Übersicht

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 2.0, 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

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.

Mittlerweile verwenden auch immer mehr andere Schnittstellen zur Übertragung PCI-Express-Verbindungen:

Serial-ATA

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.

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

Es gibt 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:

eSATA

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 Express

USB

USB (Universal Serial Bus) ist eine seit 1996 existierende serielle Schnittstelle für eine Vielzahl externer Ein-/Ausgabegeräte (z. B. Mäusen, Tastaturen, USB-, WLAN-Sticks, externe Festplatten, externe optische Laufwerke, Drucker). Sie ersetzte 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.

v.l.n.r.: 2x USB 3.1 Gen 1 (blau), 2x USB 3.1 Gen 2 (rot), 1x USB Typ C (oben)

USB-Versionen im Vergleich

USB-Stromversorgung

Quellen:

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1809251.htm
http://www.com-magazin.de/praxis/hardware/stromversorgung-fuer-den-usb-anschluss-38158.html

Die drei USB-Steckertypen

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.

M.2

Der Standard M.2 definiert neben der entsprechenden Schnittstelle auch kompakte Formate für Erweiterungskarten (Breite max. 22 mm, Höhe max. 110 mm) einführt. Obwohl ursprünglich für Notebooks (tragbare PCs) entwickelt, findet man M.2-Schnittstellen auch 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

*Secure Digital Input Output, wird benötigt für bestimmte Speicherkartenlesegeräte (SD-Karten)

Technische Daten