden. Vor der Einführung von USB gab es eine Vielzahl verschiedener Schnittstellentypen mit unterschiedlichsten Steckern zum Anschluss von Zubehör und Peripheriegeräten an Heim- und Personal Computer. Fast alle diese Schnittstellenvarianten wurden durch USB ersetzt, was für die Anwender Vereinfachungen mit sich brachte, die jedoch durch die Vielzahl an unterschiedlichen USB-Steckern und -Buchsen wieder teilweise relativiert wurden.
USB wurde 1996 mit einer maximalen Datenübertragungsrate von 12 Mbit/s als USB 1.0 eingeführt. Im Jahr 2000 ist Version USB 2.0 mit 480 Mbit/s spezifiziert worden. Bei dem 2014 eingeführten Standard USB 3.1 Gen 2 beträgt die maximale Brutto-Datenübertragungsrate für SuperSpeed+ 10 Gbit/s.. In: usb.org, USB Implementers Forum, Inc – USB-IF (englisch) 2017 wurde USB 3.2 mit einer Übertragungsrate bis zu 20 Gbit/s spezifiziert, im Jahr 2022 USB4 2.0 mit bis zu 80 GBit/s. Trotz des Begriffs „Bus“ in der Bezeichnung „Universal Serial Bus“ verwendet USB eine Baum-Topologie mit dem Root-Hub als Wurzel. hochkant|mini|Generisches USB-Symbol hochkant|mini|USB-2.0-Hi-Speed-Verpackungslogo hochkant|mini|USB-3.0-SuperSpeed-Verpackungslogo hochkant|mini|USB4-40Gbps-Verpackungslogo
Überblick Der USB überträgt die Daten bit-seriell, das heißt die einzelnen Bits werden nacheinander übertragen. Die Übertragung erfolgt differenziell über ein symmetrischesDie Asymmetrie aufgrund der Pullup- und Pulldown-Widerstände, mit denen das Peripheriegerät die von ihm unterstützte Datenrate anzeigt, kann hier aufgrund der hohen Werte dieser Widerstände vernachlässigt werden; die Widerstandswerte liegen mehr als eine Größenordnung über dem Wellenwiderstand der Leitung. Adernpaar: liegt auf der ersten Ader der High-Pegel an, so liegt auf der zweiten der Low-Pegel an und umgekehrt. Der Signalempfänger wertet an einem Terminierungswiderstand die Differenzspannung aus. Aus deren Vorzeichen ergeben sich die beiden logischen Zustände Null oder Eins. Durch das differenzielle Verfahren und die Verwendung verdrillter Adern werden elektrisch eingestrahlte Störungen weitgehend eliminiert. Das erhöht die Übertragungssicherheit und unterdrückt Gleichtaktstörungen. Die Übertragung der Daten in beiden Richtungen (von und zum Peripheriegerät) erfolgt bei Datenübertragungsraten bis zu 480 MBit/s über dasselbe Adernpaar; erst die mit USB 3.0 eingeführten schnelleren Modi erfordern weitere Adernpaare. Zwei weitere Adern versorgen angeschlossene Geräte mit Energie. Durch die Verwendung von nur vier Adern in einem Kabel (tauglich bis 480 MBit/s) kann dieses dünner ausgeführt und günstiger gefertigt werden als bei parallelen Schnittstellen. Im Vergleich zu byte-parallelen Verbindungen – wie etwa IEEE 1284 („Centronics“) – ist eine hohe Datenübertragungsrate mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale gleichzeitig mit gleichem elektrischen Verhalten übertragen werden müssen.
Es steht eine Palette unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeiten zur Verfügung. Je nach den sich aus der Anwendung ergebenden Anforderungen kann die maximale Datenübertragungsrate zwischen 1,5 Mbit/s und fast 40 Gbit/s betragen (siehe Abschnitt Datenraten). Die Wahl der maximalen Datenübertragungsrate hat Einfluss auf diverse Parameter, wie etwa Aufwand der Implementierung, Auswahl des Kabelmaterials, Steckertypen oder auch benutzte Signalspannungen.
Die elektrische Verbindung ist eine Direktverbindung (Punkt-zu-Punkt-Verbindung); zu einem Bus-System wird USB erst oberhalb der physischen Ebene. Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (Master) vor, der die angeschlossenen Peripherie-Geräte (der sog. Slave-Clients) koordiniert. Daran können theoretisch bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einem USB-Port kann immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden. Sollen an einem Host mehrere Geräte angeschlossen werden, muss deshalb ein Verteiler (Hub) für deren Kopplung sorgen. Durch die Hubs entstehen Baumstrukturen, die alle im Host-Controller enden.
