Schnittstellen (Interfaces)

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

Schnittstellen sind überall dort notwendig, 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.

In einem Computersystem unterscheidet man interne und externe Schnittstellen:

  • Interne Schnittstellen verbinden Systeme innerhalb eines Computers. Diese Schnittstellen werden meist auf dem Motherboard als Sockel oder Slot herausgeführt. Dort werden dann Erweiterungskarten direkt oder interne Laufwerke über Kabel angeschlossen. Einige andere Schnittstellen werden nicht herausgeführt, sondern befinden sich auf der Hauptplatine zwischen den einzelnen Controllern.
  • 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.

Alte externe Schnittstellen (Legacy)

In den Anfangszeiten des Computers entwickelte jeder Hersteller eine eigene Schnittstelle für seine Endgeräte. Um eine gewisse Kompatibilität zu erreichen, setzten sich nach und nach bestimmte Schnittstellen durch und wurden auch in Normen spezifiziert.

Zu diesen alten Schnittstellen gehören: die parallele Schnittstelle (Centronics, IEEE 488), die serielle Schnittstelle RS 232(C) bzw. V.24, die PS/2-Schnittstelle für Maus und Tastaturanschluss und einige andere.

Abbildung: PC-Standard-Schnittstellen (links die beiden runden PS/2-Anschlüsse für Tastatur und Maus, daneben die beiden rechteckigen USB 1.1-Anschlüsse, rot eingefärbt die parallele Schnittstelle, darunter zwei 9poige serielle Schnittstellen, weiter rechts zwei USB 2.0-Anschlüsse, ganz rechts in den Farben blau, grün und rot Anschlüsse für Lautsprecher, Mikrofon und Kopfhörer. (Quelle: www.planet3dnow.de)

Parallele Schnittstellen

Werden üblicherweise als LPT1, LPT2, LPT3 bezeichnet (LPT = line printer); dienen meist zum Anschluss von Druckern.

Parallele Schnittstellen können 8 bits gleichzeitig übertragen, benötigen aber mehr als 8 parallele Leitungen (zusätzlich müssen Steuersignale etc. übertragen werden).

Bauarten:

  • CENTRONICS: 25- oder 36polig (Pole = „pins“), Industrie­standard, für Drucker- und Plotteranschluss, maximale Anschlusskabellänge ca. 4½ m.
  • IEEE 488: 24 polig, von Hewlett Packard, auch als IEC-Bus (25polig) bezeichnet (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEC = Internationale Elektrotechnische Kommission), maximale Länge ca. 20 m. Auch hier sind mehrere Geräte gleichzeitig anschließ­bar.

Neuere parallele Schnittstellen beherrschen auch den bidirektionalen EPP-Mode (Enhanced Parallel Port), mit dem auch ein schnellerer Datentransfer möglich ist (400 – 500 KB/s). Der ECP-Mode (Enhanced Capabilities Port) garantiert bidirektionale Übertragung bis 1 MB/s.

PC-Schnittstellen werden vom Betriebssystem über ihre Standarddateinamen (LPT1:, COM1:, usw.) angesprochen. Der Programmierer kann sie aber auch direkt über ihre Portadressen ansprechen. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, die Schnittstellen für Steuerungszwecke zu nutzen.

Beim Starten des Computers werden die Portadressen in der Reihenfolge 3BC, 378, 278 (hex) auf ihre Existenz überprüft und der Reihe nach LPT1, LPT2 und LPT3 zugeordnet (Parallele Schnittstellen). Ebenso werden die Adressen in der Reihenfolge 3F8, 2F8, 3E8, 2E8 (hex) auf ihre Existenz überprüft und der Reihe nach COM1, COM2, COM3, COM4 zugeordnet (Serielle Schnittstellen).
Diese Basisadressen können auf der Schnittstellenkarte (bzw. I/O-AT-Bus Controller­karte) mit Jumpern eingestellt werden.

Herculeskarten haben eine parallele Schnittstelle mit der Adresse 3BC, die als LPT1 installiert wird.

Für jede Schnittstelle sind mehrere Portadressen reserviert, beginnend mit den genannten Basisadressen. Zum Beispiel für LPT1:  378, 379, 37A hex.

Beispiele:

1 Schnittstelle mit 378h (alleine) wird als LPT1 installiert. Steckt man eine Herculeskarte dazu, so wird deren parallele Schnittstelle 3BCh als LPT1 installiert, 378h ist dann LPT2.

1 Schnittstelle mit 278h (alleine) wird als LPT1 installiert.

Meist übliche Zuordnung der Portadressen:

LPT1:         378h                                                                   COM1:           3F8h
LPT2:         278h (falls vorhanden)                                    COM2:           2F8h

Die Adressbelegung der Schnittstellen ist in Windows im Desktop-App Geräte-Manager sichtbar. Doppelklick auf den entsprechenden Anschluss öffnet eine Eigenschaftsseite, in der die Belegungen eingetragen sind.

Die parallele Schnittstelle ist als „Druckerschnittstelle“ bekannt geworden. Obwohl sie ursprünglich für 8 Bit Ein- und Ausgabe, also bidirektional, konzipiert war, sind die billigen parallelen Schnittstellen (z.B. auf I/O-AT-Bus-Controllern) nur für 8 Bit Datenausgabe eingerichtet. Jedoch können auch diese Standardschnittstellen wesentlich mehr, als nur Daten an einen Drucker zu senden.
Beispiele: Zugriff auf die Festplatte eines anderen Rechners mit INTERLINK (in DOS 6.2 enthalten) über die parallelen Schnittstellen, Datenübertragung mit LAPLINK (gleiches ausgekreuztes Kabel wie für INTERLINK); Netzwerkadapter (für Laptops statt einer Netzwerkkarte) und SCSI-Adapter (für externe Festplatten) am Markt erhältlich.

Für den nichtindustriellen Anwender sind Steuerungen und Regelungen über die parallele Schnittstelle deswegen interessant, weil der Aufwand sehr gering und die Handhabung besonders einfach ist: Eine parallele Schnittstelle ist auf jedem Computer verfügbar (25-polige Sub-D-Buchse), kein Hardwareeingriff, kein Softwaretreiber, keine Voreinstellungen notwendig!

Ausgabe:   8 Datenleitungen und 4 Steuerleitungen.

Eingabe:   5 Leitungen (entsprechend 5 Drucker-Steuerleitungen).
Die Eingabe von mehr als 5 Bit Datenbreite kann nur mit Hilfe eines Multiplexers in mehreren Schritten erfolgen. In diesem Fall kann eine Datenerfassungskarte die bessere Lösung sein.

Spannungen:   Die parallele Schnittstelle hat TTL-Pegel:  
Versorgung:   +5V ±5%;
Eingang:              Low < 0,8 V                        High > 2,0 V
Ausgang:            Low < 0,4 V                        High > 2,4 V

Pufferung:   Sollte grundsätzlich für alle Ein- und Ausgänge vorgesehen werden (auch wenn die Ausgänge kurzschlußfest sind). Dadurch werden nicht nur Beschädigungen im Kurzschlußfall, sondern auch Störungen durch Rückwirkung vermieden.

