Schnittstellen

Bei den Schnittstellen gibt es elektrisch gesehen 2 verschiedene Übertragungsmöglichkeiten für Daten: seriell und parallel. Bei der seriellen Übertragung werden die Bits nacheinander übertragen. Bei paralleler Übetragung werden mehrere Bits gleichzeitig übertragen, wobei es keine grundsätzliche Regel gibt, wieviele Bits gleichzeitig übertragen werden. Gängig sind jedoch parallele Übertragungen mit 4, 8, 16, 32 und 64 Bit.

RS-232 (COM-Ports)

IrDA

AT-Tastatur

PS/2-Anschlüsse

Parallelport / Centronics-Schnittstelle (LPT/SPP/EPP/ECP)

ISA

MCA, EISA, VLB

PCI

PCI-Express

AGP

AMR, CNR und ACR

USB

FireWire (i-Link/IEEE-1394)

Floppy

IDE, ATA

Serial ATA(SATA )

LAN / RJ45 (Ethernet)

Bluetooth

 

RS-232 (COM-Ports)

Der serielle Port nach dem Standard RS-232 kommt hauptsächlich in 2 verschiedenen Varianten vor: als D-25 Pin Stecker, und im D-9 Pin Stecker, welcher noch häufig bei seriellen Mäusen und Modems anzutreffen ist. Der Standard-PC ist meist mit 2 COM-Ports (die Bezeichnung "COM-Port" stammt noch aus Zeiten, in denen das PC-Betriebssystem schlechthin DOS war, bei dem serielle Schnittstellen COMx hießen) ausgestattet, welche üblicherweise die Interrupts 3 und 4 belegen, sofern diese nicht abgeschaltet sind.

Die Vorteile der RS-232-Schnittstelle sind auch heute immer noch gegeben:
Kabel für serielle Ports können wesentlich länger sein als solche für parallele Ports, welches mit der maximalen Spannungsamplitude zusammenhängt. Diese beträgt bei RS-232 bis zu 50V (-25V bis 25V; im Regelfall sind es nur -12V bis +12V), bei IEEE-1284 (LPT) jedoch nur 5V (0V bis 5V).
Es sind weniger Drähte im Kabel erforderlich als beim parallel Port. Im günstigsten Fall eines Null-Modems brauch man bei serieller Übertragung 3 Drähte, für parallele Übertragung jedoch 19 oder 25 Drähte pro Kabel.
Die Pin-Outs zur Bereitstellung der seriellen Schnittstelle vom Chipsatz her sind ebenfalls wesentlich günstiger als für die parallele Schnittstelle. Für RS-232 werden nur 2 Leitungen benötigt (Senden, Empfangen), während IEEE-1284 8 Leitungen braucht, legt man eine 8 Bit Übertragung zu Grunde.

Auch Infrarot-Geräte (IrDA) werden über die serielle Schnittstelle implementiert. Ein wichtiger Bestandteil ist der UART-Controller (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), der heute in jeder seriellen Schnittstelle vorhanden ist. Der UART-Controller dient der Konvertierung von parallel ankommenden Daten in einen seriellen Einzelbit-Datenstrom und vice versa bei der Ausgabe von Daten ,dem Hinzufügen und Überprüfen von Parity-Bits zur besseren Datenkontrolle und der Abhandlung der Interrupts (z.B. von Maus und Tastatur, sofern angeschlossen)
Bei UART 8250 und UART 16450: Einzelbyte-Puffer, kombiniert mit der FIFO-Technik (FIFO: first in first out)
Ab UART 16550: 16 Byte Puffer mit FIFO; funktionierte aber erst ab UART 16550A und höheren Versionen.

IrDA

Einen besonderen Abkömmling der seriellen Schnittstelle stellt IrDA dar. IrDA ist eine Schnittstelle, die Daten mittels Infrarot-Licht über kurze Distanzen übertragen kann. IrDA (genauer: IrDA DATA) wurde bereits 1994 als Standard definiert, hielt aber nur sehr zögerlich Einzug in die Systeme. Das hatte verschiedene Ursachen, wie etwa die langsame Unterstützung durch die Betriebssysteme, fehlende Anwendungen und natürlich kaum vorhandene unterstützte Hardware. Viele Boardhersteller brachten dann auf den Platinen zwar IrDA-Anschlüsse mit, legten jedoch denn nötigen Pfostenstecker aus Kostengründen nicht bei; lediglich bei Notebooks hielt IrDA relativ schnell Einzug. Heutzutage fristet IrDA weiterhin eher ein Mauerblümchendasein, und Kenner des Schnurlos-Genres haben ob der Einführung von Bluetooth (siehe Kapitel 5.18) den Untergang von IrDA schon fest beschlossen. Weiteres Ungemach brachten die Microsoft-BS Windows ME und 2000 mit sich: Microsoft änderte fluchs die Protokolle, und vor allem Besitzer von Nokia-Handys standen mit einem Mal im Regen, da der Datenaustausch bzw. das mobile Surfen nicht mehr möglich war. Das ist laut Microsoft aber mitlerweile durch Patches behoben.
IrDA wird heute aufgeteilt in zwei verschiedene Standards: IrDA DATA und IrDA CONTROL, wovon IrDA DATA im Prinzip das "Ur-IrDA" darstellt.

AT-Tastatur

Die AT-Tastatur-Schnittstelle zählt ebenso wie die RS-232 zu den Älteren im Feld der Anschlussarten. Der auch als DIN-Keyboardstecker bekannte Anschluss hat nur 5 Pins, im Vergleich zum folgenden PS/2 Stecker mit 6 Pins. Die AT-Tastatur benötigt einen Interrupt, meist wird IRQ 1 verwendet. Das verwendete Datenprotokoll unterstützt bi-direktionale Übertragung und ist bei DIN und PS/2 identisch, weshalb man DIN-Tastaturen auch via Adapter an einem PS/2-Anschluss verwenden kann. Eine Besonderheit stellt die Stromversorgung da: sie ist auf 300mA limitiert, so dass es hier häufig zu Problemen kommt, wenn über den Port viel Strom abgegeben werden soll.

PS/2-Anschlüsse

IBM entwickelte in den späten 80er Jahren eine neue PC-Generation: PS/2 (Personal System/2, dort liegen auch die Wurzeln des Betriebssystems OS/2). Neu waren damals der VGA-Grafikadapter (zu dem heutige PC-Grafikkarten immer noch - bis auf Registerebene! - kompatibel sind), der schon lange nicht mehr verwendete Microchannel-Bus (siehe 5.6) und die Anschlüsse für Tastatur (das Protokoll war aber gegenüber dem AT nicht verändert worden) und Maus (mit neuem Protokoll). Die letzteren Zwei wurden in dem ATX-Standard aufgenommen und werden daher immer noch verwendet.
Der PS/2-Anschluss am Motherboard ist ein 6 Pin Buchse. Auch die PS/2 Maus und Tastatur brauchen einen Interrupt, meist sind dies die IRQs 12 bzw. 1. Die Datenübertragung erfolgt bei Maus und Tastatur ähnlich, und zwar jeweils mit einem synchronen seriellen Protokoll. Die Schnittstelle unterstützt dabei bi-direktionale Datenübertragung. Das ursprüngliche Mausprotokoll unterstützt nur 2 Maus-Tasten, wurde jedoch von Logitech soweit erweitert, dass auch 3-Tasten-Mäuse ihre Verwendung finden.

Die Standard PS/2 Maus hat eine Auflösung von 160 CPI (Counts Per Inch), welche jedoch per Software auf 40, 80, 160 oder 320 CPI umgestellt werden kann. Die maximale Abtastrate beträgt 40 reports/second * 255 counts/report = 10220 counts/second. Für eine 100 CPI Maus hätte man somit eine Abtastgeschwindigkeit von 102 inches/second, für eine 400 CPI Maus jedoch nur von 25.2 inches/second.

