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Eine Schnittstelle (Interface) verbindet Hard- und Softwarekomponenten bzw. den Rechner mit den Peripheriegeräten. Die Anschlüsse für Peripheriegeräte befinden sich auf der Rückseite des Rechners. Ein Flachbandkabel verbindet diese Anschlüsse (Stecker) mit den Steckerverbindungen des Motherboard.
Schnittstellen sind aber einfach auch Übergänge von Computern zu Datenübertragungseinrichtungen oder die Verbindung von Kommunikationsgeräten untereinander.
Die Schnittstelle bereitet die Daten des Computer so auf, dass das Endgerät diese versteht und umgekehrt. Dies funktioniert auf zwei Arten:
Hierbei basiert alles auf einem Dual- bzw. Binärsystem, d.h. die Daten bestehen nur aus Nullen oder Einsen.
1.1. Verbindungsarten
Ganz allgemein unterscheidet man zwischen einer Simplex-, Halbduplex- und einer Vollduplexverbindung.
Bei der Simplexverbindung werden die Daten nur in eine Richtung übertragen; das bedeutet, es gibt hier keinen gegenseitigen Datenaustausch. Beispiel: Ansteuerung eines Druckers über eine serielle Schnittstelle.
Bei der Halbduplexverbindung können beide Geräte als Sender und Empfänger fungieren, wobei aber nur eine Datenleitung zur Verfügung steht, die abwechselnd benutzt werden kann (d.h. die Daten werden nicht gleichzeitig übertragen).
Hier können die Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden.
Bei den Schnittstellen gibt es zwei Arten von Übertragungsmöglichkeiten für Daten: seriell und parallel. Bei der seriellen Übertragung werden die Bits (also die Nullen und Einsen) nacheinander übertragen, bei der parallelen werden mehrere Bits gleichzeitig übertragen.
Die übertragene Menge an Daten hängt sowohl von der Schnittstelle, als auch von dem angeschlossenen Gerät ab.
Die parallele Schnittstelle wird auch "Centronics"-Schnittstelle oder LPT-Schnittstelle (für "Line Printer") genannt.
Bei der parallelen Übertragung werden die Bits gleichzeitig übertragen, wobei es keine grundsätzliche Regel gibt, wie viele Bits übertragen werden. Gängig sind jedoch parallele Übertragungen mit 4, 8, 16, 32 oder 64 Bits oder mehr gleichzeitig. Hier funktioniert die Übertragung bidirektional, da ein und dieselbe Leitung zum Senden und Empfangen benutzt wird.
Parallele Schnittstellen können bis zu maximal 3 MByte pro Sekunde übertragen, wobei das Verbindungskabel nur bis zu 3 Meter lang sein kann.
Es ist möglich, bis zu vier parallele Schnittstellen an einem PC zu haben (LPT 1, LPT 2, LPT 3 und LPT 4). Das verweist schon auf die primäre bzw. ursprüngliche Aufgabe der parallelen Schnittstelle, nämlich den Drucker anzusprechen:
Eigentlich ist fast jeder Drucker mit einer parallelen Schnittstelle versehen.
Die Verbindung zwischen Schnittstelle und Paralleldrucker wird durch ein sogenanntes Centronics- Kabel hergestellt. Normalerweise besitzt ein Centronics- Kabel 36 Adern mit ebenso vielen Stiften oder Kontakten. Der Kabelstecker des Druckers weist ebenfalls eine Kontaktleiste mit 36 Kontakten auf. Für die Übergabe von Daten und Steuersignalen werden aber nur die Hälfte, also 18 Kontakte, benötigt. Das hat IBM dazu bewogen am PC statt der üblichen 36 Kontakte, nur 25 vorzusehen. Dadurch werden die Stecker billiger und durch die kleineren Buchsen können mehr Schnittstellen herausgeführt werden.
2.1. Aufbau
Zentraler Bestandteil der parallelen Schnittstelle ist das 8-Bit Datenregister , das von der CPU beschrieben und gelesen werden kann, es ist also bidirektional. Die CPU übergibt dem Datenregister die Datenbytes für den Drucker. Wenn nur ein Drucker angesteuert werden soll - was die Standardaufgabe der parallelen Schnittstelle darstellt - muss nur das Datenregister mit dem zu übergebenden Wert geladen werden.
Das Statusregister spiegelt den Status des Druckers wieder, der über verschiedene Leitungen Statuswerte an die Schnittstelle zurückliefert. Das Statusregister kann von der CPU nur gelesen werden.
Auf das Steuerregister kann bidirektional zugegriffen werden. Dieses Register dient insbesondere zur Steuerung der Datenübergabe an den Drucker.
2.2. Der bessere Parallel Port : IEEE- 1284
Die IEEE - 1284 ist eine in ihren Funktionsweisen erweiterte parallele Schnittstelle, die bei allen aktuellen PCs bereits auf dem Motherboard implementiert ist. (Die Bezeichnung IEEE kommt vom Institute of Electrical and Electronic Engineers, das die IEEE-1284 standardisiert hat.)
In den verschiedenen IEEE - 1284 Betriebsarten werden grundsätzlich dieselben Leitungen wie bei der Centronics- Schnittstelle verwendet, die , je nach Betriebsart, unterschiedliche Signalbezeichnungen und Funktionen haben.
Für die Verbindungsherstellung sind, wie bei Centronics, ebenfalls 25- als auch 36-polige Stecker vorgesehen.
Laut IEEE-1284 gibt es fünf Übertragungsmodi, die der Parallel-Port beherrschen kann:
Der Compatibility Mode kann nur Daten senden, meistens mit 50 KB/s, maximal bis 150 KB/s.
Dieser Mode stellt sicher, dass im Prinzip auch ältere Drucker an einer IEEE-1284-konformen Schnittstelle verwendet werden können und entspricht einer standardisierten Centronics-Schnittstelle .
Der Nibble Mode definiert die Mindestanforderung für eine parallele Schnittstelle. Hier erfolgt die Datenübertragung nibble-weise (4 Bit).
