Der allgemeine Begriff Schnittstelle (engl.
Interface, Port) stammt aus der Nachrichtentechnik. Mit ihm bezeichnet man im
Prinzip den Punkt, an dem zwei unterschiedliche Kommunikationseinheiten
miteinander verbunden sind. Im engeren Sinn bezieht sich dieser Begriff auf den
Bereich Computertechnik.
Schnittstellen sind in zwei unterschiedliche
Hauptgruppen einzuordnen:
In diesem Referat werden wir uns ausschließlich
mit den Hardware-Hardware-Schnittstellen befassen. Um Ihnen
einen kleinen Ausblick in das durchaus sehr komplexe Thema zu
geben haben wir die Gliederung vorangestellt.
Diese Gruppe kann noch weiter zerlegt
werden: Man unterschiedet zwischen paralleler Übertragung
und serieller Übertragung.
Im Laufe der Jahre haben sich einige Schnittstellenstandards
etabliert.
Die RS-232-Schnittstelle ist eine der ältesten
Schnittstellen in den heutigen PCs, sie basiert auf der V.24-Schnittstelle,
die im Jahre 1968 entwickelt wurde. Der Standard wurde von der EIA (Electronics Industries Association) spezifiziert. Mit diesem Standard
kann (fast) jedes Terminal mit (fast) jedem Computer benutzt werden. Für
die Kommunikation zwischen Terminal und Computer wird auf jeder Seite ein
so genannter UART (Universal Asynchronous
Receiver Transmitter) und eine Logikschaltung für den Buszugriff benötigt.
Ihren Ursprung hat sie bei der Datenübertragung über das Telefonnetz.
Zur Steuerung von Modems (Modulator/Demodulator) verfügt sie über
besondere Signale. In anderen Bereichen werden die Signale nicht benötigt
und man beschränkt sich auf die Basis-Signale. Die RS-232 wird z.B. für
den Com-Port, Game-Port und die serielle Maus verwendet.
Der Standard schreibt vor, dass pro Datenbyte 10 Bit gesendet werden. Die 2
Bit Overhead werden für den Anfang (Startbit) und das Ende (Stoppbit) benötigt,
die Pegel des Start- und Stoppbits sind definiert und dienen zur Erkennung der
Nutzdaten. Die Nutzdaten werden nach ASCII (American Standard Code of Information
Interchange) kodiert um sie unabhängig vom Typ des Datenendgeräts
zu halten. Im RS-232 Standard sind 25 Signale definiert, wobei in der Realität
wesentlich weniger Signale genutzt werden.
USB wurde Mitte der neunziger Jahre von einem Firmenkonsortium entwickelt, darunter waren Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und Northern Telecom. Schon nach kurzer Zeit hat sich die Entwicklergemeinschaft stark vergrößert. Ihr Ziel war es ein Bus zu entwickeln um langsame Peripherie anzuschließen. Diese Idee entstand daraus, dass es zuvor keine einfache Möglichkeit gab um Peripherie an einen PC anzuschließen. Vor USB musste der Anwender wenn er z.B. einen Scanner gekauft hat den PC öffnen um eine Schnittstellenkarte einzubauen. Danach musste er meist noch Jumper setzen und Konflikte im System beheben. Ein weiteres Problem war die begrenzte Zahl von Steckplätzen und Ressourcen im PC.
All diese Anforderungen wurden in die Tat umgesetzt. Die
Version 1 unterstützt eine Geschwindigkeit von 1,5 Mbyte/s.
Es kann für Peripherie wie: Tastatur, Maus, Monitor, Drucker,
Joystick, Modem, Scanner genutzt werden. Mittlerweile ist die Version
2 auf dem Markt die selbst Videodaten in Echtzeit ohne Probleme übertragen
kann. USB 2 überträgt die 40-fache Geschwindigkeit
über die selben Kabel und Stecker wie USB 1, es übertrifft
sogar im Augenblick FireWire (dazu später mehr).
