Schnittstellen Beispiele für externe Schnittstellen

Präsentation zum Thema: "Schnittstellen Beispiele für externe Schnittstellen"—  Präsentation transkript:

1 Schnittstellen Beispiele für externe Schnittstellen
Für den Anschluss eines externen Gerätes ist eine definierte Schnittstelle erforderlich. Eine Schnittstelle definiert die Festlegung für die physikalischen Eigenschaften der Schnittstellenleitungen. Die Spezifikation einer Schnittstelle enthält Informationen über Übertragungsgeschwindigkeiten, Übertragungsverfahren, zu den Schnittstellenleitungen, dem Stecker, der Buchse oder Steckerleiste und deren Belegung. Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, daß unterschiedliche Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden können. Ein Computersystem hat interne Schnittstellen, die sich im Computergehäuse befinden und externe Schnittstellen, die aus dem Computergehäuse herausgeführt sind. Beispiele für externe Schnittstellen Weitere Schnittstellen: Bus-Systeme PCI-Bus Accelerated Graphics Port (AGP) AMR / CNR / ACR IDE EIDE/(Ultra-)ATA Serial ATA (SATA) SCSI Parallele Schnittstelle / Centronics- Schnittstelle Serielle Schnittstelle PCMCIA/PC- Card Universal Serial Bus (USB) Firewire / IEEE 1394 / i. Link Game- /Midi-Schnittstelle

2 Parallele Schnittstelle / Centronics- Schnittstelle
In den Anfangszeiten des Computers hat jeder Hersteller für sein Endgerät eine eigene Schnittstelle entwickelt. So z. B. 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. Durch die Möglichkeit der bidirektionalen Übertragung können an der Centronics- Schnittstelle auch CD-ROMs, Festplatten und Streamer betrieben werden. Bevor sich die USB- Schnittstelle durchsetzte war der Anschluss von Scannern und Wechselmedien-Laufwerken (z. B. ZIP-Drive) an der parallelen Schnittstelle durchaus üblich. Durch Erweitung des Protokoll-Teils konnten die Geräte auch hintereinander geschaltet werden. Ein Gerät musste dann neben dem Parallel-Eingang auch einen Ausgang für ein weiteres Gerät haben. Die parallele Schnittstelle kann gleichzeitig 8 Bit übertragen, wobei jedes Bit eine eigene Leitung hat. Zusätzlich gibt es Steuerleitungen, die für den Betrieb eines Druckers gedacht sind. Jede Daten- und Steuerleitung ist mit einer Masseleitung verdrillt. So kommt man auf der Druckerseite auf einen 36poligen Amphenol- Stecker (siehe im Bild rechter Stecker), der sich am Drucker mit Klammern befestigen lässt (siehe rechtes Bild). Die Belegung dieses Steckers ist an Pin 1 bis 11 und 16 bei nahezu jedem Drucker gleich. Die andern Pins weichen je nach Hersteller ab. Auf der Seite des Computers wird ein 25poliger Sub- D- Stecker (siehe Bild linker Stecker) verwendet. Die Centronics- Schnittstelle arbeitet mit TTL-Pegeln (+5V und 0V) auf den Signalleitungen. 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 Obergrenze für eine fehlerfreie Datenübertragung. Die englische Bezeichnung für die Centronics- Schnittstelle ist LPT. Diese Bezeichnung ist aus der Zeit abgeleitet, wo Nadeldrucker den Text zeilenweise ausgegeben haben. Im englischen hießen diese Drucker Line Printer (LPT). Übersetzt heißt das soviel wie Zeilendrucker. Die heutigen Drucker generieren den Ausdruck Seitenweise. Die Schnittstellen-Bezeichnung LPT1, LPT2 und LPT3 ist jedoch immer noch geblieben. Obwohl die Centronics- Schnittstelle keiner offiziellen Normierung unterlag, hat sie sich zum Industrie-Standard entwickelt. Einige Jahre später hat sich aus dem Urstandard der herstellerübergreifende Standard EPP (Enhanced Parallel Port) entwickelt. Der EPP nutzt die selben physikalischen Eigenschaften der Centronics- Schnittstelle. Deutlich gesteigert wurde die Übertragungsrate. Etwas später wurde mit dem Standard ECP (Enhanced Capabilities Port) die Transferleistung erneut erhöht, was sich in der Praxis kaum bemerkbar machte. Nachteilig war die Notwendigkeit eines DMA- Kanals, der für andere Zwecke nicht benutzt werden konnte.