Der Byte Mode entspricht dem bidirektionalen Centronics Mode. Die Daten werden hier byteweise (8 Bit) übertragen.
Beim EPP Mode können bidirektional sowohl Daten als auch Adressen übertragen werden. Ohne zusätzliche Hardware (HUB) ist eine EPP-Verbindung jedoch lediglich als Verbindung zwischen zwei Geräten ausgelegt.
Die Datenübertragungsrate beträgt maximal 2 MByte/s bei einer typischen Kabellänge von 5 Metern.
Der ECP Mode funktioniert im Prinzip wie der EPP Mode, nur dass er die Daten komprimieren kann, d.h. nacheinander auftretende gleichlautende Zeichen überträgt er nur einmal und sendet dann die Anzahl der Zeichen nach.
ECP macht den Anschluss mehrerer Geräte an einem Parallel Port und eine höhere Übertragungsrate möglich.
Wie auch beim EPP beträgt die Datenübertragungsrate bis zu 2 MByte/s.
Die serielle Schnittstelle (auch COM-Schnittstelle genannt) ist aufgrund ihrer Vielseitigkeit von großer Bedeutung. Die serielle Datenübertragung (Simplex Übertragung; es gibt hier nicht nur eine Leitung zum Datenaustausch) benötigt im Gegensatz zur parallelen Datenübertragung weit weniger Übertragungs-leitungen. In der Regel lassen sich bei der seriellen Übertragung auch weit größere Entfernungen überbrücken. Serielle Schnittstellen übertragen bis zu 115 Kbit pro Sekunde.
Es können 4 COM-Schnittstellen pro PC vorhanden sein.
Weitere Vorteile:
Die Daten werden bei der seriellen Übertragung hintereinander zwischen den Einheiten übertragen und in den Einheiten dann meistens wieder zwecks Weiterverarbeitung in ein paralleles Format umgesetzt.
Bei der parallelen Übertragung werden die einzelnen Dateneinheiten (Datenbytes) als Ganzes übergeben, während bei der seriellen Übertragung die Dateneinheiten in einzelne Bits unterteilt werden und somit bitweise übertragen
werden.
3.1. Synchrone und Asynchrone Datenübertragung
Für Sender und Empfänger muss vorerst definiert sein, welche Bits die eigentliche Dateninformation darstellen, da sie gleichzeitig senden und empfangen müssen. Somit muss der Beginn und das Ende der Bitfolge festgelegt werden. Man unterscheidet dabei die synchrone und die asynchrone Übertragung:
Hier gibt es also ein Taktsignal nur während des Sendens eines einzelnen Zeichens.
3.2. RS-422
Die RS-422 Schnittstelle ist eine spezielle Entwicklung für die serielle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über große Entfernungen und wird hauptsächlich im industriellen Bereich gebraucht. Sie garantiert Verbindungen über große Distanzen bei gleichzeitig hohen Übertragungsraten.
Bei der RS-422 Schnittstelle werden die einzelnen Datenbits eines Zeichens nacheinander als Spannungsdifferenz zwischen zwei Leitungen übertragen.
Die Steuerung der RS-422 wird Remote genannt. Zwischen zwei Videokomponenten ist das standardisiert, aber PCs verfügen normalerweise über keinen RS-422 Port. Da bräuchte man spezielle Einsteckkarten um von COM auf RS-422 zu wechseln.
3.3. RS-232C
(In Europa wird auch oft der Begriff V.24-Schnittstelle verwendet.)
Der Standard der RS-232C definiert die mechanische, elektrische und logische Schnittstelle zwischen einer Datenendeinrichtung DTE (Data Terminal Equipment) und einer Datenübertragungseinrichtung DCE(Data Carrier Equipment). Die Datenendeinrichtung wird üblicherweise von einem Computer und die Datenübertragungseinrichtung von einem Modemgebildet.
Der RS 232C-Standard sieht 25 Leitungen und somit einen 25 Pin-Stecker zwischen diesen beiden Einrichtungen vor, von denen aber ein Großteil für die synchrone Datenübertragung reserviert ist. Die typische Verwendung der RS 232 Verbindung in einem PC ist der serielle, asynchrone Datenaustausch, und da hierfür nur elf Signale notwendig sind, gibt es bei der RS 232C Schnittstelle meistens einen 9-Pin Anschluss.
Universal Serial Bus, kurz USB, ist ein Standard, welcher eine Schnittstelle
zwischen PC's und Peripheriegeräten definiert.
Der USB ist also eine preiswerte serielle Schnittstelle, die bidirektional und isochron arbeitet. In seiner derzeitigen Version 1.1 eignet er sich besonders für Peripheriegeräte mit kleinem bis mittlerem Datenaufkommen. Die Palette an erhältlichen USB Geräten ist sehr breit - im wesentlichen werden folgende Kategorien abdeckt:
- Telefone
- Digitale Kameras
- Modems
- Tastaturen
- Mäuse
- Digitale Joysticks
- CDROM-Laufwerke
- Bandlaufwerke und andere Massenspeichergeräte
- Diskettenlaufwerke
- Scanner
- Spezialdrucker
USB wurde bereits 1993 von Intel und Microsoft, sowie Compaq, DEC, IBM PC Company, Nec und Northern Telekom definiert. Der aktuelle Standart ist USB 1.1 der 1998 eingeführt wurde und Windows 98 war das erste Windows Betriebsprogramm das USB voll unterstützt. (Im Herbst 2002 soll USB.2.0 folgen.)
Die Vorteile von USB
Bei herkömmlichen Peripherieanschlüssen an PC's (z.B. Parallel-, PS/2- oder Serieller Port) kann man jeweils ein Gerät an jede Buchse am PC anschliessen. Dies stellt oft ein Problem dar, da normale PC's nicht mit einer übermässig grossen Anzahl dieser Anschlüssen ausgestattet sind. Ausserdem gibt es für jeden Typ von Gerät in der Regel eine spezifische Buchse, welche sich nicht mit anderen Gerätetypen verträgt.
