Schnittstellen - Hardware-Zone

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Schnittstellen
Über Schnittstellen baut die Zentraleinheit (CPU) Kontakt zur Außenwelt (Ein-/Ausgabegeräte) auf. Sie werden aber auch zur Anbindung externer Geräte benötigt. Die meisten Schnittstellen in modernen PCs sind serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Seriell bedeutet, dass jedes Bit einzeln übertragen wird. Bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung hat im Gegensatz zur Bus-Verbindung (ein gemeinsam genutzter Übertragungsweg) jedes angeschlossene Ein-/Ausgabegerät einen eigenen Übertragungsweg.

Früher: Parallele Bus-Verbindung
(z.B. PCI, Parallel ATA)


  
Topologie: Baum
  • gemeinsamer Bus, über den die Geräte miteinander kommunizieren
  • die Bandbreite sinkt mit steigender Anzahl angeschlossener Geräte
  • Arbitrierungslogik (Zuteilung) muss entscheiden, welches Gerät als nächstes an die Reihe kommt
  
Übertragungsart: parallel
  • Übertragung mehrerer Bits über parallel verlaufende Leitungen mit verhältnismäßig niedriger Taktfrequenz
  • Grund: Nebensprechen und Signalrauschen nehmen mit steigender Taktfrequenz zu
  
Übertragungsmodus: Halbduplex
  • Senden und Empfangen nur zeitversetzt möglich
Heute: Serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung
(z.B. PCI Express, Serial ATA, USB, DisplayPort)



Topologie: Stern
  • jedes Gerät hat eine eigene, autonome Verbindung, Link (PCIe) genannt, zum zentralen Verteiler (Switch)
  • jedem Gerät steht die volle Bandbreite zur Verfügung
  • keine autwändige Arbitrierung (Zuteilung) notwendig

Übetragungsart: seriell
  • bitweise Übertragung mit sehr hoher Taktfrequenz

Übertragungsmodus: Vollduplex
  • Jeder Übertragungsweg besteht aus je einer Leitung zum Senden und Empfangen von Daten, Deshalb ist Senden und Empfangen auch gleichzeitig möglich.
Schnittstellen
Merkmale
Leitungskodierung

Damit Sender und Empfänger immer im Gleichschritt arbeiten, müssen sie an ein Taktsignal gebunden werden. Bei einer parallelen Verbindung werden zur Synchronisation zusätzliche Signalleitungen verwendet. Da bei einer seriellen Verbindung nur jeweils eine Leitung zum Senden und Empfangen zur Verfügung steht, muss das Taktsignal direkt aus dem Datenstrom zurückgewonnen werden können. Ein Rückschluss auf die vom Sender verwendete Taktfrequenz ist nur an den Stellen möglich, wo viele Pegelwechsel von 0 auf 1 oder umgekehrt stattfinden. Wenn nach einer Reihe von Nullen in regelmäßigen, kurzen Zeitabständen eine Eins (oder umgekehrt) folgt, ist eine Taktrückgewinnung möglich. Im einfachsten Fall, nämlich dann wenn gerade keine Daten übertragen werden, wird ein „101010..“-Muster zur gegenseitigen Synchronisation gesendet. Ansonsten ist die Verteilung der Nullen und Einzen von den übertragenen Daten abhängig und damit rein zufällig. Das führt dazu, dass z.B. wegen einer zu langen Folge von Nullen der Empfänger "aus dem Takt kommt". Deshalb müssen die Daten so dargestellt  bzw. kodiert werden, dass nach einer maximalen Anzahl an Nullen oder Einsen garantiert eine Eins bzw. Null folgt. Beim häufig eingesetzten 8B10B-Code (PCI Express, SATA, USB 3.0, DVI, Firewire etc.) werden zur Darstellung eines Byte 10 statt der üblichen 8 Bit verwendet. In diesem Fall können die Bits so vertauscht werden, dass die Länge gleicher Bits immer maximal fünf beträgt. Durch Leitungskodierung ist eine zuverlässige Taktrückgewinnung möglich, sie geht aber zu Lasten der Datenübertragungsrate (in Bezug auf die Nutzdaten). Bei der 8B10B-Kodierung können nur 80% der Übertragungsbandbreite einer Leitung für Nutzdaten (engl. payload) verwendet werden, der Rest ist sogenannter Overhead. Neuere Schnittstellen wie PCI-Express 3.0 oder USB 3.1 nutzen mit der 128B130B-Kodierung (128 Bit werden mit 130 Bit kodiert) eine weitaus effizientere Kodierung - der Overhead liegt hier nur bei 1,54% (2 Bit von 130 Bit). (Quelle)

