Schnittstellen (Computer)

13. Oktober 2013 | Von | Kategorie: Abschlußprüfung Winter 2013, Computer, Datenübertragung, Hardware, Schnittstellen

Schnittstellen (Computer)


Eine Schnittstelle verbindet Systeme, die unterschiedliche physikalische, elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen. Die Definition einer Schnittstelle enthält gemeinsame Eigenschaften. Dazu gehört auch ein Protokoll für die Kommunikation und den Datenaustausch.

Schnittstellen befinden sich überall dort, wo unterschiedliche Systeme miteinander verbunden werden müssen. Die Schnittstellen bilden den Übergang von einem System in ein anderes System. Dieser Übergang kann zur Kommunikation oder dem Datenaustausch verwendet werden.

Die Standardisierung von Schnittstellen ermöglicht die Verbreitung kooperierender Systeme und die Automatisierung elektronischer und digitaler Systeme. Besonders in der Computertechnik sind Schnittstellen weit verbreitet. Auch in der Kommunikations- und Netzwerktechnik kommen standardisierte Schnittstellen häufig vor.
Während die Computerindustrie in ihrer Anfangszeit für jede Anwendung eine eigene Schnittstelle entwickelt und standardisiert hat, geht der Trend in Richtung Universal-Schnittstellen. Zum Beispiel USB und PCIe.

Die Spezifikation einer Schnittstelle enthält Informationen über Übertragungsgeschwindigkeiten, Übertragungsverfahren, Schnittstellenleitungen, dem Stecker, der Buchse oder Steckerleiste und deren Belegung. Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, dass verschiedene Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden können.

Ein Computer hat interne Schnittstellen, die sich im Computer-Gehäuse befinden und externe Schnittstellen, die aus dem Computer-Gehäuse herausgeführt sind.

 

Interne Schnittstellen

Interne Schnittstellen verbinden Systeme innerhalb eines Computers. Diese Schnittstellen werden meist auf dem Motherboard als Sockel oder Slot herausgeführt. Dort werden dann Erweiterungskarten oder interne Laufwerke angeschlossen. Es gibt noch weitere Schnittstellen, die sich zwischen Controllern befinden.

Externe Schnittstellen

Externe Schnittstellen werden aus dem Computer-Gehäuse herausgeführt. Sie verbinden Systeme oder Peripherie-Geräte mit dem Computer. Die Verbindung wird mit einer Kombination aus Stecker und Buchse realisiert.

Brücke / Bridge


Sind zwei Systeme zueinander inkompatibel und eine gemeinsame Schnittstelle nicht möglich, dann setzt man eine Brücke (Bridge) ein. Die Brücke sorgt dafür, dass Signale, Protokolle und Übertragungssysteme konvertiert werden. Aus diesem Grund bezeichnet man eine Brücke manchmal auch als Konverter.

Beispiel für eine Brücke: PCI-to-ISA-Bridge


Der alte PCI-Bus diente lange Zeit zum Einbinden von Erweiterungskarten in einem Computersystem. Aus Kompatibilitätsgründen musste der noch ältere und langsamere ISA-Bus ebenfalls unterstützt werden. Dazu hat man eine PCI-to-ISA-Bridge verwendet, die auf dem Motherboard oder im Chipsatz ein PCI-Device darstellte. Gleichzeitig diente dieses PCI-Device als ISA-Host, aus dem der ISA-Bus herausgeführt wurde.

Beispiele für externe Schnittstellen eines Computers

 

Alte Computer-Schnittstellen und Bussysteme

Schnittstelle Taktfrequenz Signaladern Verbindung und Verfahren max. Transferrate
PCI 32 Bit 33 MHz 32 Bus, halbduplex 133 MByte/s
66 MHz 32 Bus, halbduplex 266 MByte/s
PCI 64 Bit 33 MHz 64 Bus, halbduplex 266 MByte/s
66 MHz 64 Bus, halbduplex 512 MByte/s
PCI-X 66 66 MHz 64 Bus, halbduplex 512 MByte/s
PCI-X 100 100 MHz 64 Bus, halbduplex 768 MByte/s
PCI-X 133 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, SDR 1 GByte/s
PCI-X 2.0 266 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, DDR 2 GByte/s
PCI-X 2.0 533 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, QDR 4 GByte/s
AGP 1X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, SDR 266 MByte/s
AGP 2X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, DDR 512 MByte/s
AGP 4X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, QDR 1 GByte/s
AGP 8X (AGP 3.0) 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, ODR 2 GByte/s