Parallelport / Centronics-Schnittstelle (LPT/SPP/EPP/ECP)

Der Parallel-Port (LPT, Line Printer) war wohl der meistgenutzte Drucker-Anschluss bei PCs, bis ihm vom USB (und bald auch von BlueTooth) nach und nach der Rang ablaufen wurde. Der Parallel-Port im eigentlichen Sinn ist jedoch mehr als nur ein Drucker-Port, sondern wie die meisten Schnittstellen ein multifunktionelles Interface. Seine Basis-Adresse liegt normalerweise an der Adresse 378h oder 278h. Die außerdem mögliche Adresse 3BCh unterstützt jedoch standardmäßig kein ECP. Ein Interrupt wird ebenfalls benötigt, dieser liegt in der Regel auf IRQ 5 oder 7. Ist ECP aktiviert, wird normalerweise auch ein frei wählbarer DMA-Kanal (0-5) benötigt. Der heutige Parallel-Port geht aus der IEEE-1284 Spezifikation hervor, die 1994 in Kraft trat. Am PC ist der Parallel-Port durch einen D-25 Buchse nach außen geführt.
Laut IEEE-1284 gibt es prinzipiell 5 Übertragungsmodi, die der Parallel-Port beherrschen kann:

1. Compatibility Mode

2. Nibble Mode

3. Byte Mode (PS/2 Mode)

4. EPP Mode (Enhanced Parallel Port)

5. ECP Mode (Extended Capabilities Port)

Der Compatiblity Mode (auch "Centronics Mode") kann nur Daten senden, typischerweise mit 50 KB/s, in Ausnahmefällen auch mit mehr als 150 KB/s. Um Daten zu empfangen muss der Controller auf Nibble oder Byte Mode umstellen. Im Nibble Mode werden dabei 4 Bit Pakete empfangen ("Nibbles"), während im Byte Mode die Bi-Direktionalität zum Zuge kommt und die Daten byte-weise (8 Bit) übertragen werden. Die bi-direktional fähigen Parallel-Ports bezeichnet man als SPP (Standard Parallel Port).

Vom EPP gibt es bereits mehrere Standards: EPP 1.7 entspricht im weitesten dem SPP. Die Sende-Richtung kann bereits via Control-Bits umgekehrt werden, jedoch gibt es kein Time-out Bit. EPP 1.9 ist eine Weiterentwicklung von EPP 1.7 und unterscheidet sich im Wesentlichen durch das nun vorhandene Time-out Bit.

ECP ist auch abwärtskompatibel zu SPP. Namesgebend sind hier die erweiterten Port Protokolle bzw. Register. Ist ECP aktiviert, liegen an der Adresse Basisadresse + 0x400h ein ganzer Satz neuer Register vor. Diese neuen Control-Register dienen zur Identifikation des Übertragungsmodus (Bit 7-5), sowie zum Aktivieren von ECP Interrupt Bit (Bit 4), DMA Enable Bit (Bit 3), ECP Service Bit (Bit 2), FIFO full (Bit 1), FIFO empty (Bit 0)

http://www.beyondlogic.org/spp/parallel.htm
http://www.beyondlogic.org/epp/epp.htm
http://www.beyondlogic.org/ecp/ecp.htm
http://www.lvr.com/parport.htm

ISA

ISA (Industry Standard Architecture) war lange Zeit der PC- Standardbus schlechthin. Er entstand aus dem 8-Bit-Bus des IBM PC und PC-XT, der zuerst mit 4.77, später mit bis zu 8 MHz getaktet wurde. Mit der Einführung des IBM AT (1984) wurde der XT-Bus zum 16-bit AT-Bus erweitert; daher ist der ISA-Stecker auch zweiteilig - auf dem hinteren Teil finden sich die Leitungen für die restlichen 8 Daten- und 4 Adressbits (der in PC und XT eingesetzte 8088 sowie der 8086 hatten nur 20 Adressleitungen, der 80286 dagegen 24). Später wurde der mit dem AT-Bus bis auf wenige Ausnahmen identische ISA-Bus standardisiert, mit einem maximalen Takt von 8 MHz. Etwa 1993 wurde ISA-Plug'n'Play eingeführt (Plug'n'Play steht für automatische Konfiguration der Karten durch das BIOS bzw. Betriebssystem), welches jedoch des öfteren eher als "Plug'n'Pray" angesehen wurde - manchmal funktionierte es, manchmal nicht.

Am Anfang der 90er Jahre wurde mit dem Aufkommen der 486er der alte ISA-Buszum Flaschenhals, da seine maximale Datenübertragungsrate im Regelfall bei 2.5 MB/s, mit ISA-Busmastering bei 5 MB/s lag (ISA-Busmastering wurde allerdings eher selten genutzt, Hauptvertreter war der SCSI-Hostadapter 1542 von Adaptec). Außerdem lag der Adreßbereich mit 24 Adressleitungen bei nur 16 MB (mehr konnte der 286er im AT nämlich auch nicht adressieren), so daß es für Karten mit linearem Adreßraum (z.B. Grafikkarten, die winzige 64-KB-Fenster benutzen mußten) recht eng war. Außerdem können sich aufgrund einer technischen Eigenart des Busses, die mit dem PC eingeführt wurde, mehrere Karten keinen Interrupt teilen, was rein technisch schon 1981 kein Problem gewesen wäre.

Daraufhin ließen sich die Hersteller etwas einfallen, und es entstanden neue Bussysteme, wie MCA, EISA, VLB und PCI, die in den folgenden Abschnitten vorgestellt werden.

MCA, EISA, VLB

MCA

MCA (Microchannel Architecture) stammte von IBM (erstmals zu finden in den PS/2-Modellen 50, 60 und 80 von 1987, die einen 80286 bzw. 80386DX verwendeten) und war fast ausschließlich in deren PS/2-Rechnern anzutreffen. Dieser Bus war je nach Prozessor (286/386SX bzw. 386DX) 16 bzw. 32 Bit breit, lief asynchron mit Zykluszeiten von zumeist 100 bis 200 ns (vergleichbarer Takt 5 bis 10 MHz) und unterstützte Busmastering (wie auch EISA, VLB und PCI ab 2.0; Geräte können selbständig Daten zum RAM schaufeln, ohne die CPU bemühen zu müssen - das entlastet den Prozessor), IRQ-Sharing (mehrere Geräte können sich einen Interrupt teilen) sowie Konfiguration der Erweiterungskarten per Software, war also damals sehr modern. Haken: ISA-Karten konnten in Microchannel-Rechnern nicht betrieben werden (pure Gedankenlosigkeit von IBM), außerdem verlangte man von Drittherstellern saftige Lizenzgebühren, so daß sich die Microchannel-Architektur nicht durchsetzen konnte (einziger Fremdhersteller von MCA-Rechnern war NCR) und schließlich IBM die Marktführerschaft im PC-Bereich verlor.

EISA

EISA (Enhanced Industry Standard Architecture) war ein 32-Bit-Bus, der als Alternative zu MCA entstand und der wie ISA bei nominal 8 MHz Bustakt lief. Im Burstmodus (Übertragung mehrerer Datenworte am Stück anstatt einzeln) konnte ein hoher Durchsatz erreicht werden (normalerweise bis 33.3 MB/s). EISA-Karten waren per Software konfigurierbar, auch Busmastering und IRQ-Sharing waren möglich. In EISA-Slots konnten auch ISA-Karten betrieben werden, freilich ohne die Vorteile von EISA nutzen zu können. Bei Servern war EISA bis in die Mitte der 90er Jahre recht häufig anzutreffen, die zunächst recht hohen Chipsatzpreise bzw. die niedrigen Preise von Boards mit VESA-Localbus verhinderten jedoch eine weitere Verbreitung. Ein verbessertes Busmastering, EMB (Enhanced Master Burst) genannt - hierbei wurden Daten an der steigenden und fallenden Flanke des Taktsignals übertragen - war genauso selten wie EISA mit der Erweiterung auf 64 Bit Datenbusbreite.

