Peripheriegeräte noch Mangelware

Klein, aber fein: der Universal Serial Bus

02.10.1998

Jedes Jahr skizzieren Intel und Microsoft die Spezifikationen für die PC-Architektur des kommenden Jahres. Den Angaben der vorläufigen "PC-99"-Liste zufolge wird das alte Bussystem Industrie-Standard-Architektur (ISA) in modernen Desktops verschwinden. Damit wird es in Zukunft keine Peripheriegeräte und Erweiterungs-Schnittstellen auf Basis des 8 oder 16 Bit breiten ISA-Busses mehr geben.

Systemadministratoren, die eine Fülle von PCs zu verwalten haben, dürften diese Bewegung begrüßen, denn passende Steckkarten für Peripheriegeräte werden überflüssig. Damit entfällt die mühselige Konfiguration von ISA-Peripherie am Arbeitsplatz der einzelnen Benutzer. Abgelöst wird die Schnittstelle durch das interne Bussystem Peripheral Component Interconnect (PCI) und den Universal Serial Bus (USB). Beide erlauben ein einfacheres Management von Systemressourcen, beispielsweise von Interrupts, denn hier übernimmt das Betriebssystem die Zuweisung. Früher erfüllte die Treibersoftware diese Funktionen.

Der USB ist ein Bussystem für den Anschluß von Peripheriegeräten an PCs und Notebooks. Die serielle Schnittstelle überträgt die Daten aber mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als etwa das herkömmliche RS-232- Interface. Damit ist sie für Geräte mit niedriger und mittlerer Datenübertragungsrate geeignet, also Tastaturen, Modems, Digitalkameras, Scanner, ISDN-Karten, aber auch für Industrieanwendungen wie die Meßdatenerfassung. Für Peripheriegeräte, die einen kontinuierlichen Datenstrom brauchen, kann bei USB eine bestimmte Bandbreite reserviert werden. Spezielle PC-Erweiterungskarten werden so überflüssig.

Die Datenübertragung erfolgt beim USB in sogenannten Frames von einer Millisekunde Dauer. In einer Sekunde transportiert so ein System also 1000 Frames, wobei eines theoretisch 1500 Byte faßt. Davon abgezogen werden die Bytes, die für das Protokoll und die Kontrollfunktionen benötigt werden, so daß im schlechtesten Fall rund 1100 Byte je Frame für die Nutzdaten zur Verfügung stehen.

Die Taktfrequentz einer einzelnen Datenleitung liegt bei 12 Megahertz, was eine theoretische Datenrate von 1,5 MB/s ergibt. Allerdings treten wegen Codierverfahren und Overhead ebenfalls Verluste auf, so daß man von einer erzielbaren Datenübertragungsrate von 12 Mbit in einer Sekunde ausgehen kann.

Damit ist der Bus rund 100mal schneller als eine herkömmliche serielle und knapp zehnmal schneller als eine parallele Schnittstelle. Für Peripheriegeräte, die diesen Durchsatz nicht benötigen, stellt USB einen langsameren Kanal mit 1,5 Mbit/s (8 Byte je Frame) zur Verfügung. Maus oder Joystick sind damit zufrieden.

Obwohl die Erfinder des universellen seriellen Interface ihm den Namen "Bus" gaben, unterscheidet er sich wesentlich etwa vom SCSI-Kanal, bei dem sich die Peripherie über spezielle Adapter an den Rechner anschließen läßt. Die USB-Architektur ähnelt eher einem Stern: beim Anschluß von mehr als zwei Devices sind die Ports auf der Hauptplatine ausgeschöpft und Verteiler (Hubs) notwendig, die wiederum USB-Anschlüsse zur Verfügung stellen. Als Hubs fungieren die USB-Geräte selbst. Bis zu fünf Hubs können kaskadiert werden. Damit lassen sich theoretisch bis zu 127 Geräte an einen Port anschließen.

Die Hubs sorgen für die Energieversorgung aller angeschlossenen Geräte: Entweder nehmen sie den Strom aus dem USB-Anschluß des Rechners und versorgen damit Mäuse oder Tastaturen, die wenig Strom aufnehmen. Oder sie verfügen über ein eigenes Netzteil und bedienen damit auch die "Stromfresser" wie Scanner oder Kameras, die bis zu 500 Milliampere verbrauchen dürfen.

In jedem Fall erlösen USB-Rechner von der verwirrenden Verkabelung an der PC-Rückseite, denn die Peripherie ist untereinander verbunden. Auch die Mehrfachsteckdose wird überflüssig. Die USB-Kabel, die bis zu fünf Meter lang sein dürfen, enthalten vier Leitungen in zwei Aderpaaren, wobei eines für die Stromversorgung und eines für die Datenübertragung verwendet wird.