3 Serielle Schnittstelle
Nahezu jeder Computer ist mit einer oder zwei seriellen Schnittstellen ausgestattet. An jeder dieser Schnittstellen kann nur ein Endgerät angeschlossen werden. Die serielle Schnittstelle ist 9- in älteren Systemen 25-polig. Sie wird auch RS-232(C) oder V.24-Schnittstelle genannt. Die englische Bezeichnung COM- Port, abgeleitet von Communication (Kommunikation), wird allerdings am häufigsten verwendet. Mit COM1, COM2, COM3, usw. wird einer physischen existierenden Schnittstelle eine logische Bezeichnung durch das BIOS und das Betriebssystem zugeteilt. Unter dieser Bezeichnung können alle Anwendungen auf diese Schnittstelle zugreifen. Obwohl die COM- Schnittstelle langsam am Aussterben ist, wird sie häufig als Software-Simulation eingesetzt. Z. B. um USB- Geräte in einen Computer einzubinden und für Anwendungen nutzbar zu machen. Klassische Endgeräte, die an der seriellen Schnittstelle angeschlossen werden sind die Maus und das Modem. Sehr viele technische Einrichtungen haben eine serielle Schnittstelle, an der sich ein Computer oder auch Notebook anschließen lässt, um die Einrichtung zu steuern oder zu konfigurieren. Viele Telefonanlagen haben eine solche V.24-Schnittstelle. Normen Elektrische Eigenschaften Eigenschaften CCITT ISO DIN Funktion V.24 66020 Bl.1 Elektr. Eigenschaften V.28 Mechan. Eigenschaften 2110 Signalpegel Datenleitung Steuer- und Meldeleitungen 1/H V V 0/L Die Signalspannung ist auf allen Leitungen bipolar und darf nicht zwischen V liegen. Der maximale Spannungsbereich liegt zwischen V. Die nutzbare Kabellänge zwischen der Schnittstelle und dem Endgerät ist abhängig von der Signalstärke und Übertragungsgeschwindigkeit. Je schneller die Übertragung, desto kürzer und hochwertiger sollte das Kabel sein. Sind die Voraussetzungen optimal läßt sich eine Kabelstrecke von 30 Metern überbrücken. Allerdings nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit. Für reele Anwendungen sollten 6 bis 8 Meter nicht überschritten werden. Funktionsweise Die Datenbits sind auf dem Datenbus parallel vorhanden. Die Serielle Schnittstelle überträgt die Datenbits aber nacheinander. Deshalb ist eine Parallel-Seriell-Wandlung notwendig. Das Datenwort wird aus dem Speicher in den Schnittstellenspeicher geschrieben. Dann wird das Datenwort aufgeteilt und die Datenbits einzeln übertragen. Ist das ganze Datenwort übertragen worden, wird ein weiteres Datenwort aus dem Speicher geholt. Beim Empfangen der Daten wird das Datenwort wieder zusammengesetzt und in den Speicher geschrieben. Damit der Empfänger die Daten wieder richtig zusammensetzt, müssen Sender und Empfänger zeitgleich Senden bzw. Empfangen. Um das zu gewährleisten, werden zwei Verfahren zur Aufrechterhaltung der Synchronisation angewendet. Die synchrone und asynchrone Übertragung.