Geeignete Bausteine:
74HCT541                    8-fach-Puffer, nichtinvertierend (Line Driver)
74HCT540                    8-fach-Puffer, invertierend
74HCT245                    8-fach-Puffer, bidirektional (Transceiver)

Pinbelegung der parallelen Schnittstelle  (25-polige Sub-D-Buchse):

Pin         Ansprechen mit Port-Adresse:                                                                  Signalname
Nr.:        port+0                                port+1                                  port+2                                              
               (378h)                                 (379h)                                   (37Ah)
—————————————————————————————————————-
 1                                                                                                       Ausg./A0            20 inv.                   Strobe
 2            Ausg. D0            20                                                                                                                       Data 0
 3            Ausg. D1            21                                                                                                                       Data 1
 4            Ausg. D2            22                                                                                                                       Data 2
 5            Ausg. D3            23                                                                                                                       Data 3
 6            Ausg. D4            24                                                                                                                       Data 4
 7            Ausg. D5            25                                                                                                                       Data 5
 8            Ausg. D6            26                                                                                                                       Data 6
 9            Ausg. D7            27                                                                                                                       Data 7
10                                                       Eing. E6            26                                                                            Acknowledge
11                                                       Eing./E7           27 inv.                                                                     Busy
12                                                       Eing. E5            25                                                                            Paper Empty
13                                                       Eing. E4            24                                                                            Offline
14                                                                                                      Ausg./A1            21 inv.                   Auto Linefeed
15                                                       Eing. E3            23                                                                            Error
16                                                                                                      Ausg. A2             22                          Init
17                                                                                                      Ausg./A3            23 inv.                   Printer Select
18          Ground
  :            Ground
25          Ground                                                                                                                inv…invertierte Polarität

Programmierung der parallelen Schnittstelle:

Ausgabe:            Zahl (1 Byte = 0..255) auf Portadresse zuweisen.

Der Zustand der Portleitungen bleibt solange gespeichert (Latch), bis eine neue Zahl ausgegeben wird. Nach einem Reset sind alle Leitungen auf High (entspricht 255).

Eingabe:              Zahl (1 Byte) von Portadresse einlesen.

Die Bits 20, 21 und 22 sind irrelevant (keine entsprechenden Eingangsleitungen). Sie können z.B. durch ganzzahlige Division durch 8 entfernt werden.

Abfrage einzelner Leitungen (Bits) softwaremäßig durch bitweise UND-Verknüpfung:
z.B.  wert & 0x08 (08 hex) liefert Bit 23:                                                 wert                   1011 1001
                                                                                                                     & maske             0000 1000
                                                                                                                     ———————————
                                                                                                                                                  0000 1000

Beispiel

Beispiel Ausgabe: D2 und D0 setzen         Eingabe
Turbo-Pascal:     wert:=5; (Typ byte)      wert:= port [$379];
                  port [$378]:= wert;

Turbo-C:          wert=5; (unsigned char)  wert= inportb (0x379);
                  outportb (0x378, wert);

Assembler:        Wert   DB   5  (1 Byte)  Wert   DB     0
   (8086)                MOV   AL,Wert     MOV    DX,379h
                         MOV   DX,378h     IN     AL,DX
                         OUT   DX, AL      MOV    Wert,AL

Etwas neuere parallele Schnittstellen beherrschen auch den bidirektionalen EPP-Mode (Enhanced Parallel Port), mit dem auch ein schnellerer Datentransfer möglich ist (400 – 500 KB/s). Der ECP-Mode (Enhanced Capabilities Port) garantiert bidirektionale Übertragung bis 1 MB/s.

Serielle Schnittstellen

Serielle Schnittstellen können nur jeweils ein Bit übertragen. (Die Datenbits werden daher nacheinander = seriell übertragen.)

Mit der Einführung des USB hat die serielle Schnittstelle nur langsam ihre Bedeutung verloren. Als sich Geräte mit USB-Anschluss durchgesetzt haben, wurde die serielle Schnittstelle auf Motherboards immer seltener. Irgendwann verschwand sie fast vollständig.

Doch immer noch haben sehr viele technische Einrichtungen im industriellen Umfeld eine serielle Schnittstelle. Dort kommt man ohne diese Schnittstelle nicht aus. Die Funktionalität der seriellen Schnittstelle lässt sich sehr leicht implementieren, das Übertragungsprotokoll ist ausgereift und für einfache Zwecke vollkommen ausreichend. Allerdings ist man gezwungen eine der beiden Gegenstellen mit Parametern, die zur anderen Gegenstelle passen, zu konfigurieren.


Serielle Schnittstelle – Stecker und Buchse 9polig

Adapter USB zu seriell (9-polig und 25-polig)

Das Herz einer seriellen Schnittstelle ist der UART-Chip (Universal Asynchronous Transmitter). Dieser Chip ist für die Erzeugung der notwendigen Signale für die Datenübertragung der bereitgestellten Daten verantwortlich. Alte PCs enthielten den leistungsschwachen UART-8250-Chip, moderne PCs sollten den UART-16550-Baustein enthalten.

Serielle Schnittstellen werden üblicherweise mit COM1, COM2, COM3, COM4 bezeichnet (COM = communication port). An serielle Schnittstellen können Modem, Maus, Digitizer, fallweise Plotter usw. angeschlossen werden.

Für die Angabe der Übertragungsgeschwindigkeit verwendet man heute meist die Einheit Bit pro Sekunde (bps)[1]:

Die gebräuchlichsten Übertragungsraten sind 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800 und 57600 bps.

Bauarten:

  • V.24: legt funktionelle Eigenschaften fest; 25polig, Reichweite maximal 35 m.

Die Leitungen der V.24-Schnittstelle:

Name der LeitungAbkür­zungengl. NamePosition am 25poligen SteckerPosition am 9poligen Stecker
SchutzerdeGNDProtective Ground1 
SendedatenTDTransmitted Data23
EmpfangsdatenRDReceived Data32
SendeanforderungRTSRequest to Send47
SendebereitschaftCTSClear to Send58
BetriebsbereitschaftDSRData Set Ready66
SignalerdeGNDSignal Ground75
Empfangssignal(D)CD(Data) Carrier Detect81
Testspannung +  9 
Testspannung –  10 
Hohe Sende­frequenz­­lage einschalten  11 
Empfangssignalpegel  12 
2. Sendebereitschaft  13 
2. Sendedaten  14 
SendeschrittaktTC 15 
2. Empfangsdaten  16 
EmpfangsschrittaktRC 17 
Nicht definiert  18 
2. Sendeanforderung  19 
BetriebsbereitDTRData Terminal Ready204
EmpfangsqualitätSQ 21 
RufsignalRIRing Indicator229
Hohe Übertragungs­ge­schwin­digkeit einschalten  23 
2. Sendeschrittakt  24 
Nicht definiert  25 
  • RS 232C: legt funktionelle und elektrische Eigenschaften fest; 25polig. RS steht für „recommended standard“ (= empfohlener Standard).