- USB ist einfach: Es gibt nur eine Art von Kabeln. Diese Kabel sind an beiden Enden unterschiedlich. Das Ende für den Anschluss am Computer ist flach. Der Stecker für das Gerät, also den Drucker, den Scanner oder die Kamera ist viereckig. (Einige Geräte, zum Beispiel Kameras haben eigene Anschlüsse, die sich aber auch deutlich von dem flachen Stecker für den Computer unterscheiden.) Damit besteht keine Gefahr Stecker zu verwechseln und USB-Geräte falsch zu verkabeln.
- Hot Pluggin. USB lässt sich bei eingeschaltetem PC an- und abstecken. So kann man eine Kamera oder einen Scanner anschließen, während der Computer läuft. Das Betriebsprogramm erkennt das Gerät und lädt das entsprechende Steuerungsprogramm. Falls man das Gerät zum ersten Mal einsteckt, muss man in den meisten Fällen erst noch das Steuerungsprogramm auf den PC überspielen.
- USB ist erweiterbar. Theoretisch schafft USB bis zu 127 Geräte.
- USB ist schnell. Mit 12 MBit pro Sekunde flitzen die Daten durch die Leitung. Das entspricht genau 1,5 MByte in der Sekunde, also etwa dem Inhalt einer Diskette. Vielen ist USB aber nicht schnell genug. Um zum Beispiel Videodaten zu übertragen, braucht man mehr Geschwindigkeit. (FireWire)
- Durch Plug&Play werden die eingesteckten Komponenten sofort erkannt und die Grundeinstellungen werden dann vorgenommen. Es müssen keine spezifischen Einstellungen vorgenommen werden wie Jumperbelegung, korrekte Terminierung oder Protokolleinstellungen.
- USB hat einen eingebauten Stromanschluss. Auf dem USB-Kabel liegen 5 Volt Spannung mit maximal 500 mA. Das genügt, um Geräte mit geringem Energieverbrauch zu betreiben, also Mäuse, Tastaturen oder auch Scanner. Geräte mit höherem Energiebedarf brauchen aber eine eigene Versorgung, Drucker zum Beispiel.
- Über die USB-Leitung soll auch telefonieren möglich sein. Das wäre ein Weg, endlich Telefon und Computer zusammen zu bringen, beispielsweise vom Computer aus Nummern zu wählen oder Telefonbücher zu verwalten.
- Die Produzenten von Peripheriegeräten können durch den Einsatz von USB Technologie viel Entwicklungsaufwand sparen: Die eigene Entwicklung von
Protokollen und Hardware zur Basis-Kommunikation mit dem PC entfällt (im
speziellen werden Einschubkarten überflüssig, welche zudem für den Endanwender schwer zu installieren sind).
Die Nachteile von USB
- Es gibt zu wenig USB-Stecker am PC: An den meisten Computern finden sich nur zwei USB-Stecker. Jeder, der mehr als zwei Geräte anschließen will, muss also einen USB-Hub kaufen. Das ist ein Verteiler, an den sich weitere USB-Geräte anstöpseln lassen. Und der kostet Geld, belegt selbst schon wieder einen USB-Anschluss und braucht im Normalfall noch Platz für ein eigenes Netzteil. (Es gibt Hubs, die sich wahlweise auch ohne Netzteil betreiben lassen. Allerdings liefern sie dann selbst unter Umständen zu wenig Strom, um andere USB-Geräte ohne Netzteil zu betreiben.)
- Alte Computer haben kein USB.
- Alte Betriebsprogramme kommen noch nicht mit USB zurecht.
- Für Multimedia-Anwendungen ist USB zu langsam. Wenn die Daten aus der Videokamera in den Computer wollen, brauchen die mehr Geschwindigkeit.
- Geschwindigkeitsprobleme, wenn viele Geräte gleichzeitig angeschlossen sind. Zwar können sich durch die USB-Leitungen in jeder Sekunde 1,5 MByte an Daten bewegen. Doch wenn ein Drucker, ein Scanner und ein paar Lautsprecher an USB hängen und gleichzeitig Daten übertragen wollen, wird es eng. Denn diese Geräte müssen sich die 1,5 MByte pro Sekunde teilen. Das kann zu Problemen und Fehlern führen.
Pyramide als Bus:
Der USBus stellt sich als hierarchischer Sternverteiler oder als Pyramide mit mehreren Ebenen dar. Auch bei USB ist es immer noch möglich, die Geräte direkt an den PC anzuschliessen. Jedoch hat der Anwender im weiteren die Möglichkeit, sogenannte "Hubs" (eine Art Verteiler) mit dem PC zu verbinden, welche ihm erlauben, mehrere USB-Geräte an eine PC USB Buchse anzuhängen.
Da diese Hubs ganz normale USB Geräte darstellen, lässt sich dieses Prinzip auf mehrere Ebenen ausweiten, so dass man mit mehreren Hubs und Peripheriegeräten eine Art Baumstruktur (von der Verkabelung her gesehen) aufbauen kann. Die maximale Kapazität eines USB Bus' beträgt 127 Geräte (Hubs eingeschlossen). Zwischen den Computer und ein Gerät lassen sich bis zu sieben Hubs einbauen. Sie bilden so genannte Ebenen. In jeder Ebene darf das USB-Kabel 5 Meter lang sein. Insgesamt kann also ein Gerät 35 Meter vom Computer entfernt stehen. Die Daten bewegen sich nur zwischen dem Computer und dem jeweills angesprochenen Gerät. Die USB-Geräte können sich untereinander nicht verständigen.
Über die
USB-On-the-Go-Funktion können zwei Endgeräte ihre Daten direkt miteinander
austauschen. Normalerweise können USB-Geräte nur als Slaves von einem
Host-Rechner angesprochen werden. Mit USB-On-The-Go kann zum Beispiel eine
Digitalkamera Daten ohne zwischengeschalteten Computer an einen Drucker
schicken. Allerdings werden die Host-Fähigkeiten der On-the-Go-Geräte im
Punkt-zu-Punkt-Betrieb nur auf das notwendigste beschränkt sein. Dadurch kann
nicht jedes USB-Device mit jedem beliebigen anderen autark kommunizieren.