Ein USB-System besteht aus einem Root-Hub der mit dem
Hauptbus (PCI-Bus) des Systemes verbunden ist. Der USB-Bus hat einen
sternförmige Struktur. An den Root-Hub können entweder
noch weitere Hubs, oder die Peripheriegeräte angeschlossen werden.
Die Kabel haben am Anfang und Ende unterschiedliche Stecker (Connectors)
die ein Falschanschließen verhindern.
Das Kabel besteht aus vier Drähten, zwei für Daten, einen für
die Spannungsversorgung (+5 Volt) und einen für Masse. Das Signalisierungssystem
überträgt eine 0 als Spannungsimpuls und eine 1 in Abwesenheit eines
Spannungsüberganges, so dass lange Folgen von Nullen einen regelmäßigen
Impulsstrom erzeugen.
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Struktur
für ein USB-Netzwerk |
Struktur
für ein USB 2-Netzwerk |
Wenn jetzt der Benutzer ein neues Gerät an das System
anschließt, erkennt dies der Root-Hub und sendet einen Interrupt-Signal
an das Betriebssystem. Diese wiederum fragt dann die Informationen
aus der neuen Hardware ab (nicht initialisierte Karten beginnen mit
der Adresse 0), insbesondere die Art des Gerätes und dessen Bandbreitenbedarf.
Nun prüft das System ob genügend Bandbreite vorhanden ist; wenn
ja, bekommt das Gerät eine Adresse (zwischen 1-127) zugewiesen.
Diese Daten werden dann in ein Register im Inneren des Gerätes in
Verbindung mit anderen Daten gespeichert. Nun ist das Gerät betriebsbereit.
Die Datenübertragung kann man sich logisch durch
Bit-Pipes erklären. Für jedes Gerät gibt es eine eigene
Pipe. Diese verbindet den Root-Hub mit den angeschlossenen Geräten.
Die eigene Pipe kann jedes Gerät in maximal 16 Teil-Pipes splitten,
die zur Übertragung unterschiedlicher Daten (z.B. Audio
und Video) genutzt werden können. Die Peripherie-Geräte können
untereinander nicht kommunizieren. Der Datenfluss ist nur zwischen
Root-Hub und Endgerät bzw. umgekehrt möglich.
Die IEEE 1394-Technologie wurde von Apple entwickelt und erhielt
den Namen "FireWire". Dieser Begriff bezeichnet eine verhältnismäßig
neue serielle Schnittstellentechnologie für Computer- und Videogeräte
zur Übertragung digitaler Daten mit bis zu 400 MBit/sec. FireWire ist von
der IEEE ([sprich: Eye-triple-E] Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc ) und ist standardisiert unter der Bezeichnung IEEE 1394. In
den Jahren 1997/98 nennt die Firma Sony im Bezug auf ihre Produkte FireWire
in i.LINK um. Als Begründung gaben die Japaner an: mit "FireWire" assoziiere
der Kunde "Gefahr" und "brennende Computer". Um den drei unterschiedlichen Namen
noch die Krone aufzusetzen gibt es einen vierten; dieser wurde von TI (Texas
Instruments) geprägt und lautet "Lynx", dieser wird aber sehr selten
benutzt. Allen Namen ist gleich, das sie die Schnittstelle nach der Norm 1394
meinen.
Im Bereich Digitale Bild-/Tonübertragung hat sich
FireWire zum quasi Standard entwickelt. Sehr schnell gab es aber
auch erste externe Festplatten mit dem FireWire-Interface, weitere
Produkte folgten bald.