Port-Basisadresse für die 1. serielle Schnittstelle: 03f8 IRQ4

Port-Basisadresse für die 2. serielle Schnittstelle: 02f8 IRQ3

Port-Basisadresse für die 3. serielle Schnittstelle: 03e8 IRQ4

Port-Basisadresse für die 4. serielle Schnittstelle: 02e8 IRQ3

Die Informationslänge beträgt 8 Byte

03f8 = 03f8 + 00 … Transmit and Receive buffer / Baud Rate

03f9 = 03f8 + 01 … Interrupt enable register   / Baud Rate

03fa = 03f8 + 02 … Interrupt identification register

03fb = 03f8 + 03 … LCR … Line Control Register

03fc = 03f8 + 04 … MCR … Modem Control Register

03fd = 03f8 + 05 … LSR … Line Status Register

03fe = 03f8 + 06 … MSR … Modem Status Register

Baudratenbestimmung:

Die Register 03f8 und 03f9 werden doppelt verwendet, einerseits als Sende-/Empfangspuffer bzw. als Interrupt-Enable-Register, anderseits zum Einstellen der Übertragungsgeschwindigkeit.

Wie die Register konkret verwendet werden, hängt vom Bit 7 des LCR ab!

Die Geschwindigkeit der Übertragung wird durch einen Quarzkristall bestimmt, der einen Takt von 119 kHz liefert. Damit ist eine maximale Übertragungsrate von 115200 Baud möglich. Die tatsächliche Baudrate wird durch den „Baudratenteiler“ bestimmt. Dabei wird der Wert 115200 Baud (= Maximum) durch den Teiler dividiert.

Wenn das Bit 7 im LCR auf 1 gesetzt ist, gilt:

                Der Baudratenteiler wird auf Adresse

                               03f8 + 00  ….         unteres Byte des Teilers sowie

                               03f8 + 01 ….          oberes Byte des Teilers     gesetzt.

Wenn Bit 7 im LCR auf 0 gesetzt wird, haben die Register die „ursprüngliche Funktion“:

                               03f8 + 00 ….          Sende-/Empfangsdatenregister

                               03f8 + 01 ….          Interrupt enable register

Beispiel: Eine Baudrate von 9600 Baud = 115200 / 12 soll eingestellt werden. Daher muss der binäre Wert 12 auf die Adresse 03f8 geschrieben werden:

00001100

Binär 0000 1100 = hexadezimal       0C

PS/2

Hierbei handelt es sich um eine Schnittstelle, die vor allem für Tastatur und Maus eingesetzt wurde. Sie war lange Zeit fixer Bestandteil auf vielen Motherboards.

Der Zugriff erfolgt wie bei der seriellen Schnittstelle über Interrupts. Es werden sechspolige Mini-DIN-Stecker verwendet; auf Grund der unterschiedlichen Protokolle für Tastatur und Maus, sodass die Stecker nicht vertauscht werden dürfen. Heute sind daher Tastaturanschlüsse violett, die Mausanschlüsse grün markiert. Bei neuen PC-Modellen wird auf eigene PS/2-Anschlüsse verzichtet, hier können Maus und Tastatur nur mehr an die USB-Schnittstelle angeschlossen werden.

Externe Schnittstellen für Peripherie

Dazu gehören die USB-Schnittstellen, WUSB (Wireless USB), FireWire, HDA (High Definition Audio), aber auch eSATA (external SATA) und die Docking Station-Schnittstellen.

USB-Schnittstellen

Quellen: www.usb.org, www.computerchannel.de

USB (Universal Serial Bus) ist eine serielle Schnittstelle, die Plug-and-Play-kompatibel ist (angeschlossene Geräte also automatisch erkennt) und den Anschluss von maximal 127 Geräten ermöglicht. Dieses Bussystem wurde von Compaq, DEC, Intel, IBM, Microsoft, NEC und Northern Telecom („USB Implementers Forum“) entwickelt und steht seit 1998 in allen neuen PC-Anlagen standardmäßig zur Verfügung. Es sind im Normalfall 2 USB-Schnittstellen vorhanden. Hat man mehr als 2 USB-Geräte, benötigt man einen USB-Hub (Hub = elektronischer Verteiler für Signale).
USB-Symbol (Grafik: Wikipedia)

USB wird ständig weiterentwickelt. Die Generationen werden durch eine Versionsnummer angezeigt und unterscheiden sich in der Datenübertragungsrate, den verwendeten Steckertypen und dem Einsatzzweck.

Seit USB 1.1 können maximal 31 Geräte („Endpunkte“) an einen USB-Controller angeschlossen werden.

Über USB ist bereits seit Beginn eine Stromversorgung angeschlossener Geräte möglich. Standardmäßig arbeitet USB mit einer Spannung von 5 V.

Die Steckverbinder sollen eine Farbcodierung aufweisen, aus der die Belastbarkeit hervorgeht:

Spannung in VBelastbarkeit in WFarbkodierung empfohlenFarbcodierung alternativ
530naturfarben (teilweise auch gelb)grau
1272blaugrün (Pantone Teal 3262C)schwarz
19114violettschwarz
24/25144rot (Pantone Red 032C)schwarz

Grundsätzlich gibt es bei den Steckern die Standardgröße (üblich ist Typ A mit 12,0 x 4,5 mm; für Uploads wurde der fast quadratische Typ B-Stecker vorgesehen, der heute kaum noch verwendet wird). Für Geräte mit geringem Platzangebot (Digitalkameras, Mobiltelefone, MP3-Player) wurden kleinere Varianten der USB-Steckverbinder entwickelt: Mini-USB (6.8 x 3,0 mm), Micro-USB (6,85 x 1,80 mm).

 Low Speed
1,5 Mbit/s
Full Speed
12 Mbit/s
High Speed
480 Mbit/s
Super Speed
5 Gbit/s
Super Speed+
10 Gbit/s
20 Gbit/s
VerwendungTastatur, Maus, JoystickModem, Scanner, CD-ROM, DigitalkameraFestplattenFestplattenFestplattenFestplatten
USB 1.0ja     
USB 1.1jaja    
USB 2.0jajaja   
USB 3.0jajajaja  
USB 3.1mit Adapteršmit Adapteršmit Adapterššmit Adapterja 
USB 3.2mit Adapteršmit Adapterššmit Adapteršmit Adapterjaja
USB 4.0    jaja

USB 2.0 (2000) ist eine vollständig abwärtskompatible Erweiterung des bestehenden USB-Standards. Vorhandene Kabel und Geräte können weiter benutzt werden. Bei der USB-2.0-Spezifikation werden die Millisekunden-Timeframes des USB 1.1-Standards in jeweils acht High-Speed Micro-Frames zu je 125 Mikrosekunden unterteilt. Somit wird die im Vergleich zu USB 1.1 um das vierzigfache höhere Datenrate von 480 Mbit/s erzielt.

USB 3.0 (2008): Es wurden Datenraten von 5 GBit/s (625 MB/s) unterstützt (SuperSpeed-Modus). Einige Jahre später wurde die USB 3.0-Funktionalität von AMD und intel in den Chipsatz integriert, sodass keine Zusatzchips auf dem Motherboard mehr nötig waren.

Die höheren Datenraten werden durch eine Übertragungstechnik ähnlich PCI-Express beziehungsweise Serial ATA ermöglicht, die allerdings zusätzlich zum bisherigen Datenleitungspaar (D+/D-) im Kabel noch zwei weitere Adernpaare erfordert (plus einen weiteren Masseanschluss). Da in den Steckern somit fünf weitere Kontakte erforderlich sind, wurden mit USB 3.0 neue Steckverbinder und Kabel eingeführt.