Host Controller
Fast alle Mainboards für PC-Systeme (oder Apple-Macintosh Computer), welche
heutzutage im Handel erhältlich sind, wurden mit einem sogenannten USB Host
Controller ausgestattet. Altere (PCI-fähige) Mainboards kann man mit PCI-Karten
aufrüsten. Diese Host Controller verfügen über zwei bis vier Ports. Es sind dies die Hardwareschnittstellen, an welche USB fähige Geräte angeschlossen werden können. Die Ports des Host Controllers werden auch - zusammengefasst - als Root-Hub bezeichnet.
USB ist eine hierarchische Implementation eines Bussystemes. Der im PC-System eingebaute Host Controller ist nicht nur Wurzel des physikalischen Baumes der angeschlossenen Geräte, sondern auch der Master über den ganzen Bus. Er benutzt ein Master/Slave-Protokoll, um mit den angeschlossenen Geräten zu kommunizieren; dies bedeutet, dass jede Art des Datentransfers auf dem Bus von ihm initiiert wird.
Es gibt also nur zwei Arten von Kommunikation auf dem Bus: Entweder sendet der Host Controller Daten zu einem Gerät oder aber ein Gerät sendet Daten zum Host Controller (nachdem es dazu von ihm aufgefordert wurde). Die direkte Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten auf dem Bus ist nicht möglich.
Dies mag auf den ersten Blick nicht besonders leistungsfähig erscheinen, man muss jedoch in Betracht ziehen, dass USB nicht als allgemeines Bussystem für beliebige Anwendungen konzipiert wurde, sondern explizit als Schnittstelle zwischen Peripheriegeräten und einem Host.
Hubs
USB Hubs sind Geräte, welche die Eigenschaft haben, dass sie die Anzahl der
verfügbaren Ports des Busses erhöhen. Wenn man also nicht genügend Ports am Computer besitzt, kann man an einen dieser Ports einen Hub anschliessen und hat dann, je nach Modell des Hubs, zwei bis acht weitere freie Ports zur Verfügung. Wenn ein Hub mit einem eigenen Netzteil ausgestattet ist, kann er die Stromversorgung auf seinen Ports selbst in die Hand nehmen, so dass der übergeordnete Hub entlastet wird.
Die USB System Software prüft periodisch alle Hubs, um festzustellen ob ein neues Gerät angeschlossen (oder auch abgehängt) wurde. Die Hubs können zu jedem Zeitpunkt angeben, an welchen ihrer Ports Geräte angeschlossen sind und welche Geschwindigkeit diese Geräte unterstützen.
Transferarten auf dem Bus
Die Transferierung von Daten auf dem Bus geschieht immer in einer von zwei
Richtungen: Entweder 'downstream', also vom Host Controller zu einem Gerät, oder aber 'upstream', von einem Gerät zum Host Controller.
Die Daten laufen als Pakete über den Bus. Noch vor den Daten wird ein Token mit der Adresse des ausgewählten Teilnehmers und mit den anderen internen Informationen an das Gerät gesendet. Jede Übertragung besteht daher im Regenlfall aus drei Phasen (token, data, handshake phase).
USB spezifiziert vier verschiedene Arten von Transfers, wobei nicht jedes Gerät alle vier Transferarten unterstützt:
- 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 oder ein Gerät zeigt damit an dass es verfügbar ist. Paketgröße ist 8, 16, 32 oder 64 Byte. Bidirektionale Transfervariante
- Bulk Transfers werden benutzt um grössere Datenmengen zuverlässig zu
transferieren. Vor allem Massenspeichergeräte machen von dieser
Möglichkeit Gebrauch. Sie brauchen keine bestimmte Bandbreite und deren Daten können auch verzögert gesendet werden. Zb.Drucker Scanner
Paketgröße ist 8, 16, 32 oder 64 Byte.
- 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.
Paketgröße ist maximal 8 Bytes für Low-Speed und 64 für Full-Speed Devices.
- Isochronous Transfers werden für Endlos-Datenströme von Realtime-
Anwendungen verwendet (vor allem Audio- und Video-Applikationen.) Diese
Transferart garantiert eine gewisse Busbandbreite da die Übertragung sofort erfolgen muß, jedoch besteht keine Garantie für die korrekte Übertragung der Daten. Die auftretenden Fehler fallen aber kaum ins Gewicht. 20 % der Busbandbreite bleiben für andere Übertragungen, damit andere Geräte wie Maus und Tastatur weiterhin funktionieren können. Paketgröße ist maximal 1023 Bytes. Uni-direktionale Transfervariante mit geringer Verzögerung.
Kabel
In jedem USB-Kabel stecken vier Drähte. Zwei übertragen die Daten, die beiden anderen versorgen die angeschlossenen Geräte mit Strom.
Es gibt zwei Sorten von USB-Kabeln. Für die schnelle Übertragung mit 12 MBit/s (medium speed) sind die beiden Datenkabel ineinander verdreht, der Fachausdruck hierfür ist Twisted Pair, zu Deutsch etwa 'zusammen gedrehtes Paar'. Zusätzlich sind diese Kabel abgeschirmt. Es kann also keine Störungen von außen die Datenübertragung beeinträchtigen.
Bei Geräten, die nur mit langsamen 1,5 MBit (low speed), also 192 kByte pro Sekunde arbeiten, kommen andere Kabel zum Einsatz. Hier sind zwar ebenfalls vier Drähte zu finden, jedoch sind die beiden Leitungen zur Datenübertragung nicht ineinander verdreht. Außerdem sind die Leitungen nicht gesondert abgeschirmt und mit dem Gerät immer fest verbunden. Diese Art kommt zum Beispiel bei Mäusen, Joysticks oder Tastaturen zum Einsatz. Denn diese Geräte brauchen keine hohen Übertragungsraten. Wegen der schlechteren Abschirmung dürfen diese langsamen USB-Kabel aber höchstens drei Meter lang sein.