Differenzielle Signalübertragung

Als Übertragungsweg werden meistens mehrere parallel verlaufende Leitungspaare genutzt. Ohne weitere Maßnahmen würden sich die Signale aufgrund des auftretenden elektrischen Feldes gegenseitig stören (kapazitive Kopplung). Wenn benachbarte Leitungspaare allerdings unterschiedlich miteinander verdrillt werden, wird das Nebensprechen verringert. Um Störsignale komplett zu entfernen, wird die sogenannte differenzielle Übertragung eingesetzt. Dabei wird über eine Leitung das ursprüngliche Nutzsignal f(t) übertragen und über die andere Leitung das umgekehrte Nutzsignal -f(t). Das Störsignal s(t) ist auf beiden Leitungen identisch. Wenn man nun die Differenz der beim Empfänger eintreffenden Signale f(t) + s(t) und -f(t) + s(t) bildet, erhält man das (verstärkte) Nutzsignal 2f(t) zurück: f(t) + s(t) - [-f(t) + s(t)] = f(t) + s(t) + f(t) - s(t) = 2f(t).
Datenübertragungsrate

Das wichtigste Leistungsmerkmal einer Schnittstelle ist deren zur Verfügung gestellte Datenübertragungsrate. auch Datendurchsatz genannt. Sie gibt an, welche Datenmenge innerhalb einer bestimmten Zeitspanne maximal übertragen werden kann, meistens in Megabyte pro Sekunde (MB/s) oder Gigabyte pro Sekunde (GB/s). Gemessen wird die Datenübertragungsrate immer im Burst-Modus, d.h. wenn mehrere Datenpakete direkt hintereinander ohne Wartezeiten (z.B. bis Daten aus dem Arbeitsspeicher geholt wurden) übertragen werden können.
Ein weiteres Merkmal ist die Schrittgeschwindigkeit. Sie bestimmt, wie viele Datentransfers über die Schnittstelle in einer Sekunde maximal durchgeführt werden können und wird meist in MT/s (Mio. Transfers pro Sekunde) oder GT/s (Mrd. Transfers pro Sekunde). Daraus lässt sich die Datenübertragungsrate der Schnittstelle berechnen.
PCI Express
PCI Express (PCIe) ist eine Schnittstelle für interne Ein-/Ausgabegeräte wie Grafik-, Sound- oder Netzwerkkarten. Die Datenübertragung erfolgt über differentielle Leitungspaare, sogenannte Lanes ("Fahrbahnen"). Je nachdem wie groß die zu übertragende Datenmenge des Geräts ist, werden dem Steckplatz mehrere Lanes (aus insgesamt 32) zugeteilt. Üblich sind 1, 2, 4, 8 oder 16 Lanes, wobei 16 bisher nur von Grafikkarten genutzt werden. Steckplätze und Erweiterungskarten sind entsprechend mit x1, x2, x4 usw. gekennzeichnet. Man kann in jeden PCIe-Steckplatz PCIe-Karten jeden Typs einsetzen, aber nur wenn diese nicht mehr Lanes benötigen als der Steckplatz maximal bereitstellt. So können in einem x4-Steckplatz neben PCIe-x4-Karten auch x1- und x2-Karten betrieben werden. Die Datenübertragungsrate pro Lane ist abhängig von der PCI-Express-Version.
Beispiel: PCIe
1.x
2.x
3.x
Schrittgeschwindgkeit (MT/s)
x Anteil Nutzdaten (Kodierung)
/ 8 Bit pro Byte
= Datenrate (MB/s)
2.500
x 0,8 (8B10B)
/ 8
= 250
5.000
x 0,8 (8B10B)
/ 8
= 500
8.000
0,9846 (128B130B)
/ 8
= 985

PCI-Express-Version
Anzahl Lanes
1.x
2.x
3.x
4.x
1 (x1)2505009851.969
2 (x2)5001.0001.9693.938
4 (x4)1.0002.0003.9387.877
8 (x8)2.0004.0007.87715.754
16 (x16)4.0008.00015.75431.508
Mittlerweile verwenden auch immer mehr andere Schnittstellen zur Übertragung PCI-Express-Verbindungen:

  • SATA Express nutzt intern 2 PCIe-Lanes, hat aber die gleichen Anschlüsse wie der normale SATA-Standard
  • M.2 und Thunderbolt nutzen intern bis zu 4 PCIe-Lanes

Die verfügbare Anzahl von PCIe-Lanes ist abhängig von CPU und Chipsatz. Beide stellen entsprechend ihrer Leistungsklasse eine bestimmte Anzahl von Lanes zur Verfügung.