USB 3.1 (2013): Datenraten bis 10 Gbit/s (brutto), weiters USB Power Delivery (damit kann eine Stromversorgung für Geräte bis 100 W realisiert werden); neuer, beidseitig steckbarer Steckverbindertyp (USB Typ C). Dieser neue Stecker wird auch bei Smartphones (Samsung Galaxy S8 und neuer) verwendet und könnte in Zukunft auch für den Anschluss von Monitoren verwendet werden.

USB 3.2 (2017): Datenraten bis 20 Gbit/s (brutto) bei je einem USB-C-Stecker an jedem Kabelende.


Aufbau eines USB 3.0-Kabels mit nun 6 Datenleitungen  

Standard USB 3.0-Typ A-Stecker (Reihe mit 4 Pins für Kompatibilität mit USB 2.0, obere Pin-Reihe mit 6 Pins für die neuen Funktionalitäten

USB-C-Stecker (Foto: Aries Manufacturing)

USB 4.0 (2019): gemeinsamer Nachfolger von USB 3.2 und Thunderbolt 3. Die Thunderbolt-Spezifikation wurde Anfang 2019 dem USB-IF übergeben. Diese unterstützt nun baumartig verzweigte Strukturen (Hub), wie dies bei USB schon länger möglich ist. Die Übertragungsgeschwindigkeit wird 20 Gbit/s betragen und ist gegenüber Thunderbolt 3 unverändert. Die VESA gab den Bildübertragungsstandard DisplayPort 2.0 für USB 4.0 frei; dabei werden bis zu 77,37 Gbit/s übertragen.


Elektron Overhub 7-Port-USB 3.0 Hub (Quelle: Gear4music) 
USB-Steckverbinder (Quelle: www.heise.de)

Datenübertragung über USB:

Eine detaillierte Darstellung findet man etwa auf https://www.lowlevel.eu/wiki/Universal_Serial_Bus.

Für die Übertragung großer Datenmengen wird entweder die „Bulk-Übertragung“ oder die „Isochrone Übertragung“ benutzt. Bei der Bulk-Übertragung erfolgt eine Bestätigung der korrekt empfangenen Daten durch ein ACK-Signal (Acknowledge; engl. „Bestätigung“) und einer im Fehlerfall bis zu dreimal neu initiierten Datenübertragung (notwendig für verlustfreie Datenübertragung). Bei der Isochronen Übertragung können Datenpakete unter Umständen auch verloren gehen, die Datenrate bleibt jedoch konstant (zum Beispiel bei Modems, USB-Lautsprechern oder Video-Schnittlösungen).

Bei der paketorientierten Datenübertragung innerhalb eines USB-Systems werden die Transaktionen in einzelne Pakete zu je exakt einer Millisekunde unterteilt. Jedes einzelne Paket (Token) wird am Anfang mit einem „Start of Frame“ (SOF) markiert und mit einem „End of Frame“ (EOF) abgeschlossen. Da sich alle angeschlossenen Geräte auf dieses Signal einsynchronisieren, muss eine SOF-Kennung im Millisekundentakt auch dann noch gesendet werden, wenn sonst keinerlei Datenverkehr stattfindet. Mehrere Geräte können gleichzeitig innerhalb eines Frames angesprochen werden.

Im nebenstehenden Bild sind die einzelnen Informationspakete sowie deren Kennung und Zusammenstellung dargestellt. Durch eine Acht-Bit-Kennung (PID) wird die Funktion des jeweiligen Paketes festgelegt. Jeder SOF-Token wird mit einer elf Bit breiten Systemzeit (Time Stamp) markiert, um zum Beispiel eventuell auftretende Zeitüberschreitungen (Timeouts) der angeschlossenen Geräte feststellen zu können. Einfache Token werden mit einer Fünf-Bit-Cyclic-Redundancy-Checksumme (CRC) abgesichert, Datenpakete erhalten eine 16-Bit-CRC-Checksumme. Die USB-Spezifikation unterscheidet drei Datenübertragungsraten: „Low-Speed“ mit 1,5 Mbit/s für langsame Eingabegeräte wie Mäuse, Tastaturen und Joysticks. Die Daten werden hierbei in einem Abstand von zehn Frames –maximal jede zehn Millisekunden – übertragen. „Full Speed“ mit zwölf Mbit/s und ab der USB 2.0 Spezifikation „High-Speed“ mit 480 Mbit/s. 

USB-Internes: So ist das USB-Protokoll aufgebaut.

„FireWire“ (IEEE 1394)

Sehr schnelle Schnittstelle (bis 400 MBit/s), ursprünglich von Apple entwickelt. An diese Schnittstelle können digitale Kameras, Scanner und professionelle Audio-Recording-Systeme angeschlossen werden.  

Interne Schnittstellen für Erweiterungskarten

Kurzüberblick Ein-/Ausgabekarten

Grafikkarten (Grafikadapter, Bildschirmkarten): Man benötigt sie zur Ansteuerung des Bildschirms.

Standard-Schnittstellenkarten (Interfaces): Erst durch diese ist der Anschluss einer Maus, eines Modems oder eines Druckers möglich. Um die angeschlossenen Geräte und Baugruppen richtig anzusteuern, ist meist noch ein eigenes Treiberprogramm nötig (Maustreiber, Druckertreiber usw.).

PCS-Schnittstellenkarten: Diese Karten zeichnen sich durch ein extrem kleines Format aus (Scheck­karten­größe) und werden daher oft in Notebooks eingesetzt. Deren Norm wird als PCS-Norm (PC Card Standard, früher PCMCIA-Norm) bezeichnet. Die PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) [scherzhaft: „people can’t memorize computer industries’ acronyms“] ist ein Konsortium, dem unter anderem Firmen wie IBM, Intel und Microsoft angehören. Dieses Konsortium beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Standards für Schnittstellenkarten. Die PCMCIA-Standards werden mit römischen Zahlen bezeichnet und unterscheiden sich derzeit vor allem in der Höhe der Erweiterungskarte:

PCMCIA-I               3,3 mm   RAM, Flash-Memory, OTP

PCMCIA-II              5,0 mm   Modem, LAN-Karten, Host-Adapter

PCMCIA-III             10,5 mm                Festplatten

PCMCIA-IV            18 mm    68polige Kontaktleiste

16 MB Flash-Memory-KartePCMCIA- Netzwerkkarte

An die PCMCIA-Schnittstellen können Modems, Faxmodems, Speichererweiterungen (siehe Kap. 4.4.4), Festplatten, Funktelefone, Netzwerkkarten usw. angeschlossen werden.

Eine neue Norm soll die „Miniature Card“ werden, eine 38 mm x 33 mm x 3,5 mm große Karte für Flash-, DRAM- oder ROM-Speicher bis zu 64 MB.

Disketten- und Festplattencontroller: Diese Karten dienen zur Ansteuerung von Disketten- und Festplattenlaufwerken und werden dort genauer behandelt. Es gibt auch Karten, die nur für die Festplatten- bzw. nur für die Diskettenstation-Ansteuerung verwendet werden können.