Für die Standardisierung und Zertifizierung von USB-Geräten ist seit dem Jahr 1995 das USB Implementers Forum (USB-IF) zuständig, das sich als Non-Profit-Organisation aus Entwicklern von USB-Hardware und Software zusammensetzt. Mit der Veröffentlichung von USB 3.1 begann das USB-IF frühere Standards zur Datenübertragung wiederholt umzubenennen: So wurde mit der Veröffentlichung von USB 3.1 der ältere USB 3.0 Modus in „USB 3.1 Gen 1“ umbenannt, während der neue Modus den Namen „USB 3.1 Gen 2“ erhielt. Mit der Veröffentlichung von USB 3.2 wurde der USB 3.0 Modus wiederum in „USB 3.2 Gen 1“ umbenannt, während der USB 3.1 Modus den neuen Namen „USB 3.2 Gen 2“ erhielt. Später erfolgte eine abermalige Änderung in "USB 3.2 Gen 1x1 bzw. USB 3.2 Gen 2x1. Auch die Marketing-Bezeichnungen haben sich im Zeitablauf mehrfach geändert: Während USB 3.0 bei Einführung noch als „SuperSpeed“ und USB 3.1 als „SuperSpeed+“ bezeichnet wurde, wurden mit USB 3.2 die Marketing-Bezeichnungen rückwirkend zu „SuperSpeed USB 5Gbps“ (USB 3.0), „SuperSpeed USB 10Gbps“ (USB 3.1) und „SuperSpeed USB 20Gbps“ (USB 3.2) geändert. Im Jahr 2024 wurde der Begriff „SuperSpeed“ gestrichen. Die häufigen rückwirkenden Namensänderungen haben mit Verweis auf mögliche Verwirrung bei Kunden wiederholt zu Kritik am USB-IF geführt.
Standard Release Aktueller Modus AktuellerMarketing-Name Datenrate Stecker Logo USB 1.0 / 1.1 1996 / 1998 USB 1.0 / 1.1 Low-SpeedFull-Speed 1,5 Mbit/s12 Mbit/s Diverse 32px|Generisches USB-Symbol USB 2.0 2000 USB 2.0 Hi-Speed USB 480 Mbit/s USB 3.0 2008 USB 3.2 Gen 1x1 USB 5Gbps(SuperSpeed, SS) 5 Gbit/s 48px|Symbol für USB 3.0 USB 3.1 2013 USB 3.2 Gen 2x1 USB 10Gbps(SuperSpeed+, SS+) 10 Gbit/s 60px|Symbol für USB 3.1 USB 3.2 2017 USB 3.2 Gen 2x2 USB 20Gbps 20 Gbit/s NurUSB-C 60px|Symbol für USB 3.2 USB 4 2019 USB 4 Gen 3x2 USB 40Gbps 40 Gbit/s 60px|Symbol für USB4 USB 4v2 2022 USB 4 Gen 4x2 USB 80Gbps 80 Gbit/s 60px|Symbol für USB4v2
Einsatzgebiete des USB USB eignet sich für viele Geräte wie Massenspeicher (etwa Festplatten, Disketten, DVD-Laufwerke), Drucker, Scanner, Webcams, Mäuse, Tastaturen, aktive Lautsprecher, aber auch Dongles und sogar Grafikkarten und Monitore.DVI-Ausgang per USB nachrüsten – Heise, am 5. Juni 2007 USB kann für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Mäuse, Telefone, Tastaturen, aber beispielsweise auch CIS-Scanner oder manche 2,5-Zoll-Festplatten und externe Soundkarten die Stromversorgung übernehmen.
Über USB können heute mehrere Gerätetypen angeschlossen werden, die vor der USB-Einführung über eine größere Zahl verschiedener Schnittstellentypen angebunden wurden. Zu den abgelösten älteren Typen gehören sowohl serielle (RS-232, PS/2-Schnittstelle für Tastatur und Maus, Apple Desktop Bus), parallele (Centronics-Schnittstelle) als auch analoge (Gameport) Schnittstellen. Die alten Schnittstellen werden auf manchen Rechner-Hauptplatinen und Notebooks teils noch immer angeboten, auch wenn entsprechende Geräte nicht mehr im Handel erhältlich sind. Alte Geräte mit solchen Anschlüssen wie serielle 56k-Modems oder parallele Drucker sind aber vielerorts noch vorhanden. Im industriellen Bereich wird noch oft RS-232 über ältere PCs oder Adapterkarten eingesetzt, da entsprechende USB-Adapter nicht echtzeitfähig und Peripheriegeräte in diesem Umfeld wesentlich langlebiger sind. Mittlerweile hat USB auch externe SCSI-Schnittstellen weitgehend verdrängt.