  • Intel Core-i-, Pentium- und Celeron-CPUs: 16 PCIe-3.0-Lanes für Grafik
  • Intel X-Serie (Skylake X): 44 CPU-seitige Lanes
  • AMD Ryzen: 24 CPU-seitige Lanes, davon 16 für Grafik, 4 für Chipsatz-Anbindung, 4 für Schnittstellen (z.B. M.2)
  • AMD Athlon: 22 CPU-seitige Lanes
  • AMD Threadripper: 60 CPU-seitige Lanes, davon 48 für Grafik, 12 für Schnittstellen


Quellen:

Serial-ATA (SATA)
SATA ist eine Schnittstelle für Festplatten, Halbleiterspeicher (SSDs), optische Laufwerke (CD-, DVD-ROM, Blu-ray) und Speicherkartenlesegeräte. Sie wurde eingeführt, als sich die ersten Festplatten mit einer Datenübertragungsrate von mehr als 100 MB/s abzeichneten. Diese war bei der Vorgängerschnittstelle Parallel-ATA auf maximal 133 MB/s begrenzt. Bei SATA 6,0 Gbit/s beträgt die maximale Datenübertragungsrate hingegen 600 MB/s.

Parallel-ATA und Serial-ATA im Vergleich
Parallel-ATA bzw. Ultra-ATA

Busbreite
  
16 Bit Datenbus (16 Datenleitungen)



Datenübertragungsrate

Taktfrequenz 25 MHz
x 2 für doppelte Datenrate
x 16 Bit pro Signalflanke
/ 8 Bit pro Byte
= 100 MB/s

Anschluss

80-adriges Datenkabel (40 für Signale, 40 für Masse), 4-Pin-Stromkabel

Taktgebung

Die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger erfolgt über ein eigenes Taktsignal, das parallel zu den Daten übertragen wird.
Serial-ATA

Busbreite

4 Leitungen pro Kanal, davon je ein Paar (1 Leitung für das phasenverschobene Signal) zum Senden und Empfangen von Daten.

Datenübertragungsrate

Taktfrequenz 1500 MHz
x 1 Bit pro Takt
x 80% für 8B10B-Kodierung
/ 8 Bit pro Byte
= 150 MB/s

Anschluss

7-Pin-Datenkabel (4 für Signale, 3 für Masse), 15-Pin-Stromkabel

Taktgebung
 
Das Taktsignal ist in den Datenstrom eingebettet. Wenn keine Daten übertragen werden, wird ein „101010..“-Muster zur gegenseitigen Synchronisation gesendet.
  
Vorteile gegenüber Parallel-ATA

  • größere Bandbreite (bis 600 MB/s)
  • geringerer Platzbedarf durch schmaleres Kabel
  • Hot Plugging: Geräte können zur Laufzeit ein- und ausgesteckt werden
  • Port-Multiplier: bis zu 15 Geräte pro Anschluss möglich
  • Native Command Queuing
  • erhöhte Kabellängen möglich (bis 1 m)
  • keine komplizierte Einstellung von Master- und Slave-Laufwerken
  • kein Nebensprechen (Signal stört benachbarte Leitungen)
  • eingebettete Taktgebung widerstandsfähiger gegenüber Taktverzögerungen oder schlechter Signalqualität

Native Command Queuing

Native Command Queuing (NCQ) ist ein Algorithmus im Steuerungschip der Festplatte, der dafür sorgt, dass eintreffende Schreib-/Lesebefehle so sortiert werden, dass der Schreib-/Lesekopf den kürzesten Weg zur exakten Postionierung zurücklegen muss. Dabei werden die Befehle in einer Art Warteschlange aufgereiht (engl. queuing = "Schlange stehen"). Dadurch können die Zugriffszeit verringert und die Datenübertragungsrate erhöht werden. NCQ wird erst seit SATA 3,0 Gbit/s unterstützt.
Es gibt mittlerweile verschiedene Versionen und Ausführungen des SATA-Standards, die jeweils abwärtskompatibel sind. Eine SATA-6-Gbit/s-Festplatte kann deshalb auch an einer SATA-1,5-Gbit/s-Schnittstelle betrieben werden, allerdings nur mit gedrosselter Datenübertragungsrate. Ein kurzer Überblick:
Version/Ausführung
Datenrate (MB/s)
SATA 1,5 Gbit/s150
SATA 3,0 Gbit/s300
SATA 6,0 Gbit/s600
SATA Express 8,0 Gbit/s985
SATA Express 16,0 Gbit/s1969