Soundkarten (Audiokarten): verfügen über eigene Klangerzeugungsfähigkeiten, meist sind eigene Synthesizer-Chips eingebaut.

Videokarten, Frame-Grabber: Mit diesen können Bilder vom Videorecorder, der Videokamera oder dem Fernseher abgetastet werden. Unter Umständen sind diese Bilder auch auf geeigneten Videorecordern speicherbar, wodurch Trickfilme erzeugt werden können.

Modem- und Faxkarten: Hier kann man den Computer an das Telefonnetz anschließen und so Datenfernübertragung durchführen.

Mess- und Steuerkarten: Dazu zählen Karten, die zur Messung von elektronischen Schaltungen, Temperatur etc. dienen bzw. Karten, mit denen eine Roboteransteuerung möglich ist. Solche Karten sind etwa auch für den Betrieb von Barcode- und Scheckkartenlesegeräten notwendig.

Scannerkarten: Über diese Karten wird ein Scanner (Gerät zum Abtasten von zweidimensionalen Text- und Bildvorlagen) angesteuert.

Netzwerkkarten: Über diese Karten kann man mehrere Computer miteinander verbinden, man spricht von „Vernetzung“. Diese Karten werden im Kapitel „Kommunikation“ näher erläutert.

Von den hier genannten Zusatzkarten sind Festplattencontroller seit Einführung des Pentium-Prozessors auf jedem Motherboard integriert, auf einigen auch Sound- und Netzwerkkarten.

ISA

Steckplätze auf der Hauptplatine, Einsetzen einer Steckkarte (Foto: VOBIS) – man erkennt die schmalen 8 bit-und die breiteren 16 bit-ISA-Steckplätze

Der ISA-Standard (Industry Standard Architecture) wurde mit dem AT (80286-Prozessor) eingeführt (der ISA-Bus wird daher auch oft als „AT-Bus“ bezeichnet) und seitdem nicht mehr verändert. Die Datenbusbreite beträgt hier 16 bit, die Adressbusbreite max. 24 bit.

Maximale Taktfrequenz: 8,3 MHz

Maximale Datentransferrate: 8 MB/s (wird aber in der Praxis nicht erreicht).

Während in modernen Systemen keine ISA-Steckplätze mehr ausgeführt werden, arbeiten doch Geräte wie Tastatur und Maus (auch wenn sie am PS/2- oder USB-Port angeschlossen sind) noch immer mit diesem Bus.

PCI

PCI = Peripheral Component Interface. Dieser Standard wurde von der Firma INTEL entwickelt und hat sich seither als Standard-Bussystem etabliert. Ab Anfang 1994 wurden immer mehr Systeme mit dieser lokalen Busnorm auf den Markt gebracht. Der PCI-Bus verbindet bis zu 4 Steckplätze und kann bei Bedarf auf eine Busbreite von 64 bit verbreitert werden, was der Datenbusbreite des Pentium-Prozessors entspricht. Der PCI-Bus ist mit dem Prozessor nicht direkt verbunden, sondern kommuniziert über einen Controller-Chip. Ein weiterer Vorteil ist, dass zum PCI-Bus ein Autokonfigurations­mechanismus gehört, bei dem sich Mutterplatine und Erweiterungskarten selbständig konfigurieren. (Anmerkung: Bei den herkömmlichen Systemen traten oft Probleme durch falsch gesetzte Jumper oder doppelt belegte Interrupts auf.)

Fünf PCI-Slots auf dem ASUS-Motherboard A7N8X Deluxe, rechts daneben der dunkler eingefärbte AGP2.0/3.0-Steckplatz (Quelle: www.planet3dnow.de)

PCI-X

Nachfolgestandard, 1999 beschlossen. Der neue Bus arbeitet mit bis zu 133 MHz und unterstützt 32 bit- und 64 bit-Karten. Auch herkömmliche PCI-Karten können weiterbetrieben werden.

AGP

Accelerated Graphics Port, eine von Intel entwickelte Schnittstelle für (3D-) Grafikkarten. Durch die ge­stiegen­en Anforderungen der Software (CAD-Design, 3D-Spiele) waren große Speichermengen für die Graphikdarstellung auf den Graphikkarten notwendig, ebenso eine effizientere Kommunikation der CPU mit dem Graphikprozessor bzw. dem Graphikspeicher. Mit AGP kann ein Teil des Hauptspeichers für die Graphikdaten genutzt werden.

Ab Mitte 2004 löste der „PCI Express“-Standard den AGP-Bus ab.

PCI Express (PCIe)

PCIe ist der neueste, schnellste und beliebteste Erweiterungsbus, der heute im Einsatz ist. Statt der parallelen Kommunikation von PCI wird bei PCIe eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung verwendet. Diese Verbindungen werden durch Leitungspaare (Senden, Empfangen) ermöglicht, die als Bahnen (Lanes) bezeichnet werden. Jede Bahn läuft mit 2,5 Gbps, wobei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auch durch mehrere Bahnen (1, 2, 4, …, 32) realisiert werden können. Für Grafikkarten werden meist 16 Bahnen verwendet.

Die oberen beiden Slots stellen PCIe-Steckplätze dar, die unteren beiden „normale“ PCI-Steckplätze.

Interne Schnittstellen für Massenspeicher und Laufwerke

Bei den Schnittstellen für Festplatten ist seit einigen Jahren ein Umdenken zu beobachten: Viele Jahre lang waren parallele Schnittstellen in Verwendung; neue Festplattensysteme verwenden durch die Bank serielle Schnittstellen:

Parallele SchnittstelleSerielle Schnittstelle
IDE/ATA (1986)
EIDE/UATA (1994)
SATA (2002)
SATA II (2005)
SATA III (2008/09)
SATA Express (2013)
SCSISAS-3 (2013)
SAS-4 (2017)

IDE/ATA und EIDE/UATA

IDE/ATA (1986): Die Bezeichnung IDE (Integrated Devices Equipment, Integrated Disk Environment) kommt von der Tatsache, dass der eigentliche Controller direkt auf dem Festplatten­laufwerk integriert ist. ATA bedeutet „Advanced Technology Attachment“ und bezieht sich auf die bei der Einführung des Standards übliche Kommunikation mit dem ISA-Bus. Die Begriffe IDE und ATA bezeichnen nicht dasselbe: IDE definiert den Anschluss der Laufwerke, wie Pinbelegung, Stecker, Kabel und elektrische Signale. ATA definiert das Protokoll, mit dem die Daten über die Leitungen (IDE) transportiert werden.

Ursprünglich hatten IDE-Platten eine Maximalgröße von 528 MB.

ATA-Platten sind durch ein 40poliges Flachbandkabel mit der AT-Bus-Controllerplatine, die sich auf dem Mother­board befindet, verbunden.

Der AT-Bus-Controller besitzt eine Funktion zur automatischen Fehlerkorrektur. Das bedeutet: Tritt bei der Benutzung der Festplatte nach einer gewissen Zeit ein Fehler in einem bestimmten Bereich (Sektor) auf, so versucht der IDE-Controller, die Daten zu rekonstruieren. In etwa 95 % aller Fälle gelingt ihm dies; die Daten werden auf einen anderen Sektor geschrieben. In jedem Fall wird der beschädigte Bereich als fehlerhaft deklariert, sodass auf ihn nicht mehr zugegriffen werden kann. Die ursprüngliche Datenübertragungsrate betrug 800 KByte/s.