Im Vergleich zu den früheren Lösungen bietet USB deutlich höhere Datenübertragungsraten. Die Daten werden jedoch in Paketen übertragen. Für manche zeitkritische Anwendungen ist es deshalb weniger geeignet – etwa bei mit nur wenigen Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde.
Bereits seit der Einführung der USB-2.0-Spezifikation sind relativ hohe Datenübertragungsraten möglich. Dadurch eignet sich USB für den Anschluss weiterer Gerätearten wie Festplatten, TV-Schnittstellen und Fotokameras. Bei externen Massenspeicherlösungen steht USB in Konkurrenz zu FireWire und eSATA und hat diese zumindest im Heimbereich fast vollständig verdrängt.
Über USB können auch universelle zusätzliche Faktoren für die Zwei-Faktor-Authentifizierung mit Betriebssystemen oder Webbrowsern kommunizieren, wie zum Beispiel Security-Tokens für den offenen U2F-Standard.
Geschichte und Entwicklung mini|USB-2.0-PCI-Erweiterungskarte mini|hochkant|Altes USB-Logo
USB 1.0 1992 fanden sich an plug and play arbeitende Entwickler von Compaq, DEC, Intel, IBM, Microsoft, NEC und Nortel zusammen und formten eine Allianz. 1995 entstand das USB Implementers Forum und der erste Chip für USB. Im Januar 1996 wurde die erste Spezifikation des Universal Serial Bus veröffentlicht. Wichtige Beiträge leistete das Entwicklungsteam um Ajay Bhatt bei Intel.
USB ersetzt viele bisherige PC-Schnittstellen und vereinheitlichte den Anschluss für Tastaturen und Peripheriegeräte wie Drucker, Scanner und externe Massenspeicher.
Als einer der ersten Chipsätze unterstützte 1996 der für den Pentium Pro entwickelte und auch mit dem Pentium II verwendete 440FX das USB-Protokoll, was vor Einführung der ATX-Mainboards jedoch kaum beworben wurde. Ein Grund war die geringe USB-Unterstützung durch die Betriebssysteme Windows 95 und Windows NT 4.0. Auch fehlte es anfangs an USB-Geräten.
USB 1.1 1998 behob die Spezifikation USB 1.1 Fehler und Unklarheiten der Spezifikation 1.0 und fügte den Interrupt Out Transfer hinzu. USB 1.x war keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394), der ab 1995 bereits 400 Mbit/s übertrug und 2003 auf 800 Mbit/s beschleunigt wurde. Dennoch setzte Apple die Schnittstelle in der Revision USB 1.1 im 1998 veröffentlichten iMac G3 ein und ersetzte damit den ADB.
USB 2.0 Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 spezifiziert. Damit wurde eine Datenrate von 480 Mbit/s möglich. Diese nutzten Produkte wie Festplatten und Videogeräte ab 2002. Unterstützt wird USB 2.0 ab Windows XP Service Pack 1 und ab Windows 2000 Service Pack 4.
USB 3.0 2008 folgte die Spezifikation für USB 3.0 SuperSpeed. Hier werden 5 Gbit/s übertragen. Das ist die Datenrate des verwendeten Leitungscodes 8b10b, mit dem je 8 Nutzdatenbits zur Übertragung in 10 Kanalbits kodiert werden. Daher ergibt sich eine maximale Netto-Datentransferrate von 4 Gbit/s. Die mögliche Netto-Datenrate liegt noch etwas darunter. Dafür wurden neue Stecker, Kabel und Buchsen eingeführt, die teilweise mit den alten kompatibel sind.Sven Hesse: In: Allround-pc.com, 21. November 2008.
Ab Juli 2011 wurde USB 3.0 von AMD in den Chipsatz A75 integriert, sodass keine Zusatzchips auf den Mainboards mehr nötig waren. Zusätzliche Chips steigern die Kosten und den Aufwand für Mainboard-Hersteller, sodass die Integration in den Chipsatz entscheidend zur Verbreitung von USB 3.0 beigetragen hat. Etwa ein Jahr später hat auch Intel USB 3.0 in die 7er-Chipsätze integriert.
USB 3.1 hochkant|mini|Verpackungslogo SuperSpeed+ 10Gbps
Die im Juli 2013 verabschiedete USB-3.1-Spezifikation Superspeed+ verdoppelte die Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber USB 3.0 auf 10 Gbit/s brutto. Der mit 128b132b effizientere Leitungscode ermöglichte rechnerisch 1,2 GB/s. Dies führte zu einer Umbenennung. Die USB-3.0-Spezifikation ging in der USB-3.1-Spezifikation auf und heißt nun USB 3.1 Gen 1 (ehemals Superspeed).