Es gibt sie in zwei verschiedenen Ausführungen, einmal
als Backplane (Rückwand modularer Netzwerkgeräte: Auf der
Backplane sind ein oder mehrere Hochgeschwindigkeitsbussysteme -z.B. FireWire-
untergebracht. Über sie können die einzelnen Module untereinander
verbunden werden.) und als Kabelvariante. Die erstere wird eigentlich nur
in der Industrie verwendet. Der Standard sieht zur Zeit drei verschiedene Übertragungsraten
(100, 200 und 400MBit/s) vor, wobei das Ende der Leistungsfähigkeit bei
weitem noch nicht erreicht ist, in näherer Zukunft sollen es 1,2 GBit/s
(150 Mbyte/s) werden. Dabei gilt im Moment das Minimalprinzip bei der Datenübertragung,
d.h. das langsamste aktive Gerät am Bus bestimmt die maximale Geschwindigkeit.
Die Entwickler versuchen dies zu ändern, so dass jedes Gerät optimal
versorgt werden kann.
Der Adressbus bei FireWire ist 64 Bit breit, er basiert auf dem Standard IEEE-1291
(Control- und Status Register Management für Mikrocomputer-Busse). Dabei
werden die ersten 16 Bit für die Adressierung der Geräte verwendet,
die restlichen 48 Bit für die Register- und Speicherimplementierung. Bei
der Adressierung muss man zwischen 6-Bit-Node (63 Geräte adressierbar)
und 10-Bit-Node (1023 Geräte adressierbar) unterscheiden.
Einer der größten Vorteile außer der Geschwindigkeit im Vergleich
zu USB (hinsichtlich dessen was FireWire in Zukunft zu leisten vermag) ist die
absolute Flexibilität bei der Verkabelung der Geräte untereinander.
Hierbei ist keine Sternform wie bei USB nötig oder eine Ringform wie beim
Token Ring. Zur absoluten Flexibilität trägt auch das Kabel bei; es
ist wesentlich formbarer als RJ45-Kabel oder BNC-Kabel. Das Kabel heißt
P1394; in ihm befinden sich zwei Twisted-Pair Leitungen, welche gesondert abgeschirmt
sind. Dazu kommen laut Standard noch zwei Leitungen für die Spannungsversorgung
(8-40V bei max. 1,5A), die jedoch die Firma Sony aus ihrem Layout entfernt
hat. Um alles zusammen kommt noch eine zweite Abschirmung.
Firewire bietet die Möglichkeit mehrere Stränge
(Ports) anzulegen. Jeder Strang kann bis zu 16 Geräte verwalten.
Insgesamt können wie oben erwähnt 63 bzw. 1023 Geräte
angeschlossen werden. Dabei gilt es einige Regeln im Bezug auf die
Kabellänge zu beachten: Ein Strang darf höchstens 72m lang
sein, der Abstand zwischen den Konten soll 4,5 m nicht überschreiten.
FireWire ist voll hot plug fähig. Wenn ein Gerät
angeschlossen wird, bekommt es eine physikalische Adresse zugewiesen,
diese behält es selbst wenn das Gerät vom Bus getrennt wurde.
Diese ändert sich erst nach einem Bus-Reset.
Ein wesentlicher Nachteil von FireWire sind die hohen
Kosten für die Schnittstellen und die Kabel. FireWire dient
nicht für den Low- Cost-Markt, es ist ein High-Tech-Produkt
für die flexible Übertragung von großen multimedialen
Datenmengen.
Die Standardfestplattentypen sind heute EIDE Festplatten mit ATA/66,
ATA/100 oder ATA/133. Im professionellen Einsatz ist SCSI der Standard.
Im Februar 2000 stellte Intel in San Jose auf dem IDF (Intel Developer
Forum) den neuen Bustyp Serial-ATA (AT
Attachment) vor, dieser
soll die EIDE Festplatten ablösen. An diesem Standard sind insgesamt
sieben Firmen beteiligt: APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Seagate
und Quantum. Schon damals war dieser Bus sehr Erfolg versprechend, da er
92 % mehr Leistung bringt als parallele ATA, die Datenübertragungsrate
liegt bei 150 MByte/s. Und in der weiteren Entwicklung sollen diese Werte
auf ca. 600 MByte/s angehoben werden. Parallel-ATA basiert auf einer Bus-Struktur
mit einem Master-Laufwerk und einem Slave-Laufwerk. Heutige Chipsätze
bieten meist zwei ATA-Busse für die Verwaltung von vier Geräten.