Mit diesem Controller sind üblicherweise zwei, maximal vier Festplatten ansprechbar (die primäre Festplatte erhält den Namen C:, die anderen heißen D: usw.). Die Festplatten müssen im BIOS-Setup eingetragen werden.

Enhanced IDE (EIDE), Ultra ATA (1994): wird eine abwärtskompatible Verbesserung der IDE-Norm bezeichnet. Hier sind Datenübertragungsraten bis zu 20 MB/s möglich.

Die EIDE-Schnittstelle (Enhanced Intelligent/Integrated Drive Electronics) ist eine Weiterentwicklung des IDE-Standards. EIDE unterstützt bis zu 4 Laufwerke und ermöglicht den Anschluss von Festplatten, CD-ROM, CD-Brenner, DVD, Streamer und andere Wechselspeicherträger (ATAPI).

Im Laufe der Zeit, seit es EIDE/ATA gibt, haben sich die Festplatten-Hersteller auf verschiedene Betriebsarten geeinigt. Dadurch wurde es möglich ältere Festplatten parallel zu neueren zu betreiben. Das hatte jedoch den Nachteil, dass die schnellere Festplatte sich der langsameren in ihrer Geschwindigkeit anpassen musste.

Für den Datentransfer gibt es zwei Protokolle. Den älteren PIO-Modus (Programmed Input/Output) und den neueren UDMA-Modus (Ultra Direct Memory Access). Beim PIO-Modus ist der Prozessor für jeden Lese- und Schreibvorgang verantwortlich. Der UDMA-Modus kann über den DMA-Controller direkt auf den Arbeitsspeicher zugreifen. So kann der Prozessor sich um andere Aufgaben kümmern. Das gesamte System läuft schneller.

ModusÜbertragungsrate in MByte/s
IDE (ATA) PIO 03,33
IDE (ATA) PIO 15,22
IDE (ATA) PIO 28,33
IDE Multiword-DMA 04,16
IDE Multiword-DMA 113,33
IDE Multiword-DMA 216,66
EIDE (Fast ATA-2) PIO 311,11
EIDE (Fast ATA-2) PIO 416,66

Der Ultra-DMA-Modus (Ultra-ATA) unterstützt höhere Datenübertragungsraten und besitzt eingebaute Sicherheitsmechanismen. Zusätzlich wird die Belastung des Prozessors bei der Datenübertragung durch einen Bus-Master-Treiber reduziert. Dieser Treiber muss aktiviert werden. Bei Geräten, die damit nicht umgehen können muss er deaktiviert werden. Das Bus-Mastering ist ein Datentransfer-Verfahren für die Übertragung von Daten und Befehlen, bei dem der Host-Controller direkt auf dem Arbeitsspeicher zugreift, ohne den Prozessor zu belasten.

Für alle Ultra-ATA-Festplatten (133/100/66) wird ein UDMA-Kabel benötigt. Dieses Flachbandkabel hat 80 Leitungen, 40 für den Datenverkehr und 40 für die Erdung.

Der Ultra-DMA-Standard 133 ist abwärtskompatibel. An diesen Controllern lassen sich auch andere Ultra-ATA-Festplatten (66 und 100) betreiben.

ModusÜbertragungsrate in MByte/s
Ultra-DMA/0 (ATA/16)16,66
Ultra-DMA/1 (ATA/25)25,0
Ultra-DMA/2 (ATA/33)33,33
Ultra-DMA/3 (ATA/44)44,4
Ultra-DMA/4 (Ultra-ATA/66)66,66
Ultra-DMA/5 (Ultra-ATA/100)99,99 (100)
Ultra-DMA/6 (Ultra-ATA/133)133
Zwei (E)IDE-Steckplätze (Foto: www.planet3dnow.de)

Werden zwei Geräte an einem Kanal betrieben, so müssen diese eigens „gejumpert“ werden. Dies dient lediglich zum korrekten Ansprechen der Komponenten. Der Jumper befindet sich neben dem Stromanschluss am Gerät, es gibt mehrere Konfigurationsmöglichkeiten:

Master, Slave und CableSelect
Quelle: www.seagate.com

Die Kabellänge für einen an der ATA-Schnittstelle angeschlossenen Massenspeicher ist auf 46 cm begrenzt.

SATA (Serial ATA)

SATA I (SATA-150; 2002): Schnittstellen für Massenspeicher waren bisher immer in paralleler Ausführung realisiert. Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit ergeben sich technische Schwierigkeiten, die für die Übertragungsrate eine obere Grenze setzt. So bleibt auch die ATA (EIDE)-Schnittstelle nicht davon verschont, dass sie auf den seriellen Betrieb umgestellt wird.

Im Jahr 2000 setzten sich mehrere Firmen aus dem IT-Sektor zusammen, um eine Spezifikation über Serial ATA (Serielles ATA) zu erstellen. Im Jahr 2001 wurde die erste Version von Serial ATA vorgestellt. Anfang 2003 waren bereits die ersten Controller und Festplatten erhältlich. Bis zur vollständigen Marktdurchdringung hat es noch bis zum Jahr 2004 gedauert.

Mit 150 MByte/s hat S-ATA direkt an die parallele ATA-Schnittstelle (P-ATA) mit 133 MByte/s angeknüpft. Die Serial-ATA-Schnittstelle unterstützt 1,5 GBit/s bei einer Nettodatenrate von ca. 150 MByte/s. Festplatten mit 10.000 Umdrehungen in der Minute (U/m) liefern rund 75 MByte/s an Daten. Die Schnittstellengeschwindigkeit reicht also auch für die Zukunft locker aus.

Die parallele Datenübertragung erreicht ihre hohe Übertragungsgeschwindigkeit nur über sehr kurze Strecken. Je länger ein Kabel ist, desto eher treten Laufzeitdifferenzen zwischen den parallelen Signalen auf. Dies kann nur durch eine kürzere Übertragungsstrecke oder eine geringere Taktrate verhindert werden. Zusätzliche Masseleitungen führen zu dicken und unflexiblen Flachband- oder Rundkabeln, die die Luftströmung innerhalb eines Computers verhindert.

Um die Kompatibilität zu gewährleisten, werden die parallel vorliegenden Daten mit Wandlern in serielle Datenströme konvertiert. Die hohe Integrationsdichte und die extrem schnelle interne Verarbeitungsgeschwindigkeit in integrierten Schaltungen erlauben die Wandlung in nahezu Echtzeit. Die Wandlung von parallel nach seriell bzw. umgekehrt erhöht die Komplexität und die Kosten auf der Hardware-Seite. Dafür lässt sich mit niedrigeren Spannungen arbeiten, das wiederum bei Kabeln mit 1 Meter Länge schnellere Schaltzeiten und geringere EMV-Probleme ermöglicht.

Für den Anschluss von SATA-Geräten wird ein dünnes Kabel mit einem kleinen Stecker verwendet.