Ein weiterer Vorteil - gerade für Systemadministratoren - ist die Möglichkeit, am PC im laufenden Betrieb Peripheriegeräte an- oder abhängen zu können (Hot Swap). Die Hubs werden in regelmäßigen Abständen befragt, ob neue Geräte hinzugefügt wurden, und gegebenenfalls die Informationen darüber an den Rechner weitergereicht. Die PCs müssen also nicht mehr neu gebootet werden.

Als Väter des USB gelten Intel, IBM, Compaq, Digital Equipment, Microsoft, NEC und Northern Telecom. Mittlerweile unterstützen rund 450 Hersteller den Standard, der bereits seit Anfang 1997 in PCs zu finden ist. Dataquest schätzte zu Jahresbeginn, daß alle 1998 verkauften Desktop-Rechner und 80 Prozent aller Notebooks mit USB ausgeliefert werden.

Das scheint sich nicht zu bewahrheiten. Erst allmählich kommen USB-fähige Peripheriegeräte auf den Markt, denn bislang fehlte die Unterstützung durch das Betriebssystem. Die ist erst in Windows 98 gegeben. Für die PC-Hersteller gab es bislang also keine Notwendigkeit, die teure Schnittstelle, die meist auf den Motherboards implementiert ist, auch nach außen zu führen. Dataquest hat seine Zahlen mittlerweile korrigiert und glaubt, daß im Jahr 2001 die 100-Prozent-Marke bei Neuauslieferungen erreicht ist. Dann soll es mehr als 500 Millionen USB-Rechner geben.

Als einer der ersten Hersteller hat sich Apple auf breiter Front zum USB bekannt: der neueste Sproß der Macintosh-Familie, der "I-Mac," kommt statt paralleler oder serieller Schnittstelle nur mehr mit zwei USB-Buchsen (siehe Foto). Voraussetzung dafür war, daß das Betriebssystem Mac-OS das neue Bussystem unterstützt, was ab Version 8.1 der Fall ist. Die Entwickler von Linux, Free-BSD und Net-BSD sitzen derzeit an der Impementierung von USB in die Betriebssysteme.

Im PC-Bereich bietet Microsoft erst mit Windows 98 und NT 5.0 volle USB-Unterstützung. Bei diesen Versionen müssen sich die Anwender angeblich um passende Treiber für die Peripherie keine Gedanken machen, denn die Unterstützung für USB ist im Betriebssystem verankert. Unter Windows 95 läßt sich der Bus nur mit Klimmzügen nutzen. Nutzt man aber die neue Microsoft-Software, dann lassen sich auch an alten PCs USB-Peripheriegeräte betreiben: Entweder verfügt der Rechner bereits auf der Hauptplatine über die Anschlüsse, die dann nur mehr nach außen geführt werden müssen, oder man steckt eine USB-Karte ein, die allerdings einen freien PCI-Steckplatz braucht.

Vorteile des USB

Einfache Installation: Im Gegensatz zu früher benötigen USB-Peripheriegeräte keine Einsteckkarten. Für den Anschluß von Kameras oder Lautsprechern entfallen die entsprechenden Video- oder Soundkarten. Das System muß nicht rekonfiguriert werden.

Größere Bandbreite: Mit einer Übertragungsrate von 12 Mbit/s ist der USB rund 100mal schneller als eine normale serielle und zehnmal schneller als eine parallele Schnittstelle. Damit lassen sich auch neuere Geräte wie digitale Kameras anschließen.

Eingebaute Stromversorgung: USB erkennt automatisch, welchen Strombedarf ein Gerät hat (bis zu 500 Milliampere). Die Hubs mit Stromkabel versorgen "Stromfresser", sparsame Peripherie wird vom Rechner gespeist.

Große Expansionsmöglichkeit: An einen USB-Anschluß lassen sich über die Hubs bis zu 127 Geräte anschließen, die kaskadiert werden.

Zwei-Wege-Kommunikation: Da der USB auch asynchronen und isochronen Datentransfer unterstützt, läßt er sich auch für Telekommunikationsgeräte nutzen, was bislang mit seriellem, parallelem oder SCSI-Port nicht möglich war.

Miniaturisierung: USB wird die Anzahl von Erweiterungssteckplätzen im PC deutlich verringern, was zu kleineren Gehäusen führen wird. Insbesondere Notebooks könnten davon profitieren.