Eins der Hauptproblem der parallelen Technik ist die unterschiedliche
Laufzeit der Signale über die verschiedenen Leitungen sowie die unterschiedlichen
Ausgangspegel, die bei hohen Geschwindigkeiten auftreten können.
Daher muss ab einer bestimmten Geschwindigkeit die Länge der Kabel
reduziert werden, bzw. darf der Takt nicht erhöht werden.
Die Gesamtheit der versprochenen Vorteile von Serial-ATA hat dazu
geführt, dass sich weitere 60 Firmen der "Serial
ATA Working Group" angeschlossen haben, damit sie frühzeitig auf die
Spezifikationen Zugriff haben. Für die Spezifikation sind weiterhin nur
die sieben Gründungsmitglieder verantwortlich.
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Stern-Topologie bei Serial-ATA |
Serial-ATA Festplattenanschluß |
Serial-ATA basiert nicht auf einem Master-Slave-Konzept. An einem
Strang ist nur ein Laufwerk angeschlossen, also eine direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
zwischen dem Interface-Chipsatz auf dem Mainboard/ Steckkarte und dem
angeschlossen Laufwerk. Es müssen keine Jumper gesetzt werden und
es muss keine gesonderte Bus-Terminierung stattfinden, da immer die Leitung im
Chip terminiert. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil: Defekte Geräte
können keine anderen Geräte beeinflussen. Für die Datenübertragung
wird die NRZ-Kodierung (Non-Return-to-Zero. Digitalcode, bei dem sich die
Polarität bei einem 0 / 1-Wechsel positiv und bei einem 1 / 0-Wechsel
negativ ändert) eingesetzt, wobei der Spannungshub zwischen +250 mV
und -250 mV um eine gemeinsame Mitte gewählt wurde. Das entspricht
der weit verbreiteten LVDS-Technik (Low Voltage Differential Signaling.
Übertragungsverfahren von digitalen Bilddaten, dass mit einer Parallel/Seriell-Wandlung
arbeitet. Wird vornehmlich bei Notebooks verwendet). Die LVDS-Technik zählt
zum Standard-Verfahren bei der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung.
Durch diese Technik werden EMV-Probleme (ElektroMagetische-Vertäglichkeit)
sehr gering gehalten.
Serial-ATA ist als interner Bus ausgelegt zum Anschluss von Massenspeichern.
Er ist nicht dafür gedacht Scanner oder Drucker anzuschließen. Im
Bus ist ein Powermanagement integriert für den mobilen Einsatz, so kann
die Leistung verringert, bzw. in Stufen abgeschaltet werden. Selbst an den Anschluß
von parallelen Geräten ist gedacht. Dies geschieht mittels Adaptern. Sie
können auf der Seite des Mainboards oder der Seite des Laufwerkes eingesetzt
werden. Der Lebenszyklus ist auf ca. 10 Jahre ausgelegt. Dabei sind zwei Leistungssprünge
eingeplant. Dies hängt von der Geschwindigkeitsentwicklung der Laufwerke
ab. So ist nur ein kleiner, kostengünstiger Pufferspeicher für die
Geschwindigkeitsanpassung erforderlich.