SATA II (SATA-300; 2005): SATA II ist eine Erweiterung von SATA der Version 1. SATA-II-Festplatten lassen sich auch an der SATA-Schnittstelle der Vorgängerversion anschließen. Sie laufen dann mit einer geringeren Schnittstellen­geschwindigkeit und verzichten auf moderne Festplatten-Features. Unabhängig von der Geschwindigkeit dürfen auch die gleichen Kabel verwendet werden.

SATA-II-konforme Kabel unterscheiden sich von den einfachen S-ATA-Kabeln nur durch den Schnappverschluss am Stecker. Die Verbindung zwischen Laufwerk und Motherboard ist dann deutlich fester. Locker sitzende Kabel gibt es dann nicht mehr.

SATAII-Kabel
(Quelle: www.elektronik-kompendium.de)
Anschluss von S-ATA-II-Kabeln am Motherboard
(Quelle: www.elektronik-kompendium.de)

Die Serial-ATA-II-Spezifikation bringt das Native Command Queuing (NCQ), was unter dem Namen Tagged Command Queuing im SCSI-Bereich bereits seit vielen Jahren bekannt ist. NCQ erlaubt dem Festplatten-Controller das Puffern von Lese-Befehlen und die Reihenfolge der Abarbeitung eigenständig zu regeln. So soll durch die Umsortierung die Lese-Kopf-Bewegungen optimiert und dadurch die Zugriffszeit verkürzt werden.

Serial-ATA-II unterstützt theoretisch 3 GBit/s, bei einer Nettodatenrate von 300 MByte/s. Weil Festplatten auch in Zukunft die Daten nicht so schnell speichern und lesen können, ist die Schnittstelle bei vielen Festplatten nur für 1,5 GBit/s ausgelegt.

In der SATA-II-Spezifikation ist eine Funktion mit dem Namen Port-Multiplier definiert. Über diesen Mechanismus kann der Punkt-zu-Punkt-Datenstrom auf mehrere Geräte aufgeteilt werden. Port-Multiplier funktioniert ähnlich wie USB. Bis zu 15 Geräte lassen sich an einem SATA-II-Port betreiben. Bei 4 Geräten mit ca. 70 MByte/s würden 3 Gbit/s ausreichen, um alle Geräte ohne Geschwindigkeitsverlust bedienen zu können.

SATA III (SATA-600; 2008/09): Spezifikation SATA 3.0; theoretische Datenrate 6 Gbit/s bzw. Netto-Geschwindigkeit 600 Mbyte/s.

SATA-Express (SATAe; 2013): Spezifikation SATA 3.2; theoretische Datenraten 8 bzw. 16 Gbit/s, Netto-Geschwindigkeit 985 bzw. 1969 Mbyte/s.

SCSI-Host-Adapter (= Small Computer Systems Interface): parallele 8-bit-Schnittstelle in Form einer Steckkarte. Beim SCSI-Verfahren wird ein eigenes intelligentes Bussystem ver­wendet, während das AT-Bus-System – wie der Name schon sagt – den AT-BUS (ISA) nutzt. Dieser Controller eignet sich nicht nur für die Verwaltung von Festplatten, sondern für max. 7 beliebige Einheiten (z.B. MOs, WORMs, Streamer, CD-ROM-Laufwerke etc.); „selbstkorrigierende“ Festplatten. Datenüber­tragungsrate: bis 320 MB/s. Die Festplatten müssen nicht im CMOS-Setup ein­getragen werden! Die eigentliche Steuerelektronik befindet sich auf dem Laufwerk, während die Host-Adapter-Karte nur die Verbindung zwischen den Laufwerken herstellt.

ATA-Platten und SCSI-Platten können nebeneinander in einen Rechner eingebaut werden.

Während ATA-Platten in das CMOS-Setup eingetragen werden müssen, ist dies bei SCSI-Platten nicht erforderlich. Diese benötigen stattdessen aber eigene Treiber, die RAM-Speicher verbrauchen.

Während ATA-Platten teilweise durch die CPU gesteuert werden, haben SCSI-Festplatten den Controller am Adapter. Die CPU wird damit entlastet. Das ist besonders bei der Verwaltung großer Datenmengen eine Entlastung für die CPU; sie kann sich während einer Festplattenoperation um andere Aufgaben kümmern.

SCSI (= Small Computer System Interface)

Die folgenden Informationen sind inhaltlich der Internet-Quelle www.adaptec.com entnommen (Adaptec ist ein großer Hersteller von SCSI-Hardware).

SCSI wurde ein Bussystem für schnelle Massenspeicher, Scanner usw. konzipiert. Es gab eine Fülle von SCSI-Standards. Der primäre Unterschied liegt in der Kommandosprache, die von den SCSI-Standards genutzt wird, und der Bandbreite, bzw. der maximal möglichen Geschwindigkeit:

 maximale ÜbertragungsrateBusbreitemaxi­male Anzahl Gerätemaximale Buslänge
SCSI-15 MB/s8 bit76 m
SCSI-25 MB/s8 bit76 m
Fast SCSI-210 MB/s8 bit73 m
Wide SCSI-210 MB/s16 bit153 m
Fast Wide SCSI-220 MB/s16 bit153 m
Ultra-SCSI20 MB/s8 bit73 m
Ultra Wide SCSI40 MB/s16 bit4/83 m/1,5 m
Ultra2-SCSI40 MB/s8 bit712 m
Ultra2 Wide SCSI80 MB/s16 bit1512 m
Ultra-160  SCSI (SCSI-3)160 MB/s16 bit1512 m
Ultra-320 SCSI (SCSI-4)320 MB/s16 bit1512 m
Ultra-640 SCSI (SCSI-5)640 MB/sWurde zwar geplant, es existieren aber keine Geräte; de facto durch SAS ersetzt

Während bis vor wenigen Jahren die meisten PCs über SCSI-Anschlüsse verfügten, so nützen Desktop-PCs und Notebooks heute stattdessen die schnellere SATA-Schnittstelle zum Anschluss von Festplatten und optischen Laufwerken bzw. USB für andere Geräte.

SCSI lebt im SAS-Standard weiter, aber auch im iSCSI-Standard, der eine blockweise Datenübertragung über TCP/IP ermöglicht. Diese Technologie wird neben Fibre Channel beim Anschluss von NAS verwendet.

SAS (Serial Attached SCSI)

SAS (engl. Serial-Attached-SCSI) ist eine serielle Schnittstelle für die Kopplung von Peripheriegeräten an den Rechner. Mithilfe sogenannter Expander können bis zu 65 535 Geräte (zB. Streamer, Festplatten, Scanner) angeschlossen werden. SAS ist auf serieller Datenübertragungsbasis der Nachfolgestandard der parallelen SCSI-Schnittstelle, die an ihre physikalischen Grenzen gekommen war.

Die erste Generation von SAS erschien 2004 und arbeitete mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 300 MByte/s. Heute sind folgende Standards üblich:

 Übertragungs­geschwindigkeitBustakt/DatenrateMaximale Anzahl an Geräten
SAS-3 (2013)1200 MByte/s12 Gbit/s65 535
SAS-4 (2017)2400 MByte/s22,5 Gbit/s65 535

SAS ist softwarekompatibel zu SCSI, verwendet jedoch kein Bussystem. Stattdessen werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Controller und Geräten aufgebaut.