USB 2.0
Seit April 2001 gibt es den Standard USB 2.0, Prototypen sind unterwegs: Der neue USB 2.0 geht 40mal schneller zur Sache als USB 1.1. Mit 480 MBit pro Sekunde überträgt das System die Daten. Dabei bleibt USB 2.0 kompatibel zu USB 1.1. Das bedeutet man können auch mit USB 2.0 alle USB-Geräte weiter verwenden. Allerdings wird dann eine neue Steckkarte nötig sein, die USB 2.0 beherrscht. Von Adaptec gibt es bereits eine solche Einsteckkarte für den Anschluss von USB-2.0-Geräten namens USB 2 Connect. Etwa ab Herbst sind erste ab Werk mit USB 2.0 ausgestattete Computer zu erwarten.
Mit der Geschwindigkeit von 480 MBit pro Sekunde hängt USB 2.0 sogar Firewire ab. Dank der hohen Übertragungsrate lassen sich auch Videodaten schnell übermitteln oder schnelle Festplatten anschließen. Bleibt abzuwarten, ob USB 2.0 Firewire vom Markt verdrängt oder ob für beide Standards Platz bleibt.
Bschreibung: Der IEEE1394 Standart wird auch mit der Bezeichnung FireWire gleichgesetzt. Genau genommen ist FireWire lediglich eine mögliche Implementierung die diesem Standart gehorcht. FireWire ist eine geschützte Bezeichnung der Firma Apple und wird auch als i.Link (z.B von Sony) bezeichnet.
Der Standart IEEE1394 stammt ursprünglich aus dem Jahre 1987 und wurde von der Firma Apple initiiert.
Ergebnis dieser Entwicklung war ein serieller Low-Cost Hochgeschwindigkeitsbus mit skalierbarere Performance und Echtzeitübertragung.
Peripherie-Geräte:
Digitale Cam-Corder und Kameras
Externe Festplatten
CD-/DVD-Brenner
Scanner
Vorteile
Plug and Play
Unterstützung isochroner Anwendungen
Geräte-Adressierung über Software
Hot-Plug-Fähigkeit: der Rechner muß also nicht mehr heruntergefahren werden , wenn ein Fire-Wire Gerät eingesteckt wird
Übersicht
Bestandteile eines IEEE1394 Systems sind Module (z.B. eine Videokamera, PC) und Nodes (IEEE 1394 Anschluss). Module bestehen aus einem oder mehreren Nodes. Alle Nodes bei IEEE 1394 sind praktisch gleich berechtigt. Sie können untereinander kommunizieren. Ein Node kann einen oder mehrere Ports besitzen. Ein Node mit mehreren Ports erlaubt eine Verlängerung der Topologie. Die Verbindung ist immer Point to Point, d. h. ein Port empfängt ein Paket, synchronisiert es und sendet es über die anderen Ports des Nodes wieder auf den Bus. Er arbeitet damit als Repeater. Zwischen 2 Nodes dürfen sich maximal 16 Hops (andere Nodes) befinden.
Ein IEEE Bus hat maximal 64 Nodes. Die maximal Entfernung zwischen 2 Nodes beträgt 4,5 Meter. Die maximale Länge der Verbindung zwischen zwei Nodes beträgt damit 72 Meter.
Die Übertragungsgeschwindigkeiten sind 100/200 und 400 Mbit/s. In Vorbereitung sind 800 Mbit/s.
Daten-Transfer
Die Daten können asynchron (garantierte Lieferung, Zuverlässigkeit des Transfers, Wiederholungen sind möglich) oder isochron (garantiertes Zeitverhalten, keine Wiederholung möglich) gesendet werden.
Asynchron: die Operationen auf dem Bus werden durch Interrupt-Signale gesteuert. Der Bus teilt der CPU oder dem Bus Controller mit , wann eine Aufgabe beendet und der Bus wieder frei ist.
ISO synchron: Daten werden im Rhythmus der Taktfrequenz übertragen (ohne Steuerung durch den Host). Diese Methode ist nützlich für Video und andere Multimediadaten
Die Adressierung der Nodes erfolgt durch mit 64 Bit Adressen. 64 Nodes sind zu einem Bus zusammen gefasst. Insgesamt sind in einer IEEE 1394 Umgebung 1024 Busse möglich.
Kabel und Power-Management
Es gibt zwei Arten von Kabel/Stecker. Eine 6-polige Variante und eine 4-polige Variante (wird nicht in der Computerperipherie verwendet) Die Kabel müssen über eine gute Schirmung verfügen.
Bei den Nodes wird unterschieden zwischen Nodes, die den Bus mit Spannung versorgen (Power Provider und Alternate Power Provider), solche die Spannung vom Bus erhalten (Power Consumer) und Nodes die eine eigene (Self-Powered) Spannungsversorgung haben.
Wenn USB 2.0 kommt, ist Firewire erst einmal der langsamere. Doch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen 480 und 400 MBit ist so gering, dass niemand genötigt ist, umzusteigen. Außerdem ist bereits ein Firewire-Nachfolger namens 1394b angekündigt. Und dieser neue Standard läuft mit 800 MBit pro Sekunde USB 2.0 wieder den Rang ab.
6. IDE:
Die ersten Festplatten hatten keine eigene Elektronik zur Steuerung der Datenübertragung. Diese Elektronik war auf einer zusätzlichen Steckkarte untergebracht. Später integrierte man sie direkt auf im Gehäuse des Motherboard, so entstand die IDE. IDE ist die Abkürzung für Integrated Drive Electronics bzw. Intelligent Drive Electronics. Durch die Integration auf dem Motherboard ist IDE eine Festplattenschnittstelle. Die maximale Speicherkapazität von IDE-Platten beträgt 508 MB und größere Platten können nur mit entsprechende Treiber angeschlossen werden, die Datenübertragungsrate 3,3 MB pro Sekunde.