Aktuelle Computer-Schnittstellen und Bussysteme

Schnittstelle Taktfrequenz Signaladern Verbindung und Verfahren max. Transferrate
PCI Express 1.0 x1 1,25 GHz 4 P-to-P, vollduplex 250 MByte/s
PCI Express 1.0 x16 1,25 GHz 64 P-to-P, vollduplex 4 GByte/s
PCI Express 2.0 x1 2,5 GHz 4 P-to-P, vollduplex 500 MByte/s
PCI Express 2.0 x16 2,5 GHz 64 P-to-P, vollduplex 8 GByte/s
PCI Express 3.0 x1 4 GHz 4 P-to-P, vollduplex 1 GByte/s
PCI Express 3.0 x16 4 GHz 64 P-to-P, vollduplex 16 GByte/s
USB 1.1 12 MHz 2 Bus, halbduplex 1,5 MByte/s
USB 2.0 480 MHz 2 Bus, halbduplex 60 MByte/s
USB 3.0 5 GHz 7 Bus, halbduplex 300 MByte/s
USB 3.1 10 GHz 7 Bus, halbduplex 800 MByte/s
FireWire 400 (IEEE 1394a) 400 MHz 4 Bus, halbduplex 50 MByte/s
FireWire 800 (IEEE 1394b) 800 MHz 4 Bus, halbduplex 100 MByte/s
FireWire 1600 (IEEE 1394b) 1,6 GHz 4 Bus, halbduplex 200 MByte/s
Thunderbolt (10 GBit/s) Bus, vollduplex 1,25 GByte/s
Thunderbolt (20 GBit/s) Bus, vollduplex 2,5 GByte/s

Angaben zur Datentransferleistung von Schnittstellen und Bussystemen

Für Laien ist es sehr schwer, die Angaben zur maximalen Datentransferleistung von Schnittstellen und Bussystemen richtig zu interpretieren. Diese Angaben gelten selten für die reine Datenübertragung, sondern eher im sogenannten Burst-Modus, bei dem die Daten lückenlos aneinander gereiht werden. Doch einige Taktzyklen eines Datentransfers unterliegen einem Protokoll-Overhead, den man von den meisten Geschwindigkeitsangaben abziehen muss, um auf die tatsächliche Datentransferleistung zu kommen.
In vielen Anwendungsfällen ist diese Geschwindigkeit überhaupt nicht erforderlich. Meist ist es schon deshalb kaum möglich, weil die PC-Komponenten nicht schnell genug arbeiten, um die maximal verfügbare Datentransferrate abrufen zu können. Trotzdem haben schnelle Schnittstellen Geschwindigkeitsvorteile. Neue Schnittstellen werden meist nach ein paar Jahren der Optimierung und neuen Anwendungen ausgereizt, so dass eine neue Stufe der Geschwindigkeitssteigerung erklommen werden muss.

Von den parallelen Bussystemen zu den seriellen Schnittstellen

Das Umstellen von parallelen Bussystemen wie zum Beispiel IDE oder PCI auf geschaltete serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie SATA oder PCIe ist ein notwendiger und logischer Schritt. Die technischen Problemen durch parallel geführte Leitungen bei steigender Taktfrequenz wurden einfach zu groß.
Bestimmte Probleme von Schnittstellen und Bussystemen sind auf die Elektrotechnik zurückzuführen. So ist zum Beispiel die maximale Übertragungsfrequenz eines Bussystems durch elektrotechnische Gegebenheiten begrenzt. Zu den kritischen Effekten zählen Reflexionen, Übersprechen, Dämpfung, Frequenzdispersion und der Skin-Effekt.