eSATA (external SATA)
ist die externe Ausführung der SATA-Schnittstelle in Form von Buchsen in einem Slotblech oder einer Docking Station. Sie ermöglicht damit auch den Betrieb von externen SATA-Festplatten. Man benötigt allerdings im Gegensatz zu USB immer eine eigene Stromversorgung. Außerdem ist zu beachten, dass eSATA andere Anschlüsse und Kabel nutzt als SATA.

SATA- und eSATA-Stecker (v.l.)


eSATAp (Power over eSATA) wird von jedem Mainboard-Hersteller unter einem anderen Namen vermarktet und ist eine Kombi-Schnittstelle, die entweder den Anschluss eines eSATA- oder eines USB-Geräts ermöglicht. Es wird keine eigene Stromversorgung benötigt.



SATA Express ist der Nachfolger von SATA 6,0 Gbit/s und nutzt zur Datenübertragung zwei PCI-Express-Leitungen (Lanes). Da die Schnittstelle abwärtskompatibel ist, können auch SATA-Festplatten angeschlossen werden.
USB
USB (Universal Serial Bus) ist eine serielle Schnittstelle für eine Vielzahl externer Ein-/Ausgabegeräte (z. B. Mäusen, Tastaturen, USB-, WLAN-Sticks, externe Festplatten, externe optische Laufwerke, Drucker). Sie ersetzt mittlerweile eine Reihe anderer Schnittstellen wie die parallele Centronics-Schnittstelle für Drucker oder die PS/2-Anschlüsse für Tastatur und Maus. Im Gegensatz zu PCI Express oder SATA ist USB eine Mischform aus Punkt-zu-Punkt- und Bus-Verbindung: Jeder USB-Anschluss ist über ein eigenes Leitungspaar mit einem zentralen Steuerungschip, dem Host-Controller, verbunden. An einen einzelnen Anschluss lassen sich durch den Einsatz von Verteilern (Hubs) bis zu 127 Geräte anschließen. Dadurch entsteht zwischen den Verteilern eine (gemeinsam genutzte) Bus-Verbindung, die Datenübertragungsrate des Anschlusses wird dann zwischen den Geräten aufgeteilt. Es gibt inzwischen mehrere Versionen des USB-Standards, die aber abwärtskompatibel sind, d.h. man kann ein Gerät für USB 2.0 auch an eine USB-3.0-Buchse anschließen. Der umgekehrte Fall ist auch möglich, allerdings wird dann die Datenübertragungsrate des Geräts gedrosselt.

USB-Versionen im Vergleich
Variante
USB 1.0/1.1
USB 2.0
USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0)
USB 3.1 Gen 2
Max. Übertragungsrate (MB/s)
1,5605001.250
Max. Stromstärke (mA)
100500900
USB-Stromversorgung

Ein praktisches Merkmal von USB-Anschlüssen ist die integrierte Stromversorgung, die in den meisten Fällen ein externes Netzteil überflüssig macht. Damit lassen sich externe Geräte nicht nur betreiben, sondern auch aufladen (z.B. Smartphones). Auch bei der Stromversorgung gilt wie beim Datendurchsatz, dass die Leistung eines Anschlusses auf alle angeschlossenen Geräte aufgeteilt wird.

Ob der Anschluss für ein Gerät genug Strom liefert, kann man in folgender Tabelle nachsehen.
USB-Version
max. Stromstärke
1.0/1.1
100 mA
2.0
500 mA
3.0
900 mA
USB-BC
1,5 A
USB-PD
5 A
Passiver Hub
Tastatur
Maus
USB-Stick (USB 2.0)
Headset
Webcam
DVB-T-Stick
USB-Stick (USB 3.0)
1,8-Zoll-Festplatte
DVD-Brenner (USB 2.0)
2,5-Zoll-Festplatte
Smartphone aufladen
Tablet aufladen
3,5-Zoll-Festplatte
  • Es gilt zu beachten, dass Geräte mit einer Leistung von mehr als 7,5 Watt einen Typ-C-Stecker/-Kabel benötigen.

  • USB-BC steht für USB Battery Charging (Batterie aufladen) und ermöglicht auch das Aufladen von Smartphones, iPods, Tablets usw.