IDE kann nur als Interface bezeichnet werden, weil die eigentliche Steuerlogik immer noch auf dem Laufwerk sitzt.
Motherboards haben zwei IDE-Interfacekanäle, an die man jeweils zwei Laufwerke anschließen kann. Pro Kanal definieren Jumper (DIP-Schalter auf Erweiterungskarten und elektronischen Platinen; dienen zur Konfiguration von) je einen Master und einen Slave, dadurch ist es unwichtig, wie Laufwerke angeschlossen werden. Bei einem Systemstart hat der Master die höhere Priorität. Erst nach Bestätigung des Slaves meldet er seine Funktionsbereitschaft an das BIOS. Obwohl beide dieselben Adressen im Computersystem belegen, arbeiten sie unabhängig von einander.
Da die Datenübertragung über einen Bus stattfindet, gibt es eine dazugehörige Software-Erweiterung, die sogenannte ATA-Spezifikation (Advanced Technology Attachment).
7. EIDE:
EIDE ist eine Erweiterung des IDE-Standards. EIDE bedeutet soviel wie Enhanced Intelligent Drive Electronics. Mit diesem Standard können größere Festplatten verwaltet und zusätzlich CD-, ZIP-, DVD-Laufwerke und Streamer angeschlossen werden. EIDE vergrößert die maximale Speicherkapazität auf 8,4 GB. Die Datenübertragungsrate beträgt bis zu 16,66 MB pro Sekunde.
Die dazugehörige Software-Erweiterung heißt ATAPI (Advanced Technology Attachement Packet Interface).
7.1. Datenübertragung:
IDE (ATA) PIO-Mode 0 3,3 MB/s
IDE (ATA) PlO-Mode 1 5,2 MB/s
IDE (ATA) PlO-Mode 2 8,3 MB/s
EIDE (Fast-ATA 2) PlO-Mode 3 11,1 MB/s
EIDE (Fast-ATA 2)PlO-Mode 4 16,6 MB/s.
Die Weiterentwicklung dieses Protokolles ist das Ultra-DMA-Modus, auch Ultra-ATA genannt. Dieses Protokoll unterstützt eine höhere Datenübertragung, hat eingebaute Sicherheitsmechanismen und ermöglicht den Anschluss von Festplatten mit mehr als 8,4 GB.
Ultra-DMA/33 UDMA 2 33 MB/s
Ultra-DMA/66 UDMA 4 66 MB/s
Ultra-DMA/100 UDMA 5 100 MB/s
7.2. Vorteile/Nachteile:
Die Vorteile der IDE-Schnittstelle sind die einfache Installation und der geringe Preis gegenüber der SCSI-Schnittstelle. Allerdings hat sie eine geringe Datenübertragung.
Der erste mit dem SCSI vergleichbare Standard war der SASI (Shugart Associates System Interface). Genauer gesagt, war er mit dem SCSI-1 vergleichbar. Allerdings war der SASI ein herstellerspezifischer Bus. Durch die Entwicklung zu einer allgemeineren Busschnittstelle wurde er in SCSI umbe-nannt, was soviel heißt wie Small Computer Systems Interface.
Diese Bezeichnung ist heute allerdings falsch: SCSI wird nicht mehr nur bei Kleincomputern verwendet und ist auch keine klassische Schnittstelle. Bei der SCSI-Schnittstelle handelt es sich um einen parallelen Bus, an dem die verschiedenen Teilnehmer über Kabel angeschlossen werden. Die Bezeichnungen Master und Slave heißen beim SCSI Initiator und Target. Am Bus kann es mehrere Initiatoren, die Transaktionen starten, und mehrere Targets, die die Aktion ausführen, geben.
Ein Target kann aus mehreren so genannten LUNs (Logical Unit Number) bestehen, d.h. eine Datenübertragung findet also eigentlich zwischen Initiator und LUN in einem bestimmten Target statt. Im Regelfall wird keine bestimmte LUN adressiert, sondern durch die automatischen Voreinstellung stets mit LUN 0 gearbeitet.
Im Gegensatz zur IDE Schnittstelle können bei der SCSI Schnittstelle auch externe Geräte angeschlossen werden, dies führt zu einer höheren Flexibilität. Die höhere Datenübertragung ist auf zwei Vorteile zurückzuführen: Im Gegensatz zu IDE Geräten wird der Datenbus nicht solange blockiert, bis eine Anforderung eines Gerätes bedient wurde, sondern kann freigegeben werden um von anderen Geräten in der Zwischenzeit genutzt zu werden. Der zweite ist das Command Queueing, d.h. die Zugriffe auf die Festplatte werden so optimiert, dass die Schreib-/Leseköpfe weniger Bewegungen ausführen müssen.
An die SCSI-Schnittstelle und Ultra-SCSI können bis zu acht Geräte, an die Wide SCSI bis zu 15 Geräte angeschlossen werden. Bis heute gibt es allerdings keine einheitlichen Stecker und Anschlusskabel, dadurch sind unterschiedliche Anschlussarten, die zum Teil mit Adaptern überbrückt werden müssen, an den Geräten zu finden.
8.1. Merkmale:
Bei SCSI Schnittstellen können verschiedene Geräte ohne spezielle Treiber angeschlossen werden.
Das Betriebssystem kann zwar auf technische Daten zugreifen, die Eigenschaften, Funktionen und Parameter, die für das Betriebssystem unbedeutend sind, werden vom SCSI-Device selbst verwendet beziehungsweise eingestellt.
Es ist ein Mischbetrieb von verschiedenen SCSI-Varianten möglich, ohne dass die langsamste oder einfachste Betriebsart die anderen blockiert. Bei der ersten Verbindungsaufnahme von Initiator und Target, werden die gegenseitigen Eigenschaften und Fähigkeiten durch ein langsames, asynchrones Protokoll ermittelt.
SCSI ist ein paralleler Kabelbus mit gleichberechtigten Teilnehmern. Das Protokoll beginnt mit dem Initiator, der die Kontrolle über den Bus erhält. Ab diesem Zeitpunkt übernimmt allerdings das Target die Steuerung über den gesamten Ablauf des Prozesses.