Interne Kabel dürfen maximal 1 Meter lang sein, zum Anschluss externer Geräte sieht die Spezifikation eine maximale Kabellänge von 10 Metern vor. Sowohl Steckverbindungen als auch Kabel sind identisch zum SATA Standard.

SATA Geräte lassen sich direkt am SAS Controller betreiben, jedoch nicht umgekehrt.

SFF-8484-Kabel für den Anschluss von max. 4 SAS-Festplatten

Externe Schnittstellen für Bildschirme und Monitore

VGA (Video Graphics Array)

An einer 15-poligen D-Sub-Buchse wird ein analoges RGB-Signal bereitgestellt. Unter beengten Platzverhältnissen ist der Ausgang auch als Mini-VGA ausgeführt (z.B. beim Apple iBook). Über ein VGA-Kabel mit entsprechendem Stecker werden CRT-Monitor (Röhrenmonitor), Projektor oder Flachbildschirm angeschlossen.

VGA-Stecker (Quelle: Wikipedia)VGA-Buchse (Quelle: Wikipedia)

DVI (Digital Visual Interface)

DVI ist eine Schnittstelle für die Übertragung von analogen und digitalen Bildsignalen von einem Computer zu einem Flachbildschirm.

Der DVI-Ausgang liefert ein digitales Signal und damit die beste erreichbare Bildqualität an Bildschirmen mit DVI-Eingang. Die meisten heutigen Grafikkarten sind mit einem DVI-I-Anschluss ausgestattet und liefern damit zusätzlich ein analoges RGB-Bildsignal. Somit können mit einem (meist beiliegenden) passiven Adapter auch Bildschirme mit analogem D-Sub-Eingang angeschlossen werden, die Bildqualität entspricht dann jedoch weitestgehend der des D-Sub-Ausgangs. Bei DVI sind die Varianten (Single-Link-)DVI und Dual-Link-DVI zu unterscheiden, letztere beinhaltet doppelt so viele Datenleitungen und kann damit eine größere Bandbreite liefern. Das ist für Auflösungen größer als WUXGA (1920 × 1200) notwendig, um trotz der größeren Datenmenge pro Bild eine Bildwiederholfrequenz von mindestens 60 Hertz zu gewährleisten. Es existiert, wie bei VGA, auch eine Mini-DVI-Variante für Notebooks ohne Platz für eine vollwertige Buchse.

Die DVI-Spezifikation wurde durch die Digital Display Working Group entwickelt, um die Adaption eines Digital-Displays für High-Performance Desktops und Notebooks voranzutreiben.

DVI benutzt eine Schnittstelle, die als Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) bezeichnet wird. Es bietet eine Abwärtskompatibilität mit existierenden Standards und gleichzeitig um verschiedene Funktionalitäten erweiterbar. DVI unterstützt 2 TMDS-Anschlüsse, beide mit einer Übertragungsrate von 1,6 GB/s.

Die DVI-Stecker teilen sich in zwei Bereiche. Einmal der digitale Teil mit bis zu 24 Pins und der analoge Teil mit bis zu 5 Pins, wobei ein Pin immer vorhanden ist und wie ein breiter Stift aussieht. wenn man auf den Stecker schaut, dann ist er links zu sehen. Um ihn herum sind die analogen RGB-Pins angeordnet. Man nennt diesen Teil des Steckers auch Microcross.

DVI-D (digital): Es gibt sie in den Varianten 18+1 (Single Link) und 24+1 (Dual Link). Mit dem DVI-D-Dual-Link werden hochauflösende Bildsignale für 23- bis 30-Zoll-Bildschirme übertragen.
DVI-D-Buchse mit 24+1 Pins (Dual Link)
DVI-A (analog): Den Anschluss gibt es in der Variante 12+5. Dieser Stecker kann im rechten Bereich auch weniger Pins haben.
Adapter DVI-A auf VGA
DVI-I (integrated; analog und digital): es gibt sie in den Varianten 18+5 (Single Link) und 24+5 (Dual Link). Mit einem DVI-I auf VGA-Adapter kann man einen Röhrenbildschirm mit VGA-Schnittstelle an der DVI-Schnittstelle betreiben.
DVI-I-Buchse mit 24+5 Pins

HDMI (High Definition Multimedia Interface)

HDMI ist eine digitale Schnittstelle zur Übertragung von kopiergeschützten, hochauflösenden, digitalen Video- und Audio-Daten. HDMI verbindet Abspielgeräte, wie Tuner und Player mit Wiedergabegeräten, wie Flachbildschirme, Lautsprecher und Projektoren. In der einfachsten Konstellation verbindet HDMI DVD- und Blu-ray-Player mit einem Fernseher. HDMI überträgt Video- und Audiodaten mit einer Datenrate von bis zu 10,2 GBit/s (340 MHz) bei einer Single-Link-Verbindung.

Für die Autoindustrie gibt es spezielle Steckverbinder (Automotive Connection System), damit die Stecker einen besseren Halt haben. Sie sind den widrigen Verhältnissen angepasst und sorgen für eine höhere Betriebssicherheit.

Standard-HDMI-Stecker (Quelle: www.elektronik-kompendium.de)Mini-HDMI-Stecker (Quelle: www.elektronik-kompendium.de)Micro-HDMI-Stecker (Quelle: www.elektronik-kompendium.de)

DisplayPort

DisplayPort, kurz DP, ist eine Schnittstelle zur Übertragung von Audio- und Videosignalen zwischen Computer und Bildschirm. Verantwortlich für den DisplayPort-Standard ist die VESA (Video Electronics Standard Association). Dahinter stehen über 100 Firmen aus der Computer-Industrie. Entwickelt wurde der DisplayPort von AMD (ATI), Dell, Genesis, HP, Intel, Lenovo, NVidia und Samsung, Sony, LG, Apple, …

DisplayPort funktioniert ähnlich wie PCIe. PCIe ist nicht nur für Steckkarten, sondern auch für Kabelverbindungen spezifiziert. Da Intel bereits sehr viel Entwicklungsarbeit geleistet hat, sind viele Erkenntnisse in den DisplayPort eingeflossen.

DisplayPort basiert auf der Kodierung digitaler Daten ohne Taktleitung. Es ist eine serielle, skalierbare Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die sich an die Eigenschaften des Übertragungskanals anpassen kann. Werden Sender (Grafikkarte) und Empfänger (Display) miteinander verbunden, dann synchronisieren sie sich und stellen die Signalpegel zwischen 200 und 600 mV ein.

Display Port-Stecker und -Buchse
(Quelle: www.elektronik-kompendium.de)
Mini Display Port-Stecker
(Quelle: www.elektronik-kompendium.de)

Christian Zahler

Studium an der TU Wien (Chemie, Physik, Mathematik, Informatik), selbstständige Tätigkeit (IT & Consulting) mit Spezialisierung auf Schulungskonzepte in der Erwachsenenbildung, derzeit Unterrichtstätigkeit am Francisco Josephinum Wieselburg (Landtechnik-Abteilung, technische und naturwissenschaftliche Fächer, Schwerpunkte Elektro- und Automatisierungstechnik und Mechanik), seit unendlich langer Zeit dem ClubComputer freundschaftlich verbunden, Autor von Artikeln in PCNEWS.

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