  • USB-PD (PD = Power Delivery, Stromversorgung) ermöglicht in Verbindung mit einem Typ-C-Stecker/-Kabel den Anschluss von Geräten mit bis zu 100 Watt (max. 20 V bei 5 A)

USB Typ C

Der vielseitige Typ-C-Anschluss kann nicht nur zum Transfer von Daten, sondern auch zur Stromversorgung und zur Übertragung von Bild und Ton eingesetzt werden. Funktionsumfang und Übertragungsgeschwindigkeit sind in der Regel vom jeweiligen Gerät abhängig. USB-Typ-C soll zukünftig die verschiedenen Stecker und Buchsen (z.B. USB Typ A/B, HDMI, Display Port) ersetzen.


Die 3 USB-Steckertypen (v.l.): Typ A & B (4-polig), Typ C (24-polig)
M.2
M.2 ist ein relativ neuer Standard, der neben der entsprechenden Schnittstelle auch besonders kompakte Formate für Erweiterungskarten (Breite max. 22 mm, Höhe max. 110 mm) einführt. Obwohl ursprünglich für Notebooks (tragbare PCs) gedacht, findet man M.2-Schnittstellen auch immer häufiger auf normalen PC-Mainboards (ab Intel-Z97- oder AMD-FX990-Chipsatz), weil sie aufgrund ihrer hohen Datenübertragungsrate vor allem für schnelle Halbleiterspeicher (SSDs) sehr gut geeignet sind. M.2-Steckplätze können unterschiedliche Schnittstellen zur Verfügung stellen: PCIe x2, PCIe x4, SATA 6 Gbit/s, USB oder DisplayPort. Welche Art von Erweiterungskarte aber letztendlich in den jeweiligen M.2-Steckplatz passt, wird durch die Position einer Kerbe zwischen den Kontakten, dem sogenannten Key, bestimmt. M.2-SSDs, die PCIe x4 benutzen, passen z.B. nur in M-Key-Steckplätze. Die Größe der M.2-Karte wird im Format BreiteHöhe angegeben; eine 2230-Karte hat z.B. eine Breite von 22 mm und eine Höhe von 30 mm.

Zur Zeit genutzte Keys und verfügbare Schnittstellen
Key/Verfügbare Schnittstellen
PCIe x2
PCIe x4
SATA 6 Gbit/s
USB 2.0
USB 3.0
DP x4
SDIO*
Audio
A


B
E
M

*Secure Digital Input Output, wird benötigt für bestimmte Speicherkartenlesegeräte (SD-Karten)
Thunderbolt
Thunderbolt ("Blitz") ist eine von Intel und Apple gemeinsam entwickelte Schnittstelle für externe Ein-/Ausgabegeräte und steht damit in direkter Konkurrenz zur etablierten USB-Schnittstelle. Sie vereint die Standards USB 3.1, USB-PD (Power Delivery, Stromversorgung von Geräten mit bis zu 100 W) und DisplayPort 1.2 in einem Anschluss und ermöglicht damit zusätzlich die direkte Übertragung von Audio und Video (4K). Da als Stecker mittlerweile der USB-Typ-C verwendet wird (Thunderbolt 3), können alle USB-Geräte auch an der Thunderbolt-Schnittstelle verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist der Einsatz von optischen Kabeln (Lichtwellenleiter), der schnelle Datenübertragungen auf bis zu 60 m entfernte Geräte ermöglichen soll.
Übersicht
Schnittstelle
PCI Express
SATASATA Express 8 Gbit/sM.2USBThunderbolt
Typ
internint./ext.interninternextern extern
verfügbare Varianten
PCIe 1.0
PCIe 2.0
PCIe 3.0
SATA 150
SATA 300
SATA 600
eSATA
eSATAp
USB 1.1
USB 2.0
USB 3.0
USB 3.1
T.bolt 1
T.bollt 2
T.bolt 3
Datenübertragungsrate (MB/s), max.
15.760 (PCIe x16)6001.969
1.969 (PCIe x2)
3.940
(PCIe x4)
1.2505.000
Geräte pro Anschluss
-1515-1276
Kabellänge, max.
-1, 2 (eSATA)1-3 - 53 - 60
Leistung in Watt, max.
75, 100
300*
60 (eSATAp)-10
7,5
100**
15
100**
Hot-Plug-fähig




* 2 zusätzliche Stromanschlüsse (150 + 75 W) benötigt | ** USB-Typ-C-Kabel benötigt
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