SCSI als lokaler Kabelbus unterstützt eine große Menge von Gerätetypen. Die Eigenschaften der Treiber und Empfänger sind in der internationalen Norm festgelegt. Die logischen Funktionen und Eigenschaften sind in einem allgemeinen Protokoll und in den Spezifikationen für die Geräteklassen definiert.
8.2. Die Arten des SCSI-Standards:
Mittlerweile gibt es schon eine große Vielzahl von SCSI-Standards. Diese reichen von SCSI-2 über Fast-SCSI, Ultra-SCSI, Wide-SCSI, Ultra-Wide-SCSI, Ultra2-Wide-SCSI.
Der Ursprung aller SCSI-Standards liegt im SCSI-1. Dieser Standards und hatte eine Datenübertragungsrate von 5 MB/s. Es handelt sich hier um einen 50poligen Bus mit 8 Bit Datenbreite. Man konnte acht Geräte einschließlich Host-Adapter anschließen.
SCSI-2 ist ebenfalls ein 50poliger Bus mit einer Übertragungsrate von 5 MB/s. Im Gegensatz zum SCSI-1 besitzt dieser Bus ein verbessertes Übertragungsverfahren.
Fast-SCSI hat eine Busbreite von 8 Bit und eine Übertragungsrate von 10 MB/s. Die Geschwindigkeit wird hierbei durch eine Verdoppelung des Bustaktes auf 10 MHz erreicht.
Durch die Verdoppelung der Busbreite auf 16 Bit und einer Bustaktrate von 5 MHz, können beim Wide-SCSI 2 Byte parallel übertragen werden. Dies führte zu einer Durchsatzrate von ebenfalls 10 MB/s.
Das Ultra-SCSI (oder Fast-20) ist mit 20 MB/s auf dem 8-Bit-Bus der schnellstmögliche Transfermodus.
Mit einer Verdoppelung der Busbreite kommt das Ultra-Wide-SCSI auf eine Übertragungsrate von 40 MB/s.
UItra-2-SCSI (oder Fast-40) kommt mit einer Busbreite von 8 Bit und 40 MHz Taktfrequenz auf eine Transferrate 40 MB/s.
Ultra-2-Wide-SCSI erreicht mit einem 16-Bit-Bus eine Übertragungsrate von 80 MB/s.
Ultra-160/m-SCSI hat eine angebliche Transferrate von 160 MB/s. Diese Übertragunsrate wird dadurch erreicht, dass die Daten auf beiden Flanken des Taktsignals übertragen werden.
SCSI-1 5 MB/s
Fast SCSI, SCSI-2 10 MB/s
Wide SCSI-2 20 MB/s
Fast SCSI, SCSI-2 20 MB/s
Wide SCSI-2 40 MB/s
Ultra SCSI 40 MB/s
Ultra 2 Wide SCSI 80 MB/s
Ultra 3 (Ultra160) SCSI80 160 MB/s
8.3. Vorteile/Nachteile:
Neben einer höheren Datenübertragungsrate im Gegensatz zu EIDE-Festplatten, sind auch noch unterschiedliche Peripheriegeräte ohne Treiber installierbar. Allerdings ist die Installation sehr kompliziert, die Geräte sind sehr teuer und die verschiedenen Anschlüsse und Stecker müssen zum Teil mit Adaptern überbrückt werden.
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. 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 den Untergang von IrDA schon fest beschlossen. Hauptmanko gegenüber Bluetooth ist natürlich der bei IrDA nötige 'Sichtkontakt' von Sender und Empfänger.
IrDA wird heute aufgeteilt in zwei verschiedene Standards: IrDA DATA und IrDA CONTROL, wovon IrDA DATA im Prinzip das 'Ur-IrDA' darstellt. Die beiden Standards sollen kurz erläutert werden:
IrDA DATA wurde so konzipiert, dass optionale Protokolle zwar möglich sind, jedoch drei Protokolle zwingend zur Verwendung vorgeschrieben sind, um Kompatibilität zu ermöglichen. Die zwingenden Protokolle sind:
Optionale IrDA DATA Protokolle:
IrDA CONTROL (erst 1998 definiert) stellt einen Infrarot Kommunikations-Standard dar, der es drahtlosen Geräten wie Keyboards, Mäusen, Game Pads, Joysticks, etc. erlaubt, mit verschiedenen Arten von intelligenten IrDA Host-Geräten zu kommunizieren. Host-Geräte sind dabei nicht nur PCs, sondern auch PDAs, Spiele-Consolen, Set-Top-Boxen und weitere. IrDA CONTOL besteht aus einem kleinen Satz zwingend vorgeschriebener Protokolle - optionale Protokolle sind hier jedoch nicht vorgesehen.
Was ist Bluetooth?
Intention für die Entwicklung von Bluetooth war es, eine neue universelle und vor allem schnurlose Kommunikationsschnittstelle für eine Vielzahl von Geräten (PDAs, Digicams, Handys, Notebooks etc.) zu schaffen. Obwohl all diese Vorstellungen in Bluetooth eingegangen sind und auch verwirklicht wurden, findet Bluetooth nur sehr langsam den Weg in die entsprechenden Geräte. Immerhin gibt es seit Anfang 2002 endlich mehr als nur eine Handvoll bluetoothfähiger Gerätschaften. [1]
Bluetooth ist ein freies, nicht lizenzpflichtiges Funkverfahren, um Geräte kabellos miteinander zu verbinden und so Sprache, Daten und Bilder über kurze Entfernungen zu übertragen. Der Vorteil gegenüber heutiger Infrarottechnik liegt darin, dass sich die einzelnen Geräte nicht mehr direkt optisch zu 'sehen' brauchen und dass gleich eine Gruppe von Geräten miteinander kommunizieren kann, nicht nur jeweils zwei. Weitere Vorteile wie Offenheit des Verfahrens, weltweite Frequenzverfügbarkeit, geringer Energieverbrauch und Ausbaufähigkeit von zehn auf hundert Meter prädestinieren Bluetooth zum Ersatz aller kleinen Datenkabel in der nahen Zukunft.[2]
Das kleine
Bluetooth-Modul
stellt eine drahtlose
Verbindung zwischen
mobilen Endgeräten her.