VLB

Der VESA-Localbus (VL/VLB) war der 486er-Bus schlechthin, war er doch 1992 hauptsächlich für diesen Prozessor entwickelt worden. Er stellt praktisch eine Erweiterung des Prozessorbusses dar, weshalb er auf 486er-Boards sehr preisgünstig zu realisieren war. Der VL-Bus war das Ergebnis von Standardisierungsbemühungen, nachdem die Hersteller eine Vielzahl untereinander inkompatibler lokaler Bussysteme (Local Bus = Bus, der unmittelbar oder fast unmittelbar an der CPU hängt) entwickelt hatten, um wenigstens bei der Grafikkarte den langsamen ISA-Bus, der obendrein einen viel zu kleinen Adreßraum hatte, zu umgehen. Der VESA-Localbus ist ein 32-Bit-Bus (16-Bit-Geräte sind auch möglich), der mit 30 Adreßleitungen (offenbar werden dort nicht Bytes, sondern DWORDs, also 32 Bit, adressiert) einen Adressraum von 4 GB hat (auch wenn in der Praxis manche Boards nur 128, 64 oder gar 32 MB davon nutzen konnten). Er läuft mit dem externen Takt der CPU (heute als Front Side Bus = FSB bekannt, im Regelfalle also 25, 33 oder 40 MHz, wobei die Zahl der nutzbaren VL-Slots mit zunehmender Frequenz abnimmt. Mehr als 40 MHz waren bei der ersten VL-Spezifikation nicht vorgesehen, weshalb auch nur wenige VL-Karten mit 50 MHz liefen (deshalb war VL auf Boards mit dem 486DX50 eine recht heikle Sache). Ein VL-Slot bestand im übrigen zumeist aus einem 16-Bit-ISA-Slot, hinter dem sich der eigentliche VL-Anschluß fand, außerdem wiesen VL-Boards i.d.R. noch einige reine ISA-Slots auf somit konnten ISA-Karten normalerweise problemlos in VL-Systemen betrieben werden. Im Burstmodus konnte bei VLB ein Datendurchsatz ähnlich wie bei PCI erzielt werden, IRQ-Sharing war jedoch nicht vorgesehen, ebensowenig wie Möglichkeiten zur automatischen Konfiguration. Außerdem wurden Schreib-Bursts vom 80486 gar nicht unterstützt, weshalb dafür zusätzliche Elektronik notwendig war. Busmastering war möglich, allerdings nicht sehr effizient. Auch die Zahl der Slots war wegen der fehlenden elektrischen Entkoppelung vom Prozessorbus normalerweise auf zwei bis drei begrenzt und anfangs gab es sogar Erweiterungskarten, die miteinander inkompatibel waren. Da der VLB mit dem externen Takt des Prozessors läuft und auf das 486-Busprotokoll zugeschnitten war, waren Pentium-Systeme (externer Takt anfänglich 60 und 66 MHz) mit VL-Bus nicht mehr billiger zu realisieren als solche mit dem technisch besseren PCI-Bus, weshalb man auf PCI auswich und der VL-Bus mit dem Siegeszug der Pentiums ab etwa 1994 noch vor Ende der 486er-Ära vom Markt verschwand. VL-Geräte waren von der Leistung her übrigens absolut vergleichbar mit solchen für den PCI-Bus.

PCI

Der 1993 von Intel vorgestellte PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect), dessen Version 2.0 noch im selben Jahr das Licht der Welt erblickte, ist weitgehend plattformunabhängig, weshalb er sich auch in Power-Macs findet. Er ist nicht direkt vom Prozessortakt abhängig und elektrisch vom Prozessorbus entkoppelt, was höhere Slotzahlen ermöglicht (anfangs 3 oder 4, in der Zwischenzeit 6). Um das Slot-Anzahl-Problem zu umgehen, verfügt PCI über so genannte PCI-to-PCI-Bridges: Sie bieten die Möglichkeit, mehrere PCI-Busse parallel oder hintereinander in einem Rechner zu betreiben. Zusätzlich verfügt die PCI-to-PCI-Bridge über ein Konfigurationsregister zum Abspeichern von Initialisierungsdaten. Darüber hinaus ist die Bridge in der Lage, Einzeltransfers zu schnellen und effizienten Burst-Zugriffen zusammenzufassen.
Der "normale" (auch legacy oder conventional) PCI-Bus ist 32-bittig, hat einen 32Bit-Adressbus und läuft mit 33MHz (Spezifikation: 25 bis 33MHz). PCI unterstützt IRQ-Sharing (wenngleich auch die Treiberprogrammierer gelegentlich noch in seeligen ISA-Zeiten zu leben scheinen, was dann der gebeutelte Anwender ausbaden darf), Plug'n'Play mit Konfiguration durch das BIOS und Busmastering. Seit PCI 2.3 waren die 5V-only Karten abgeschafft, diese Karten wird es mit dem PCI 3.0 Logo nicht mehr geben, die Karten laufen ausschliesslich mit 3.3V auf dem Datenbus. Dementsprechend sind sie auch gekerbt, und lassen sich in Boards bis PCI 2.2 nicht mehr einsetzen. Die maximalen Übertragungsraten liegen bei 33MHz und 32Bit mit und ohne Burst bei 133.3 und 44.4MB/s (lesend) bzw. 133.3MB/s und 66.6MB/s (schreibend). Man braucht wohl nicht zu erwähnen, dass PCI momentan der Standardbus in PCs ist, wenngleich 2004 der langsame Umstieg auf PCI-Express (siehe 5.9.4) eingeläutet werden soll.

PCI mit 64Bit

In Profisystemen findet sich auch die Variante mit 64 Bits und aufgrund der höheren Leitungsanzahl längeren Slots, die es seit PCI 2.0 (1993) gibt, dann oft auch mit 66 statt 33MHz. Bei 66 MHz sind im übrigen nur zwei Slots pro Bus zulässig. Die Übertragungsraten der breiten Variante des PC-Standardbusses liegen erwartungsgemäß höher: Die Spanne reicht von 64Bit/33MHz mit 266MB/s bis zu 533MB/s bei 64Bit/66MHz. 32Bit-Karten sind auch im 64Bit-Slot zu betreiben.

PCI-Express

Nachdem der 1993 vorgestellte PCI-Bus mit einer Datentransferrate von maximal 127,2 MByte/s für moderne I/O-Hardware wie 10-Gbit-Ethernet-Adapter zu langsam ist, sollen PCI-X und vor allem PCI Express das Defizit beseitigen. Diese neuen Bustopologien erreichen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 7,95 GByte/s (PCI-X 1066) und 9,53 GByte/s je Richtung (PCI Express mit 32 Leitungspaaren).
Die PCIe-Spezifikationen in Version 1.0 wurde Mitte 2002 von der PCI Special Interest Group (PCI SIG) verabschiedet, konkrete Hardware gibt es seit Sommer 2004 - allerdings außer den nötigen Chipsätzen hauptsächlich PCI-Express-Grafikkarten (PCIe for Graphics, PEG), einige GBit-LAN-Chips und professionelle Storage- und Infiniband-Adapter.

PCIe ist im Gegensatz zum PCI-Bus kein paralleler Bus, sondern eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die Datenübertragung erfolgt über sogenannte Lanes, wobei jede Lane aus einem Leitungspaar für das Senden und einem zweiten Paar für das Empfangen besteht. Einzelne Komponenten werden über Switches verbunden.

PCI Express (nicht mit PCI-X zu verwechseln) arbeitet mit einzelnen Links oder Lanes, die auf zwei Signalleitungen pro Richtung jeweils 2,5 GBit Daten pro Sekunde befördern -- wegen der 8-Bit-10-Bit-Kodierung soll sich damit bei der Übertragung großer Blöcke ein theoretisches Maximum von etwa 250 MByte/s vollduplex erreichen lassen.

PCIe ist vollduplexfähig, die Datenrate einer Lane beträgt theoretisch 250 MByte/s pro Richtung (Zum Vergleich: der Standard-PCI Bus mit 32-Bit Busbreite bei 33 MHz erreicht nur maximal 132 MByte/s). In der Praxis erreicht man Raten von über 240 MByte/s bei langen Datentransfers. Verwendet man nur eine Lane, spricht man von PCIe x1.

Einzelne Lanes lassen sich zu leistungsfähigeren Schnittstellen bündeln, zurzeit sind x1-, x4-, x8-, x16- und x32-Ports definiert. PEG arbeitet für gewöhnlich als PCIe-x16- oder PCIe-x32-Port, aber es sind auch Sonderformen wie x16-Steckplätze mit nur 4 oder 8 Lanes möglich.

Im Laufe des kommenden Jahres (2005) will die PCI SIG nun eine neue PCIe-Spezifikation verabschieden, die die Brutto-Transferrate pro Link auf 5 GBit/s verdoppelt. Mit konkreten Produkten rechnet das Gremium ab 2007.

Im Consumerbereich wird PCIe x1 als Ersatz für den PCI-Bus und PCIe x16 zur Anbindung einer Grafikkarte verwendet, was somit auch den AGP überflüssig macht. Im Serverbereich wird es darüberhinaus noch die Varianten x2, x4, x8, x16 und x32 geben. Die Slots sind außerdem abwärts kompatibel, d.h. eine x4 Karte kann z.B. auch in einen x8 Slot gesteckt werden, die überzähligen vier Lanes werden dann nicht genutzt. Umgekehrt ist dies momentan nur bei SLI üblich. Denn obwohl die Slots für die Grafikkarten die Größe von 16x Slots haben, werden beim Einsatz von zwei Grafikkarten die 16 Lanes auf beide Slots verteilt, was dann nur noch 8 Lanes pro Karte ergibt.

PCIe ist des weiteren Hot-Plug-fähig, was das Ein- und Ausbauen von (defekten) Erweiterungskarten im laufendem Betrieb ermöglicht - ein Feature, das im Serverbereich gesucht ist.

Derzeit (2005) erhältliche Mainboards mit PCI-Express unterstützen maximal 20 Lanes - in der Regel aufgeteilt in einen 16x-Slot für die Grafikkarte und vier 1x Slots für Erweiterungskarten. Bei Verwendung von zwei gekoppelten Grafikkarten mit Nvidias SLI-Technologie sind statt des 16x-Slots zwei 8x-Slots auf dem Mainboard nötig. Neu dazu kommen nun 38 bzw. 40 Lanes.

Kürzlich hatte die PCI SIG auch kleinere Spezifikations-Updates veröffentlicht, nämlich PCI Express 1.1 und Vorschriften zum Einsatz von PCIe-Grafikkarten mit bis zu 150 Watt Leistungsbedarf in ATX-Plattformen. Eine BTX-Version soll folgen. PCI-Spezifikationen sind leider -- wie ISO- oder DIN-Normen auch -- nur kostenpflichtig erhältlich.

AGP

AGP steht für "Accelerated Graphics Port", die Spezifikation 1.0 wurde 1997 Eingeführt. In erster Linie ist AGP nichts anderes als eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Grafikkarte und Chipsatz bzw. Hauptspeicher, die wesentlich schnellere Datenübertragung als auf dem konventionellen PCI-Bus ermöglicht. Auf dem Mainboard gibt es deshalb einen neuen Steckplatz für AGP-Karten. Dieser liegt so, dass eine PCI-Karte auf gar keinen Fall in einen AGP-Slot passt und vice versa.
Der AGP-Standard baut im Prinzip auf den Spezifikationen von 66MHz PCI auf. Das bedeutet, dass eine AGP-Grafikkarte ohne Nutzung der zusätzlichen AGP-Funktionen wie eine PCI-Grafikkarte läuft.

Den AGP-Port gibt es in 3 Spannungsvarianten: AGP 8x mit 0,8V, AGP 4x/8x mit 1,5 V und AGP 1x/2x mit 3,3V. Allerdings konnte in den Modi AGP 1X und 2X der Port wahlweise mit 3.3V oder 1.5V versorgt werden, bei AGP 4X/8x ist 1.5V zwingend. Die Codierung der Spannungen erfolgt über Aussparungen am Slot sowie per Signal (Vddq) der Grafikkarte. Ab 1999 ließen viele Mainboardhersteller nur noch 1.5V AGP-Karten auf ihren Mainboards zu. Das führte zu Problemen, da sich einige AGP 2X Karten fälschlicherweise in diesen Slot stecken ließen, in den sich aber nur AGP 4X fähige Karten einstecken lassen sollten: Das Mainboard und die Grafikkarte wurden dann zerstört. Zu den fehlerhaft kodierten Karten gehören die 3dfx Voodoo-Serie, Matrox G200, die ersten Matrox G400, ATI Rage Fury, viele Karten mit nVidia Riva TNT oder TNT2 und Intel i740.

Da die Grafikboliden immer mehr Strom ziehen, wurde der AGP um "AGP Pro" ( Spezifikation 1.1a von 1999) erweitert. Bei AGP Pro ist aufgrund einer besseren Stromversorgung (durch zusätzliche Pins) eine höhere Leistungsaufnahme möglich. Sie liegt bei AGP Pro bis zu 4 mal höher als bei Standard-AGP. Nur die wenigsten Karten nutzen aber diese zusätzlichen Pins und spendieren ihren stromhungrigen Grafikboliden lieber direkt eine Buchse für einen Netzteilstecker. Lediglich bei professionellen OpenGL-Karten findet sich ab und zu ein AGP Pro Exemplar.

2003 spezifizierte man AGP 8x. Ein reines AGP 3.0 Motherboard konnte laut Spezifikation ausschließlich mit einem Signalpegel von 0.8V umgehen, das Einsetzen einer AGP 2.0 konformen Grafikkarte würde das Motherboard demzufolge sofort zerstören. Dieses Mal jedoch hatten die Ingenieure aus der Vergangenheit ihre Lehren gezogen und im "AGP 3.0 Motherboard" Standard eine Schutzschaltung gegen die Inbetriebnahme von AGP 1.5V Grafikarten spezifiziert. Nicht ganz klar war hingegen die Situation bei Inbetriebnahme einer AGP 3.3V Karte in einem "Universal 1.5V AGP 3.0 Motherboard.

 

 

Inzwischen wird der AGP-Port durch den PCI-Express Port abgelöst

Nähere Infos zu AGP selber gibt es u.a. unter:
http://developer.intel.com/technology/agp
http://www.agpforum.org

AMR, CNR und ACR

Viele Mainboards mit aktuellen Chipsätzen haben neuartige, zusätzliche Slots für Erweiterungskarten, die zu allen bisherigen Standards inkompatibel sind. Es handelt sich dabei um sog. "Riser"-Steckplätze, die sich aus Intel´s AC'97-(Audio)-Standard entwickelt haben. Die neuen Steckkarten, die in diese Slots passen, sind ausschließlich least-cost Karten, die im Einzelhandel spärlich oder gar nicht erhältlich sind. Verbaut werden sie deshalb nur von Systemintegratoren, die PC´s in großen Stückzahlen herstellen, um durch die verwendeten, billigeren Komponenten Geld zu sparen. Es gibt mittlerweil drei dieser neuen Slots: AMR, CNR und ACR.

Audio/Modem Riser (AMR)

AMR (Audio/Modem Riser) gibt es bereits seit 1998 und wurde von Intel ins Leben gerufen, und hatte damals neben Sound- und Modem-Funktionen von AC'97 auch einen USB-Anschluss zu bieten. Der Slot befindet sich auf dem Mainboard meist unter den PCI-Steckplätzen. Er hat häufig die Farbe des AGP-Slots und in etwa die Bauform eines halbierten PCI-Steckplatzes, liegt jedoch etwas näher an der Slotblende.

Communication/Network Riser (CNR)

CNR (Communication/Network Riser) entstand im Jahr 2000 und ist eine Erweiterung des AMR-Standards, wiederum durch Intel. Die Bauform entspricht der des AMR-Slots, weshalb AMR-Karten auch im CNR zum Einsatz kommen können. Neben den AMR-Funktionen bietet CNR noch SMBus und ein LAN-Interface.

Advanced Communication Riser (ACR)
Am Standard für ACR (Advanced Communication Riser) waren ausser Intel auch noch VIA und AMD beteiligt. Es ist vom Aussehen leicht mit dem PCI-Slot zu verwechseln, jedoch liegt der Steg im Slot an einer anderen Stelle, so dass Verwechslungen ausgeschlossen sein sollten. Durch die Plazierung des Stegs ist auch der Einbau von AMR-Karten weiterhin möglich. Im wesentlichen wurde der AMR-Standard um Anschlussmöglichkeiten für LAN, DSL-Modems und drahtlose Netwerke (nur USA) erweitert.

USB

Der erste Standard, USB 1.0, sah eine Bitrate von maximal 12 MBit/s (1,5 MByte/s) vor. Als erste Chipsätze unterstützten 1997 die Intel-Produkte 430HX und 430VX den USB. Wesentlicher Faktor für die Marktakzeptanz von USB war 1998 die Einführung des iMac von Apple. Mit diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen ADB durch den USB – dadurch bildete sich in kurzer Zeit eine installierte Basis, die auf den USB angewiesen war. Ab Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der 1.0 Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit blieb jedoch gleich. USB 1.x stellte deshalb keine Konkurrenz zu Apples FireWire-Standard (IEEE 1394) dar, der von Anfang an eine Datenrate von 100 MBit/s bot und rasch auf 400, 800 und schließlich 1.600 MBit/s (IEEE 1394b, ab April 2002) beschleunigt wurde. Im Jahr 2000 folgte die Spezifikation für USB 2.0, die vor allem die Datenrate auf bis zu 480 MBit/s (60 MByte/s) erweiterte und so den sinnvollen Anschluss von Festplatten oder Videogeräten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt.

 

USB kennt 2 definierten Steckertypen für alle Geräte: Typ A für den Anschluss am Hub, und Typ B für den Anschluss am Gerät.

Für sehr handliche Geräte hat sich inzwischen auch ein weiterer Typ, der Mini-USB-Stecker etabliert. Dieser weist wiederum unterschiedliche Formate auf:

Verschiedene Mini-USB-Stecker Typen: der mittlere ist der normale Mini-USB der bei kleinen Festplatten und digitalen Kameras zum Einsatz kommt., Rechts ist ein Mini-B4polig, der sich langsam bei Camcoder durchsetzt, der linke ist das japanische Format, dieser kommt bei neuen Yakumo, Xacti und Sonys zum Einsatz.

 

Der USB-Hostadapter übernimmt die komplette Grundkonfiguration der Geräte. Ausserdem veranlasst er das automatische Laden gerätespezifischer Treiber. Es sind weder besondere Einstellungen noch ein Terminierung notwendig, der Hostadapter benötigt hardwareseitig nur einen zugewiesenen Interrupt, den er auch mit anderen PCI-Geräten teilen kann.

Die Bezeichnung "Bus" in USB trifft die Struktur der Verkabelung USB-fähiger Geräte eigentlich nicht genau. USB sieht vielmehr eine Stern-Bus-Struktur (Hub) vor, an deren Spitze der USB-Hostadapter steht. An diesem können laut Spezifikation bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Ausserdem können immer weitere Hubs zwischengeschaltet werden, um Geräte anzuschließen oder die Stromversorgung sicher zu stellen. Letzteres kann zwingend notwendig sein, da der OnBoard-USB nur maximal 500mA (wärend der Initialisierung sogar nur 100mA) pro Port liefert. Wird mehr Strom von einem Gerät benötigt, wird das Gerät vom Hub nicht initialisiert, und dann ist ein zusätzlicher self-powered USB-Hub absolut zwingend. Diese stellen bis 5000mA für die Initialisierung und 2000mA für den Betrieb von USB-Geräten sicher.
Das USB-Kabel hat 4 Adern, von denen 2 für die bi-direktionale Datenübertragung zuständig sind. Eine weitere Ader führt die Masse, und die verbleibende vierte Ader führt die +5V Versorgungsspannung. Da die Daten differentiell übertragen werden (d.h. die Spannungs*differenz* zwischen zwei Leitungen ist entscheidend, nicht die absolute Spannung einer Leitung gegen Masse), ist USB in der Praxis robust und wenig störanfällig.
Von der Übertragungsbandbreite werden an den USB die verschiedensten Anforderungen gestellt. Langsame Geräte wie Maus und Tastatur werden genauso unterstützt wie Modems und Videokameras. Deshalb ist die Übertragung bei USB in Kanäle aufgeteilt.

In der USB-Spezifikation 1.1 gibt es deshalb sowohl einen Low-Speed-Kanal mit bis zu 1.5 MBit/s als auch einen Full-Speed-Kanal mit bis zu 12 MBit/s. In der Spezifikation 2.0 ist noch ein High-Speed-Kanal mit bis zu 480 MBit/s vorgesehen, was eine Datenübertragung von bis zu 40 MB/s für externe Festplatten etc. möglich macht, in der Praxis bleiben davon häufig nur 30-35MB/s übrig. USB 2.0 ist zu USB 1.1 abwärtskompatibel.

Der USB setzt sich aus 4 Leitungen zusammen, wobei für die Datenübertragung zwei differenzielle Signalleitungen verwendet werden. Die Leitungen führen eine 5V Spannungsversorgung .Je nach Gerät wird jedoch eine eigene Stromversorgung benötigt, da die maximale Stromaufnahme auf lediglich 500mA begrenzt ist. Deutlich spürbar, wenn neue Festplatten ohne eigene Stronversorgungangeschlossen werden. 

 

Das im PC übliche Taktsignal wird durch die Non Return to Zero Inverted , oder kurz NRZI-Kodierung ersetzt. Am USB angeschlossene Geräte benötigen keinen Interrupt  (Ausnahme : der USB selbst, der i.d.R. den IRQ 11 belegt). Infolge dessen, das lediglich ein Controller zum Anschluss verschiedener Geräte benötigt wird, konnten die wichtigen und knapp bemessenen PC Ressourcen, wie Speicher-Adressen oder IRQ,- und DMA Kanäle verringert werden.

Der USB wird vom HOST (Root Hub)  gesteuert, der sich zumeist auf dem Motherboard oder in Ausnahmefällen auf einer PCI Steckkarte befindet. Die Daten werden über ein verdrilltes Zweidrahtkabel mit 12 Mbit/ s übertragen, was eine maximale Länge von 5m erlaubt. Auch hier gilt mal wieder eine Ausnahme : Das Kabel für Low Speed Geräte sollte 3m nicht überschreiten !  Über Aktive Verlängerungskabel mit eingebautem Signalverstärker lassen sich die Leitungen zwischen 2 Geräten auf 30m erweitern.

Mittlerweile ist eine Verlängerung mittels USB Line Extender für Patchkabel bis 100 Meter möglich. 

Wie viele USB Anschlüsse ein Computer besitzt, hängt von der Qualität des Mainboards ab. In den meisten Fällen werden zwei bis vier Anschlüsse angeboten. Wer mehr als 4 Geräte anschließen möchte , benötigt einen Hub.

Weitere Infos zum Thema USB gibt es u.a. bei den Entwicklern:
http://www.usb.org

FireWire (i-Link/IEEE-1394)

IEEE-1394 oder FireWire ist eine der neuesten Schnittstellen, die ein PC bieten kann. Ebenso wie RS-232 ist IEEE-1394 eine serielle Schnittstelle. Obwohl diese Technologie viele Vorteile hat, fand sie sehr langsam ihren Weg auf die Mainboards. Apple stellte mit dem NuBus90 aus der Mac Quadra Reihe den ersten Hilfsbus vor und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der 1986 vorgestellten Schnittstelle. Die Spezifikation wurde von den führenden Technologiefirmen verifiziert und Ende 1995 vom IEEE-Konsortium zum Standard erhoben. Dei Entwickler bei Apple fanden, dass sich Firewire einfach besser anhört als IEEE1394, und leichter zu merken ist. Es handelt sich jedoch um ein und das selbe. Da Firewire also nicht von Intel, sondern von Apple konzipiert wurde, wird diese Schnittstelle nicht standardmäßig von Intel Chipsets unterstützt. 

Im Heimvideobereich dagegen ist FireWire schon etabliert (DV-Camcorder), und im HiFi-Bereich gibt es volldigitalen Anlagen, die ohne Cinch-Kabelsalat auskommen.

FireWire bietet ähnlich wie USB viele Vorteile gegenüber den Standard-Schnittstellen eines PCs:

Transferrate von bis zu 400 MBit/s (IEEE-1394a)
garantierte gleichzeitige Übertragung von mehreren zeitkritischen Datenströmen
bis zu 63 Geräte anschließbar
Kabellänge 4,5m mit Shielded Twisted Pair Kabel
flexibles, 6 adriges Rundkabel
komplettes Plug&Play inklusive Hot-Plugging

Angesichts dieser Punkte ist IEEE-1394 der Hauptkonkurrent für den USB. Firewire ist besonders im Bereich Videobearbeitung sehr beliebt. Das liegt in Erster Linie daran, dass sie eine garantierte Bandbreite bereitstellt . (Isochronus Mode)  Als Peer to Peer Netzwerk benötigt die 1394 -Schnittstelle im Gegensatz zu ihrem Pendant USB keinen dedizierten Host.  

Der Standard IEEE-1394b (aka FireWire 800) wurde vor kurzem verabschiedet. Er stellt eine Erweiterung und Beschleunigung des IEEE-1394a dar. Mit FireWire 800 sind Datenraten bis zu 800MBit/s und sogar 1600MBit/s erreichbar, eine weitere Erhöhung auf 3.2GBit/s ist geplant. Dafür sind für FireWire 800 aber neue Stecker und Buchsen nötig. Die maximale Kabellänge beträgt weiterhin 4,5m, sofern Shielded Twisted Pair Kabel verwendet wird.

Weitere Informationen zu FireWire/IEEE-1394 gibt es u.a. bei http://www.ieee.org

Floppy

Zu einem 34-poligen Anschluss auf dem Mainboard für ein ebensolches Flachbandkabel gehört das Diskettenlaufwerk, auch Floppy genannt. Die entsprechenden Disketten (zumindest die für 3-1/2-Zoll-Laufwerke) wird wahrscheinlich jeder kennen, ebenso ihr heute lächerlich gering erscheinendes Fassungsvermögen, die nicht minder steinzeitliche Geschwindigkeit der Laufwerke und die Tatsache, daß die Medien nicht immer zuverlässig sind. (Daß eine gewisse Firma aus Redmond es nicht fertiggebracht hat, einen Treiber für die Fenster Nummer 95, 98 und ME zu schreiben, der nicht das ganze System bei Diskettenzugriffen lahmlegt, dürfte man auch bemerkt haben.)
Disketten und die Technik drumherum zählen zu den technisch ältesten Komponenten des PC - schon der erste IBM-PC war mit Diskettenlaufwerken ausgestattet, die damals noch Disketten im 5-1/4-Zoll-Format mit einem Fassungsvermögen von sagenhaften 160 KB schluckten (5-1/4-Zoll-Disketten sind übrigens biegsam - darum "floppy" für "schlapp, schlaff", "schlappe Scheiben" also ;)). Die Kapazität wurde zunächst auf 360 KB (zweiseitig, 9 statt 8 Sektoren pro Spur), mit der Einführung des IBM AT (1984) auf 1200 KB gesteigert; mit dem PS/2 (1987) wurde die ersten 3-1/2-Zoll-Laufwerke eingeführt, mit zunächst 720 KB Fassungsvermögen (sie sind auch gegen Umwelteinflüsse besser geschützt). Wenig später erschienen Laufwerke mit 1440 KB pro Diskette - und diese werden bis heute eingesetzt, seit mehr als 10 Jahren! Die später noch herausgebrachten ED-Laufwerke und -Disketten mit 2880 KB pro Diskette konnten sich u.a. aufgrund ihrer Unzuverlässigkeit nicht durchsetzen.
Heutige Mainboards können normalerweise 5-1/4-Zoll-Laufwerke mit 360 und 1200 KB und 3-1/2-Zoll-Laufwerke mit 720 und 1440 KB ansteuern. Beim Anschluss sollte man darauf achten, daß das Laufwerk hinter dem Dreher im Kabel (vom Controller aus gesehen) unter DOS/Windows den Laufwerksbuchstaben A bekommt, das davor dagegen B. Booten kann man nur von A, weswegen des öfteren eine Option "Floppy Drive A/B swap" im BIOS-Setup vorhanden ist, die die Reihenfolge der zwei Diskettenlaufwerke softwaremäßig vertauscht. Wird das Kabel versehentlich verdreht angesteckt, äußert sich dies durch ständiges Leuchten der Zugriffs-LED am Diskettenlaufwerk, zudem wird der Inhalt jeder dann eingelegten Diskette gelöscht.
Der Floppy-Controller ist übrigens mittlerweile in die Southbridge des Chipsatzes gewandert, verhält sich aber immer noch wie der Urahn NEC PD765, und die Daten von der Diskette werden nach wie vor per DMA (Direct Memory Access) übertragen, und zwar mit maximal 500 KBit pro Sekunde (bei ED 1000 KBit/s). (Ja, DSL ist schneller und belastet das System deutlich weniger.)

Wie auf einer Festplatte werden die Informationen auf Disketten magnetisch gespeichert, allerdings gleiten die Schreib-/Leseköpfe direkt auf der Oberfläche des Mediums, was natürlich wie bei Videokassetten eine gewisse Abnutzung und Verschmutzung des Köpfe bedingt (daher gibt es Reinigungsdisketten).

Die Spurdichte beträgt bei 360-KB-Disketten 48 TPI (tracks per inch, Spuren pro Zoll), bei 1200-KB-Disketten 96 TPI und bei 1440-KB-Disketten 135 TPI. Disketten bzw. die Magnetscheiben darin rotieren mit 300 (3.5") bzw. 360 (5.25" mit 1.2 MB) Umdrehungen pro Minute, die Suchzeit liegt daher bei etwa 100 ms.

Nachfolgend noch eine Übersicht der Standard-PC-Diskettenformate:

Diskettengröße Spuren pro Seite Sektoren pro Spur Speicherkapazität
5.25" Singlesided Double Density 40 8 40*8*512 Byte = 160 KB
5.25" DD - Double- sided Double Density 40 9 2*40*9*512 Byte = 360 KB
5.25" HD - Double- sided High Density 80 15 2*80*15*512 Byte = 1200 KB
3.5" DD - Double- sided Double Density 80 9 2*80*9*512 Byte = 720 KB
3.5" HD - Double- sided High Density 80 18 2*80*18*512 Byte = 1440 KB
3.5" ED (nur IBM) - Doublesided Extended Density 80 36 2*80*36*512 Byte = 2880 KB

Die Spurdichte beträgt bei 360-KB-Disketten 48 TPI (tracks per inch, Spuren pro Zoll), bei 1200-KB-Disketten 96 TPI und bei 1440-KB-Disketten 135 TPI. Disketten bzw. die Magnetscheiben darin rotieren mit 300 (3.5") bzw. 360 (5.25" mit 1.2 MB) Umdrehungen pro Minute, die Suchzeit liegt daher bei etwa 100 ms.

Informationen zur Belegung:
http://www.hardwarebook.net/connector/storage/internaldisk.html

IDE, ATA

IDE (Integrated Device Electronics), auch ATA (AT Attachment) genannt, war lange Zeit das am weitesten verbreitete Standard auf dem Heim-PC für das Interface von Festplatten. Heute wird diese Schnittstelle langsam von SATA abgelöst. Jedes Motherboard bringt heute mindestens einen IDE-Controller mit jeweils 2 IDE-Kanälen mit. Die Schnittstelle besteht aus einem 40-poligem Interface. An jedem Kanal können mittels eines Flachbandkabels bis zu 2 Geräte (Festplatten, DVD-Laufwerke, CD-Brenner ...) angeschlossen werden. Jeder neu verabschiedete ATA-Standart kann mehrere Übertragungsprotokolle einsetzen.

Eine detaillierte Aufstellung der gängisten Protokolle/Übertragungsraten ist in der folgenden Tabelle zu finden (mehr zu den einzelnen ATA-Definitionen unter Festplatten):

 

 

(*) ATA-3 weist gegenüber seinem Vorgänger ATA-2 zwei neue Funktionen auf: S.M.A.R.T und den sogenannten Security Mode. Leistungsfähigkeit und Übertragungsmodi haben sich gegenüber ATA-2 nicht verändert.

PIO = Programmed Input/Output
ATA = Advanced Technology Attachment
DMA = Direct Memory Access

Allen PIO-Modi ist es gemeinsam, dass die CPU sämtliche Aktionen koordinieren muss. Damit wird beim Lesen und Schreiben auf Festplatte die CPU nahezu völlig blockiert und sie steht nicht für andere Rechnungen zur Verfügung. Deshalb sind die Standard-Übertragungsmodi sind heute die sogenannten Ultra-DMA-Modi. Die gebräuchlichsten sind UDMA33, 66, 100 und 133, wobei die Zahl den maximalen Datendurchsatz in MB/s angibt. DMA-Modi haben ihren Ursprung bei den ISA-DMA-Transfers, so recht populär wurden sie aber erst mit dem Aufkommen busmasterfähiger PCI-IDE-Controller, die bei Verwendung eines DMA-Modus die Daten selbständig (also praktisch ohne CPU-Belastung) in das RAM transportieren können.
Für IDE werden schon seit langem 40-polige Flachbandkabel verwendet, die neueren Transfermodi ab UDMA66 benötigen jedoch 80-polige Kabel (jede zweite Ader liegt dabei auf Masse, was die Signalqualität erheblich verbessert), die auch farblich gekennzeichnete und verpolungssichere Stecker aufweisen.
An jedem IDE-Kanal (wovon jeweils 2 an einem IDE-Controller vorhanden sind) kann man zwei Geräte anschließen, wobei diese nur abwechselnd Daten übertragen können. Das eine Gerät muss als "Master" angemeldet sein, das andere als "Slave". Wenn bei einem Gerät der Modus festgelegt ist, kann das jeweils andere auch mit "cable select" betrieben werden. Es sucht sich dann den passenden Modus selber. (Bei Verdacht von Problemen sollte man aber besser manuell den Master/Slave-Modus zuweisen.) Hängt man nur ein einziges Gerät an einen IDE-Kanal, so sollte man aufpassen, keine losen Kabelenden zurück zu lassen, also das Gerät am Ende des Kabels anschließen (und es selbstverständlich auf Master oder Cable-Select zu jumpern; einige Laufwerke habe auch einen speziellen "Single"-Jumper für diesen Fall).
Bei zwei Geräten ist die Reihenfolge am Kabel völlig egal. Was ein Gerät sein soll - Master oder Slave - legt man mit Hilfe von Jumper-Brücken am Gerät fest. Wie der Jumper zu stecken ist, ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Hier muss man die Beschriftung auf dem Gerät beachten oder das Handbuch hinzuziehen.

Achtung: Das Betriebssystem sollte auf der Festplatte liegen, die als primary master betrieben wird, wenn 2 Festplatten am primären IDE-Kanal hängen. (Bei der Kombination HDD / CD-ROM ist es egal.) DOS und DOS-basierte Systeme wie etwa Windows 9x/ME setzen dies zwingend voraus.

Wenn mehrere Geräte an einen Controller angeschlossen sind, müssen auch hier die Betriebs-Modi zwischen Controller und Gerät ausgehandelt werden. Früher, zu Zeiten als es nur die PIO-Modi gab, war folgendes zu beachten:
Wenn zwei Geräte an einem IDE-Strang hingen, einigte sich der Controller mit den Geräten auf den kleinsten gemeinsamen Nenner beim Übertragungsmodus. Wenn also z.B. eine PIO4-Festplatte zusammen mit einem PIO0-CD-ROM an einem IDE-Kanal hing, wurde für beide Geräte der langsame PIO-Modus 0 mit gerade mal 3.33 MB/s benutzt. Daher war es ratsam, schnelle und langsame Geräte (also z.B. eine neue Festplatte und ein CD-ROM oder eine alte [Wechsel-]Festplatte) zu trennen und an verschiedene IDE-Kanäle zu hängen. Heute braucht man sich um solche Dinge in der Regel keine Gedanken mehr zu machen. Lediglich die Steuerkommandos werden im PIO-0 übertragen. Die Daten fließen in dem Modus, den das einzelne Gerät (maximal) kann.

Informationen zum ATA-Standard:
http://www.t13.org
Informationen zur Belegung des Kabels:
3,5": http://www.hardwarebook.net/connector/storage/atainternal.html
2,5": http://www.hardwarebook.net/connector/storage/ata44internal.html

Serial-ATA

Die neueste Entwicklung bei ATA nennt sich Serial-ATA (oder genauer: "High Speed Serialized AT Attachment, kurz SATA) und wurde in der Revision 1.0 bereits im August 2001 von den Firmen APT Technologies, Dell Computer, IBM, Intel, Maxtor und Seagate verabschiedet. Die "Serial-ATA Workgroup" brachte dann 2005 bereits das verbesserte "Serial-ATA 2" auf den Markt, Serial-ATA 3 ist auf der Roadmap für 2007 skizziert. Ein sehr guter Artikel zu SATA findet sich in der c't 16/02, auf dem dieser Artikel auch aufbaut.

 

 

Serial-ATA bringt einige umfangreiche Veränderungen gegenüber Parallel-ATA. Die augenscheinlichste Veränderung ist die Erhöhung der Bandbreite, die bei SATA I brutto 1.5GBit/s beträgt. Aufgrund der wie bei vielen seriellen Verbindungen gewählten 8b/10b-Kodierung liegt die Nettorate über 25% darunter, bei SATA I sollen demnach 150MB/s für jedes Gerät verfügbar sein. Serial-ATA II und III sollen diese Rate dann jeweils verdoppeln. SATA ist kein Bus mit Master oder Slaves, sondern eine Punkt-zu-Punkt Verbindung. SATA arbeitet mit einem Signalpegel von nur +/- 250mV. Die Signale selbst werden zur besseren Datenintegrität differentiell übertragen, Sende- und Empfangskanäle sind getrennt. Die Kabel dürfen dank dieser Technik bis zu 1m lang sein, ausserdem sind sie nur knapp 8mm breit.
Durch die Trennung von Sende- und Empfangsrichtung ist ein Full-Duplex-Betrieb und damit auch ein Handshake von Gerät und Host möglich. Ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten ist für den Betrieb jedoch nicht vorgesehen.
Der Stromstecker eines SATA-Gerätes hat 15 Kontakte mit jeweils 3 Anschlüssen für 3.3V, 5V und 12V, von denen jeweils ein Kontakt am Gerätestecker etwas länger ausgeführt ist, um ein Precharge zu ermöglichen. Dies ist für die hot-plug Fähigkeit von SATA zwingend erforderlich, ein weiteres neues Feature von SATA.

Treiber- und BIOS-seitig verhält sich Serial-ATA Kompatibel zu ATA/ATAPI-6, alle Kommandos, Register etc. können emuliert werden. Im emulierten Betrieb braucht man für Serial-ATA nicht einmal zwingend neue Treiber, da die bestehenden ATA-Kommandos verwendet werden können. Erst wenn man die in SATA definierten Supersets nutzen möchte, sind neue Treiber erforderlich. Auch die einstige Beschränkung auf 128GB (28Bit Adressierung) kennt SATA aufgrund der Kompatibilität zu ATAPI-6 nicht. Aber nicht nur wegen der Supersets und der Adressierung sind Treiber nötig: SATA kennt auch zusätzliche Stromspar-Modi. Diese nennen sich "Partial" und "Slumber". Bei beiden werden keine Daten oder Kommandos mehr auf dem Kabel übertragen, es herrscht dort also "Ruhe". Beim Partial-Zustand muss sich ein Gerät innerhalb von 10µs wieder aufwecken lassen, im Slumber-Mode darf diese Zeit 10ms betragen. Weitere Neuerung ist das von ATAPI-6 abgeschaute Overlap-Kommando, sowie das von SCSI-2 bekannte Tagged Command Queuing. Das Gerät kann somit mehrere Kommandos gleichzeitig senden und empfangen, und darf sogar die Reihenfolge der Kommandos eigenhändig optimieren.

Informationen zu Serial-ATA gibt im genannten c't-Artikel und unter http://www.serialata.org und http://www.intel.com/technology/serialata/index.htm

LAN / RJ45 (Ethernet)

Die LAN-Schnittstelle ist ebenso wie USB eine serielle Schnittstelle. Hardwareseitig gibt es aber durchaus einige Unterschiede in Buchsen- und Steckerformen, sowie in den Übertragungsraten. Standardisiert wird Ethernet von der IEEE, die Specs zu Ethernet findet man unter IEEE-802.3 unter http://grouper.ieee.org/groups/802/3/. Der Data Layer Link wird von einem andere Gremium spezifiziert, da er ja nicht Ethernet-spezifisch ist. Er ist von der IEEE standardisiert als IEEE-802.1 unter http://grouper.ieee.org/groups/802/1/.

Heutiger Stand der Technik sind Netzwerkstecker im RJ45-Format mit 8 Pins, der auch Westernstecker genannt wird. Früher fand die BNC-Buchse die weiteste Verbreitung und ist heute auch noch anzutreffen. Die verschiedenen Stecker bedingen auch verschiedene Kabel: Während das BNC-System mit Koaxialkabeln arbeitet, kommen beim Westernstecker sogenannte TwistedPair Kabel zum Einsatz.
Diese haben eine bessere Abschirmung und somit eine bessere Signalstabilität, was sowohl größere Verbindungsstrecken als auch höhere Datenübertragungen ermöglicht. Heute ist eine Datenübertragungsrate von 100MBit/s (=12.5MB/s) weit verbreitet. Mit TwistedPair wird über Hubs oder Switches ein Stern-(Hub-)System aufgebaut. Die Leitung, mit der die Rechner später verknüpft sind, wird auch Ethernet genannt.
Das Farbbelegung und Pinbelegung der Kabel des RJ45-Steckers sieht folgendermaßen aus:

 

Bei Gigabit Ethernet (1000Base-T) werden alle 4 Adernpaare parallel verwendet, eine exakte Zuordung ist nicht mehr möglich. Die Farben enstprechen aber denen in der obigen Tabelle. Beim kommenden 10 Gigabit Ethernet wird es dann keine Kupfertechnik sondern nur noch Glasfasertechnik geben.

 

Wichtig sind auch die Kenndaten der einzelnen Standards, die hier kurz vorgestellt werden:

 

Bluetooth

Bluetooth ist technisch gesehen eine nahbereichs Funktechnik. Bluetooth sendet maximal etwa über eine Distanz von 10m, mit einer Bandbreite von 1MBit pro Sekunde. Diese Bandbreite müssen sich jedoch alle Geräte im Funkbereich teilen, da nur ein Kanal vorhanden ist.
Grundlage der verschiedenen Anwendungen sind die so genannten Profile. Diese legen Herstellerübergreifend fest, wie die Geräte untereinander erkennen, welche Möglichkeiten vorhanden sind und wie diese zu nutzen sind. Typische vordefinierte Profile sind:
File Transfer Profile: Dient dem Austausch von Daten zwischen Geräten, beispielsweise einer Notiz zwischen PDA und Notebook.
Synchronization Profile: Ist eine spezialisierte Form des File Transfers. Hier können Daten abgeglichen werden. Um die Kompatibilität mit bestehender Synchronisatios-Software für IrDA zu wahren, gibt es eine eigene Protokollschicht namens IrMC.
LAN Access Profile: Gedacht, um Zugriffe auf Firmennetzwerke zu ermöglichen. Hier muss ein Rechner als Bridge konfiguriert werden, der einen Netzwerkanschluss besitzt (LAP, LAN Access Point). Man sollte jedoch ob der geringen Bandbreite von 1MBit/s von Mega-Byte schweren Übertragungen absehen - so werden höchsten lange Kaffeepausen forciert. Das LAN AP soll aber in der kommenden Spezifikation (1.2, etwa Herbst 2003) wieder entfernt werden.
Ultimate Headset Profile: Ursprünglich nur als Ersatz des verkabelten Head-Sets beim Handy gedacht, kann ein solches Bluetooth-Headset noch mehr, wie etwa die Zusammenarbeit mit einem stationären Telefon oder einem PC zwecks Diktat etc.
Three-in-One Phone Profile: Kann mehr als die direkte Verknüpfung zweier Head-Sets à la "Walkie-Talkie": Geräte mit Tastatur und Anzeige können als Schnulostelefon wie bei DECT agieren, oder gar als reguläres GSM- oder UMTS-Handy arbeiten.
Serial Port Profile: Mit diesem eher universellen Profil soll es den Entwicklern leicht gemacht werden, Anwendungen, die RS-232 nutzen, auf Bluetooth abzustimmen oder umzustellen.

 

 

Dieser Artikel:

Einleitung
Formate
Chipsätze
Bridge-Architektur
Hub-Architektur
Non-Uniform Memory Access (NUMA) der AMD Hammer-Familie
Cache
Das Bios
Schnittstellen

zurück zum Hardware-Lexikon