Die Datenübertragung in der Computertechnik erfolgt grundsätzlich digital. Dabei sind die digitalen Signale Hochfrequenzeffekten ausgesetzt, die dazu führen, dass verzerrungsfreie Übertragungen nur mit erhöhtem Aufwand möglich sind. Durch parasitäre kapazitive und induktive Effekte kommt es zu leichten zeitlichen Verschiebungen der Signalflanken. Was soviel bedeutet, dass das Signal auf der einen Leitung schneller am Ziel ankommt als ein anderes Signal auf einer parallel geführten Leitung. Bei steigender Taktfrequenz macht sich dieser Effekt immer heftiger bemerkbar. Deshalb wird bei der Verwendung parallel geführter Leitungen darauf geachtet, dass sie exakt gleich lang sind. Deshalb sind zum Beispiel Leiterbahnen auf Platinen mäanderförmig angeordnet. Das hat dann den Nachteil, dass man für diese komplizierte Leiterbahnführung mehr Entwicklungszeit braucht und auch noch viel Platz verschwendet wird.

Jede Schnittstelle unterliegt den selben physikalischen Gesetzen. Beim Design von Steckkontakten und Signalleitungen richtet man sich nach Richtlinien, die bestimmte Vereinfachungen darstellen. Beim Sprung von MHz auf GHz sind diese Vereinfachungen und die daraus abgeleiteten Design-Richtlinien nicht mehr gültig.
Schon beim Entwurf des Übertragungskanals sind einige Dinge zu beachten: Datenleitungen, Durchkontaktierungen, Übergänge von Leiterplatte zu Leiterplatte, DC-Blockkondensatoren, Gehäuse, Kabel und Anschlüsse. Insbesondere bei einem Hochfrequenzsignal wirken überstehende Leitungen oder Kontakte als Stichleitung, die dem Datenkanal unerwünschte parasitäre Effekte zufügt. Mit steigender Datenrate verschärfen sich die Probleme. Deshalb hat man sich bei der Ablösung vieler paralleler Schnittstellen auf serielle Schnittstellen eingeschossen, die mit differenziellen Leitungspaaren arbeiten, die kaskadiert werden können.
Serielle Verbindungen haben an dieser Stelle einen großen Vorteil. Die beteiligten Sende- und Empfangsstufen können mit Kodierverfahren, differenzieller Übertragung und ausgeklügelten Prüfsummenverfahren Signalunterschiede ausgleichen. Die Sicherheit der Datenübertragung mit mehreren Gigabit pro Sekunde wird mit Pre-Emphasis, Entzerrfunktionen und durch Equalisierung gewährleistet.

Statt paralleler Bussysteme werden also serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Schon bei Ethernet wurde die alte Bus-Topologie durch eine Stern-Topologie ersetzt. Eine zentrale Schaltstelle (Switch) verbindet jeweils zwei Geräte direkt miteinander.
Die neuen Techniken bringen nicht nur mehr Geschwindigkeit, sondern auch automatische Konfiguration, leichtere Handhabung, sowie eine bessere Nutzung der Ressourcen. Um die Übertragungsrate noch weiter zu steigern, schaltet man mehrere parallele (serielle) Verbindungen. So wird aus der EIDE-Schnittstelle die SATA-Schnittstelle. Und aus dem PCI-Bus wurde der PCI Express (PCIe).

Schnelle serielle Verbindungen, sind die bevorzugten Verbindungstechniken der Gegenwart und Zukunft. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Leistung und Anwendungsmöglichkeiten. In der Regel haben sie ein preiswertes Interface, lassen sich einfach verkabeln und konfigurieren sich automatisch.
Da die Marktdurchdringung neuer Schnittstellen manchmal Jahre braucht, versucht man auf der untersten Treiberebene mit den alten Verfahren kompatibel zu bleiben. So sind PCI Express und SATA zu den Vorgängern PCI-Bus und EIDE trotz neuer Funktionen und hoher Übertragungsgeschwindigkeit immer noch kompatibel.

Der nächste Schritt geht dahin, dass man Festplatten direkt an PCIe anschließen kann. Somit wird die Schnittstellen-Vielfalt innerhalb eines PCs langsam abnehmen.

 

Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0310281.htm

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