Foto: Ericsson
Übertragungstechnik
Bluetooth-Geräte senden im 2,4 GHz ISM-Band (Industrial Scientific Medical Band). Dieser Frequenzbereich ist weltweit für jedermann frei nutzbar (einzige Ausnahme: Frankreich). Da auch andere Anwendungen dieses Frequenzband nutzen, sind gegenseitige Störungen möglich. Insbesondere WLAN kann durch Bluetooth gestört werden. Aber Bluetooth erweist sich als recht störungsfest und lässt sich von WLAN kaum aus dem Tritt bringen.
Die maximale Reichweite, die mit dem Kurzstrecken-Datenfunk Bluetooth möglich ist, beträgt etwa zehn Meter. Nur mit speziellen Verstärkern kann die Reichweite auf etwa 100 Meter erhöht werden. Für die Nahfeldanwendungen, für die Bluetooth gedacht ist, reicht diese geringe Reichweite jedoch völlig aus und hat sogar den Vorteil, dass immer genügend freie Übertragungskanäle zur Verfügung stehen, da diese nicht von weit entfernten Bluetooth-Geräten blockiert werden.
Übertragen werden die Daten auf mehreren synchronen und einem asynchronen Datenkanal. Synchrone Kanäle übertragen in beide Richtungen jeweils 64 kBit/s (das entspricht einem ISDN-Kanal) und sind speziell für Sprachübertragungen ausgelegt. Der asynchrone Datenkanal überträgt mit maximal 721 kBit/s in der einen und 57,6 kBit/s in der anderen Richtung. Bei der optional nutzbaren symmetrischen Übertragung auf diesem Kanal sind 432,6 kBit/s in beide Richtungen möglich. Die insgesamt zur Verfügung stehende Übertragungsleistung beträgt bei Bluetooth somit etwa 1 MBit/s. [3]
Sicherheit
Alle übertragenen Daten können mit einem bis zu 128 Bit langen Schlüssel chiffriert werden. Zur Authentifizierung dient ein ebenfalls 128 Bit langer Schlüssel. Alle Bluetooth-Geräte haben eine eigene 48 Bit-Adresse. Es können also über 281 Billionen verschiedene Geräte auseinander gehalten werden. Auch die adaptive Reichweitenbegrenzung auf die besagten zehn Meter trägt zur Sicherheit bei, da so eine Manipulation des Datenstroms nur aus unmittelbarer Nähe möglich ist. 3
Zukunftsaussichten
Bluetooth-Module, welche neben der Steuerung und Verschlüsselung auch die komplette Sende- und Empfangstechnik beinhalten, haben inzwischen nur noch die Größe einer zwei Euro-Münze. In Serie produziert, kostet solch ein Modul heute etwa 15 Euro. In Zukunft wird der Preis wohl bis unter fünf Euro sinken, wenn sich Bluetooth - wie von Experten einhellig prognostiziert - schon in naher Zukunft als alltägliche und milliardenhaft verwendete Technik durchsetzt. Selbst Anwendungen, welche heute noch mit Infrarot (z.B. Fernsehfernbedienung oder schnurlose Kopfhörer) arbeiten, werden in Zukunft wohl mit Bluetooth ausgerüstet werden. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten, der geringe Preis und die hohe Integrierbarkeit der Module sind die schlagenden Argumente für einen kurzfristigen Markterfolg. 3
Was ist W-LAN?
Wireless-LAN ist eine drahtlose Funkverbindung mehrerer Computer. Im Gegensatz zur Bluetooth-Technologie, die hauptsächlich zur Anbindung von Peripheriegeräten an den Computer dient, verbindet W-LAN mehrere Computer miteinander und über den Access-Point mit anderen verkabelten Festnetzen (zb. Server, Internet, usw.). Wireless-LANs kommen überall dort zum Einsatz, wo eine Kabelverlegung nicht möglich oder wenig sinnvoll ist (zB. Altbauten, aber auch Ballungsräume wie Flughäfen etc.).
Übertragungstechnik
Der derzeitige Wireless-LAN-Standard ist der 802.11b. Daneben tummeln sich noch verschiedene andere Technologien wie das europäische Hiper-LAN-II oder Bluetooth. Als Nachfolgestandard von 802.11b gilt der 802.11a. Er ist derzeit jedoch in Europa noch nicht verfügbar. Der W-LAN-Standard 802.11b arbeitet mit einer maximalen, theoretischen Übertragungsgeschwindigkeit von 11 Megabit pro Sekunde. Der Nachfolgestandard wird eine Übertragungsgeschwindigkeit von 54 Megabit pro Sekunde ermöglichen.
Ein Wireless-LAN kennt zwei unterschiedliche Gerätearten: Access Points und
Wireless-LAN-Karten. Jedes Gerät, das an einem Wireless-LAN teilnehmen möchte,
muss eine W-LAN-Karte besitzen. Für die Verbindung zum drahtgebundenen LAN
sorgen die Access Points. Diese besitzen analog zur W-LAN-Karte eine
Funkeinheit und einen Netzwerkanschluss. [4]
Sicherheit
»Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprobleme sind primäre Hindernisse dafür, dass sich drahtlose Netze überallhin ausbreiten können. Das gilt für den Einsatz zu Hause und auch in den Unternehmen«[5]
Zukunftsaussichten
Fazit: Wenn es den Herstellern gelingt, die Probleme rund ums Thema Sicherheit und Kompatibilität für alle gängigen Standards zu lösen, stehen dem Markt für W-LANs gute Zeiten bevor. Dabei werden allerdings nur weltweite Mainstream-Entwicklungen eine Chance haben, während das europäische Hiper-LAN-II nach Meinung von Experten wohl auf der Strecke bleiben wird.
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