In der Diskussion um eine zukünftige Erweiterung steht die
Hot-Plug-Fähigkeit, Zugriffsmöglichkeiten auf Platten größer
137 GByte und 1st-Party-DMA.
Serial-ATA | Parallel (Standard) | SCSI | FireWire | |
Preisgünstig herzustellen | JA | JA | NEIN | NEIN |
einfaches Übertragungsprotokoll | JA | JA | NEIN | NEIN |
Kabellänge über 60 cm Länge möglich | JA | NEIN | JA | JA |
Hot Plug fähig (auch vom Betriebssystem abhängig) | JA | NEIN | JA | JA |
Plug and Play (auch vom Betriebssystem abhängig) | JA | NEIN | NEIN | JA |
dünnes, flexibles Kabel möglich | JA | NEIN | NEIN | JA |
geringe Spannung (Volt) | JA | NEIN | JA | JA |
einfacher Stecker | JA | NEIN | NEIN | JA |
Bandbreite ausbaufähig | JA | NEIN | NEIN | JA |
Terminierung erforderlich | NEIN | NEIN | JA | NEIN |
empfindlich gegenüber Störstrahlung | NEIN | JA | NEIN | NEIN |
Die parallele Schnittstelle wird auch als
Centronics-Schnittstelle bezeichnet. Ihr Haupteinsatzgebiet
ist der Datentransfer zwischen PC Peripherie, z.B. Drucker,
Scanner und Zip-Laufwerke. Oder allgemeiner gesagt zu jeder Peripherie
die Charakteristik Centronics hat. Ihr Signalpegel liegt bei +5V(High)
und 0V(Low).
Über die parallele Schnittstelle können 8 Bits gleichzeitig übertragen
werden. Dazu kommen noch einige Übertragungsleitungen für Steuersignale,
erst diese können eine korrekte Datenübertragung gewährleisten.
Die Schnittstelle ist bidirektional ausgelegt, das bedeutet sie kann Daten senden
und empfangen. Das Interface hat 12 gepufferte Ausgabeleitungen (8 Datenleitungen,
Strobe, Printer Initialize, Auto Feed, Select Input) und 5 Eingabeleitungen
(Acknowlegde, Busy, Paper End, Error, Select), die vom Drucker beschrieben werden.
Die Centronics-Schnittstelle gibt es in verschieden Ausführungen mit 14,
16, 24, 32 oder 36 Leitungen. Von diesen sind aber nur elf für die Datenübertragung
unbedingt notwendig, die anderen sind wie oben aufgelistete zur Signalisierung
von besonderen Zuständen gedacht.
Für parallele Schnittstellen verwendet man die Bezeichnung
LPT1 oder LPT2.
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D-Sub-Stecker (25polig) |
Centronics-Stecker (36polig) |
Ebenfalls von Intel entwickelter Hochgeschwindigkeitsbus für die Grafikausgabe am PC. AGP ist eine Art Erweiterung des PCI-Busses zur Darstellung von realistischen 3D Grafiken. Diese sind durch die Texturen sehr speicherintensiv, die Bandbreite des PCI-Busses ist aber zu klein die großen Datenmengen zwischen Hauptspeicher und Grafikkarte auszutauschen. AGP arbeitet ähnlich wie der PCI-Bus, hat allerdings einige Vorteile:
AGP bietet keinerlei Geschwindigkeitsvorteil im täglichen Gebrauch des PCs, nur bei 3D Programmen und -spielen.
Der AGP-Slot (Steckplatz) ist kleiner als ein PCI-Slot Außerdem verrutschen Grafikkarten im AGP-Slot leicht beim Transport und arbeiten dann nicht oder nur fehlerhaft.
Der große Vorteil von SCSI: alle angeschlossenen Geräte werden vom Hostadapter verwaltet t CPU wird nicht belastet!
Der Hostadapter ist die Schnittstelle zwischen SCSI-Geräten und der CPU
Die meisten SCSI-Adapter haben Anschlussstecker sowohl für interne als auch für externe Geräte
SCSI-1 Standard stellt das Grundgerüst dar. Es wurde zwar erweitert, aber nie verändert t Abwärtskompatibilität
Die drei Übertragungsmodi von SCSI: