Schnittstellen

Referat – Schnittstellen

1. Serielle Schnittstelle (RS232 / V.24 / COM)
 Die serielle Schnittstelle entspricht den Standards RS-232(C) und V.24. Die
englische Bezeichnung COM-Port, wird allerdings am häufigsten .Die serielle
Schnittstelle gibt es mit einem 9-poligen Stecker. Ältere Systeme haben noch
einen 25-poligen Stecker. Klassische Endgeräte, die an der seriellen
Schnittstelle angeschlossen werden sind die Maus und das Modem. Lange Zeit
war jeder PC mit einer oder zwei seriellen Schnittstellen ausgestattet. Wobei
nur ein Endgerät an einer seriellen Schnittstelle angeschlossen werden kann.
Die serielle Schnittstelle heute
 Mit der Einführung des USB hat die serielle Schnittstelle ihre Bedeutung
verloren. Als sich Geräte mit USB-Anschluss durchsetzten 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.
Auch heute kommt man um das serielle Protokoll nicht herum.
Funktion
 Für die Datenleitung wird eine negative Logik verwendet, wobei eine
Spannung zwischen −3 Volt und −15 Volt eine logische Eins und eine
Spannung zwischen +3 Volt und +15 Volt eine logische Null darstellt.
Signalpegel zwischen −3 V und +3 V gelten als undefiniert.
 Das Timingdiagramm zeigt ein Beispiel, wie ein Zeichen übertragen wird.
Zunächst liegt der Ruhepegel an. Der Ruhezustand der Übertragungsleitung,
der auch mit „Mark“ bezeichnet wird, entspricht dem Pegel einer „logischen
1“. Als Erstes wird das Startbit logisch „0“ gesendet, um den Empfänger mit
dem Sender synchronisieren zu lassen. Die Dauer der jeweiligen Bits hängt
von der eingestellten Bitrate ab, welche bei der EIA-232 als Sonderfall gleich
der Baurate.ist. Darauf folgen 5 bis 8 Datenbits. Angefangen wird mit den LSB
(least significant bit) und beendet mit dem MSB (most significant bit). In
diesem Beispiel werden 8 Datenbits gesendet. Nun folgt optional ein Parity-
Bit, welches zur Erkennung von Übertragungsfehlern dient.
2. Parallele Schnittstelle (Centronics / LPT)
 In den Anfangszeiten des Computers hat jeder Hersteller für seine Endgeräte
eine eigene Schnittstelle entwickelt. So auch der Drucker-Hersteller
Centronics. Er hat eine der ersten parallelen Schnittstellen für Drucker
eingeführt. Diese Schnittstelle hat sich nach und nach auch bei anderen
Herstellern durchgesetzt.
Die englische Bezeichnung für die Centronics-Schnittstelle ist LPT. Bevor sich
die USB-Schnittstelle durchsetzte war der Anschluss von Scannern und
Wechselmedien-Laufwerken (z. B. ZIP-Drive) an der parallelen Schnittstelle
üblich. Genauso wie die serielle Schnittstelle spielt die parallele Schnittstelle
heute praktisch keine Rolle mehr. Drucker und Scanner werden über den USB
angeschlossen.
Funktion / Aufbau
 Die Centronics-Schnittstelle arbeitet mit TTL-Pegeln (+5V und 0V) auf den
Signalleitungen. Jede Daten- und Steuerleitung ist mit einer Masseleitung
verdrillt. Trotzdem lässt sich die parallele Schnittstelle wegen den
Einschwingvorgängen nur auf kurzen Strecken betreiben. Die Länge der
Leitung zwischen Computer und Drucker sollte nicht mehr als 2 bis 3 m
betragen. Je hochwertiger das Kabel, desto länger darf es sein. 5 m ist jedoch
die absolute Obergrenze für eine fehlerfreie Datenübertragung. Muss die
Reichweite größer sein, dann müssen die Daten seriell übertragen werden.
Zusammen mit den Daten-, Steuer- und Masseleitungen kommt man auf der
Druckerseite auf einen 36-poligen Amphenol-Stecker, der sich am Drucker mit
Klammern befestigen lässt. Die Belegung dieses Steckers ist an Pin 1 bis 11
und 16 bei nahezu jedem Drucker gleich. Die anderen Pins weichen je nach
Hersteller ab. Auf der Seite des Computers wird ein 25-poliger Sub-D-Stecker
verwendet.
3. PCI
 Geschichte
• PCI 1.0, vorgeschlagen von Intel 1991
• PCI 2.0, eingeführt von PCI-SIG 1993
• PCI 2.1, beschlossen im Juni 1995
• PCI 2.2, beschlossen im Januar 1999
• PCI 2.3, beschlossen im März 2002
• PCI 3.0, beschlossen im April 2004
 Aufbau PCI-Bus
 Spezifikation
*3,3V möglich aber nicht vorgeschrieben
PCI 2.0 32bit 8 – 33
MHz
0,12 GByte/s 5V
PCI 2.1 32bit 66Mhz 0,266 GByte/s 5V / 3,3V*
PCI 2.1 64bit 66Mhz 0,533 GByte/s 5V / 3,3V*
PCI 2.2 64bit 66Mhz 0,533 GByte/s 5V / 3,3V*
PCI 2.3 64bit 66Mhz 0,533 GByte/s 3,3V
PCI 3.0 64bit 66Mhz 0,533 GByte/s 3,3V
 Anwendungsgebiete
• PCI ersetzte den ISA-Bus. Ursprünglich sollte der PCI-Bus die
Anforderungen in PCs für Grafik-, Netzwerk- und andere
Schnittstellenkarten über längere Zeit erfüllen.
• Im Bereich Grafik stieß Sie aber schnell an ihre Grenzen was die
Entwicklung der AGP-Schnittstelle nach sich zog.
 Grundlegende PCI – Varianten
• PCI Conventional, erlaubt Busbreiten von 32 oder 64 Bit und
Übertragungen mit 33 oder 66 MHz Takt (max. 0,533GByte/s
• Mini PCI, kleinere Bauform für Notebooks etc.
• PCI Low-Profile, halbe Bauhöhe
• CompactPCI, elektrisch voll PCI-kompatibel, jedoch in Form von
Einschüben mit 3 bzw. 6 HE
 Kontaktleisten – Codierung
• 5V-kompatible Karten haben eine Kerbe rechts (Richtung Slotblech)
• 3,3V-kompatible Karten haben eine Kerbe links
• Universal-Karten haben beide Kerben
• Slots nach PCI 2.x haben einen Steg rechts (die dem Slotblech
abgewandte Seite). Die PCI 2.3-Spezifikation unterstützt zwar keine
5V-Karten mehr, diese passen aber dennoch physikalisch in den Slot.
• Slots nach PCI 3.0 haben einen Steg links (Richtung Slotblech), so dass
nur noch 3,3V- und Universal-Karten mit der entsprechenden Kerbe
eingesteckt werden können.
 Interessengruppen
• Special Interest Group (PCI-SIG)
Die Aufgabe der PCI-SIG ist die Verwaltung und die
Weiterentwicklung des PCI-Standards. Bei PCI-SIG können Firmen
und Organisationen Mitglied werden. (1992 gegründet ca. 700
Mitglieder).
PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG)
Diese Gruppe treibt die Entwicklung im industriellen Bereich voran,
z.B. Medizin, Telekommunikation und Militär. Daraus entstanden
Spezifikationen wie CompactPCI. (gegründet 1994 ca. 450 Mitglieder).
4. PCI-Express
 PCI Express ist 2003 angetreten, um AGP als Grafikkarten-Schnittstelle und
Steckplatz ein Ende zu setzen. Und auch der PCI soll als lokales Bussystem
abgelöst werden. Denn moderne Erweiterungskarten und Peripherie benötigen
eine schnelle Schnittstelle zum Chipsatz und Prozessor. Dazu gehören vor
allem Grafikkarten und Gigabit-Netzwerkkarten.
Leistungsmerkmale
 PCI-Express ist für Kupferleitungen und optische Verbindungen vorgesehen.
Die PCI-Express-Spezifikation beschreibt das Software-Protokoll, elektrische
und mechanische Eigenschaften der Steckverbinder und Erweiterungskarten.
Davon ist einiges von den seriellen Verbindungssystemen, wie USB und
FireWire, bekannt.
 Ein- und Ausstecken im laufenden Betrieb (Hot-Plug)
 pro Leitung und Richtung 2,5 GBit/s Transferrate
 bündeln mehrerer Leitungen zur Steigerung der Übertragungsrate
 Im Gegensatz zu PCI, mit der Busstruktur, bei der sich alle angeschlossenen
Komponenten die verfügbare Bandbreite teilen müssen, werden bei PCI
Express serielle Verbindungen zu einem Switch geschaltet, der sich im
Chipsatz befindet. Der Switch verbindet eine PCIe-Baugruppe direkt mit dem
Arbeitsspeicher oder anderen Baugruppen mit der vollen Bandbreite und
Geschwindigkeit.
Auf der logischen Ebene ist PCIe voll kompatibel zum normalen PCI. Das
Betriebssystem merkt keinen Unterschied. Auch im Windows-Gerätemanager
ist von PCIe nicht viel zu erkennen.
Übersicht: PCI Express Versionen
Version Takt Bandbreite pro Link
Nettotransferrate pro
Link
1.0/1.1 1,25 GHz 2,5 GBit/s 250 MByte/s
2.0 2,5 GHz 5 GBit/s 500 MByte/s
3.0 5 GHz 10 GBit/s 1000 MByte/s
Version 1.0 – 2.0 Aktuell in gebrauch und Version 3.0 in Planung.
Übertragungstechnik
 Die Übertragungstechnik von PCI Express beruht auf zwei Leitungspaaren (4
Adern), die als Link oder Lane bezeichnet werden. Zur Steigerung der
Geschwindigkeit darf ein Gerät auch mehrere Links benutzen. Insgesamt
lassen sich bis zu 32 Links bündeln. So ist eine Übertragungskapazität von 80
GBit/s brutto oder 8 GByte/s netto erreichbar. Die Aufteilung der Links des
Controllers auf die Hardware-Slots und Onboard-Komponenten werden beim
Design des Mainboards festgelegt. Man unterscheidet zwischen x1-, x4-, x8-
und x16-Slots. Um die Karten leichter unterscheiden zu können gibt es
unterschiedlich lange Steckplätze. Die für einen Link (1x) sind kurz und die
für 16 Links (16x) sind deutlich länger. Steckplätze für 4x und 8x gibt es noch
nicht.
Kompatibilität
Karte/Steckplatz PCIe x1 PCIe x4 PCIe x8 PCIe x16
PCI Express x1 Ok Ok Ok Ok
PCI Express x4 – Ok ? ?
PCI Express x8 – – Ok ?
PCI Express x16 – – – Ok
Ok = kompatibel / – = nicht kompatibel / ? = nicht vorgeschrieben aber möglich
5. USB
 Was ist eigentlich USB?
• Universal Serial Bus, kurz USB, ist eine Schnittstellentechnologie, die
für ein reibungsloses Zusammenspiel von Endgeräten sorgt.
• Trotz seines Namens – Universal Serial Bus – ist der USB kein
physischer Datenbus.
 Geschichte
• USB 1.0 wurde von Intel entwickelt und 1996 im Markt eingeführt
• Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1
• Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 spezifiziert
• Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt.
• 2009 soll USB 3.0 erscheinen
 Transferraten
Geschwindigkeit Toleranz USB 2.0 Toleranz USB 1.0/1.1
Low-Speed (1,5 Mbit/s) ± 0,75 kbit/s ± 22,5 kbit/s
Full-Speed (12 Mbit/s) ± 6 kbit/s ± 30 kbit/s
High-Speed (480 Mbit/s) ± 240 kbit/s ————
 Transferarten
• Control Transfers werden von allen USB Geräten unterstützt. Sie
dienen dazu, kurze Datenpakete sicher zu transferieren. Der Zweck von
Control Transfers ist das Konfigurieren von Geräten auf dem Bus.
• Bulk Transfers werden benutzt um größere Datenmengen zuverlässig
zu transferieren. Vor allem Massenspeichergeräte machen von dieser
Möglichkeit Gebrauch
• Interrupt Transfers dienen dazu, kurze Datenpakte in periodischen
Abständen über den Bus zu transferieren, das gewünschte Intervall
kann dabei in 1ms Schritten von 1ms bis 256ms variiert werden. Diese
Transferart wird meist von Mäusen, Tastaturen und anderen
Eingabegeräten verwendet.
• Isochronous Transfers werden für Endlos-Datenströme von Realtime-
Anwendungen verwendet (vor allem Audio- und Video-Applikationen.)
Diese Transferart garantiert eine gewisse Busbandbreite, jedoch besteht
keine Garantie für die korrekte Übertragung der Daten.
6. Firewire
 Was ist eigentlich Firewire?
• Firewire ist eigentlich nur eine Produktbezeichnung von Apple. Für den
Industriestandard IEEE 1394.
• Die Grundidee von Firewire ist auch auf Apple zurückzuführen.
 Wofür steht IEEE 1394?
• IEEE ist die Bezeichnung der Institution die diesen Standard festgelegt
hat. Das “Institute of Electrical and Electronics Engineers“.
• 1394 ist hierbei einfach nur die Nr. die den Standard beschreibt. Im
Moment gibt es 1394a/b
 Geschichte
• Erste Ideen zu Firewire bei Apple 1986
• 1995 wird der Standard verabschiedet Geschwindigkeiten von 100 –
200 oder 400Mbit/s)
• Seit 2000 nutzt Sony den Standard unter dem Namen i.Link
• 2002 kommt IEEE1394b auf den Markt (Geschwindigkeiten von 800 –
1600 oder 3200Mbit/s)
• 2003 gibt es auch erste Hardware die mit Firewire 800 arbeitet
 Hauptmerkmale
• hot plug“ und „hot unplug“
• Integrierte Stromversorgung für Geräte (8V – 40V; 1,5A)
• Datenübertragung bidirektional
• Max 4,5m Entfernung zwischen 2 Geräten (bei 400MBit/s)
• Die Gesamtlänge eines „daisy chain“-Stranges max. 72m.
• Man kann bis zu 63 Geräte an einen Bus anschließen aber max. 17 pro
„daisy chain“-Strang.
 Übertragungsrate
• Die Übertragungsraten bei Firewire werden in der Produktbezeichnung
angegeben wie z.B. Firewire “400“ oder auch Firewire “S400“
bezeichnet eine Übertragrate von 400MBit/s.
 Einsatzgebiete
• Wird hauptsächlich in der Übertragung von
digitalen Bildern und Videos eingesetzt. Aber auch
zum Anschluss externer Massenspeicher wie
Festplatte und DVD-Laufwerk. Auch in der
Unterhaltungselektronik hat es Einzug gefunden
wie Sony i.Link oder Yamaha mLan.
7. Fragen
1. Was ist die Trennzone der seriellen Schnittstelle?
– Zwischen -3V und +3V
2. Wo wird die serielle Schnittstelle heute noch häufig genutzt?
– Bei programmier – und steuerbaren Rechensystemen mit geringer
Leistung
3. Wie wird die parallele Schnittstelle auch häufig genannt?
– Centronix oder LPT Schnittstelle
4. Welchen Bus hat der PCI-Bus ersetzt?
– Den ISA-Bus
5. Kann man kleinere PCI-Express Karten auch in größere Slots
stecken?
– Bei 1x immer, bei anderen Größen ist es möglich aber nicht
genormt
6. Welche Firma hat USB entwickelt?
– Intel
7. Was ist USB trotz seines Namens nicht?
– Ein Datenbus
8. Auf welche Firma ist die Grundidee von Firewire zurückzuführen?
– Apple
9. Wie heißt Firewire richtigerweise?
– IEEE1394 (a/b/2008)
10. Wie hoch ist die max. Entfernung von 2 Geräten im Firewire-Bus?
– 4,5m
Quellen:
Wikipedia.org
elektronik-kompendium.de
tomshardware.com

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