4 Funktionsweise von FireWire
FireWire / IEEE 1394 / i.Link Der hier beschriebene Peripherie-Anschluß ist unter den Bezeichnungen FireWire, EEE 1394 und i.Link (Apple) bekannt. Im folgenden Text wird nur die Bezeichnung FireWire verwendet. FireWire ist ähnlich wie USB ein serielles Übertragungssystem mit speziellen Steckern und Kabeln. Der Vorteil von FireWire gegenüber USB ist die Übertragungsrate on bis zu 400 MBit/s (50 MByte/s) seit Einführung. Damit ließen sich schon früh Daten auf schnelle externe Festplatten und DV-Streams eines Camcorders ohne Kompromisse übertragen. Für Digital-Video ist FireWire (IEEE 1394) seit Festlegung des DV-Standards die Schnittstelle in jedem DV-Camcorder. Am FireWire-Anschluß lassen sich mehrere Geräte anschließen. Die meisten Geräte haben sogar weitere FireWire-Ports, an die sich bis zu 63 Geräte pro FireWire-Kette verbinden lassen. Durch die Peer-to-Peer-Architektur lassen sich FireWire-Geräte als Kette oder in jeder beliebigen Verästelung miteinander vernetzen. Funktionsweise von FireWire FireWire verwendet 6polige dünne Kabel. Zwei geschirmte Adernpaare dienen der Datenübertragung, während das dritte Adernpaar den Bus mit Strom versorgt. Es gibt auch eine vierpolige Variante, die auf die Stromversorgung verzichtet. FireWire kennt keinen fest definierten zentralen Host, der die Übertragung und Adressierung steuert. Fast jedes Gerät hat zusätzlich zwei oder mehrere Ports und fungiert gleichzeitig als Hub und Repeater. Die eingehenden Signale werden an alle anderen Ports weitergereicht. In der Praxis werden FireWire-Geräte irgendwie miteinander verschaltet. Es muß nur darauf geachtet werden, das keine Ringverbindungen entstehen und die Verbindung zwischen zwei Geräten aus nicht mehr als 16 Kabeln besteht. Die maximale Geräte-Kabellänge beträgt 4,5 m. Die Gesamt-Distanz einer FireWire-Kabelstrecke überbrückt bis zu 72 m. Die FireWire-Architektur ist ein Peer-to-Peer-Bus. Sobald sich die Topologie verändert wird in dieser Architektur ein neuer Taktgeber ermittelt. Dieser wird anhand eines Protokolls demokratisch gewählt. Prinzipiell könnte jedes Gerät diese Aufgabe übernehmen. Welches Gerät das ist, ist teilweise von der Konfiguration und vom Zufall abhängig. Der Auserwählte hat die Aufgabe der Takterzeugung und das Bestätigen der Sende-Anforderungen der übrigen Geräte. Die letztgenannte Funktion ist einer der Nachteile von FireWire. Sie kostet viel Zeit und vergeudet einen Teil der Bandbreite.

5 USB - Universal Serial Bus
Übertragungsgeschwindigkeit Um langsame Geräte wie Tastatur und Maus als auch schnelle Geräte wie Modems oder Videokameras über ein und denselben Bus zu führen, wurde die Übertragung über den USB in Kanäle unterteilt. Es gibt einen Low-Speed-Kanal bis 1,5 MBit/s (Maus, Tastatur) und einen Medium-Speed-Kanal mit 12 MBit/s (ISDN, Audio) die über dieselbe Schnittstelle geführt werden. Ein High-Speed-Kanal mit 500 MBit/s (Video, Speichermedien) ist auch vorgesehen. Unabhängig welcher Geschwindigkeitskategorie ein Gerät angehört, wird immer der gleiche vierpolige Stecker verwendet. Unterschiede gibt es nur beim Anschlußkabel. High-Speed-Geräte benötigen ein geschirmtes und verdrilltes Kabel. Für Low-speed-Gerät kann ein ungeschirmtes und unverdrilltes Kabel verwendet werden. Neben der Geschwindigkeitskategorie gibt es auch unterschiedliche Prioritäten bei der Übertragung. Die höchste Priorität haben Geräte, die Daten in Echtzeit liefern und bei denen der Datenfluß nicht unterbrochen werden darf. Die mittlere Priorität ist für Interrupt-Übertragungen, wenn z. B. ein Gerät die Aufmerksamkeit des Prozessors erhalten will. Die niedrigste Priorität haben Massentransfer-Geräte. Die Übertragung der Daten ist meist nicht besonders dringend. Obwohl der USB von der Namensgebung her ein Bus sein müßte, ist er als kombinierte Stern-Bus-Struktur ausgelegt. An der Spitze steht der USB-Hostadapter im Computer. An diesem können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. An den Ausgängen des Hostadapters können einzelne Geräte oder USB-Hubs angeschlossen werden. Spätestens bei mehr als zwei bzw. vier USB-Geräten (je nach Ausstattung des Computers) ist ein solcher Hub als Verteiler notwendig. Neben der Stromverteilung sorgen die Hubs auch dafür, dass immer nur ein USB-Gerät seine Daten zum Hostcontroller schickt. Die Hubs können beliebig kaskadiert werden, wodurch sich ein pyramidenförmiger Aufbau bildet. Beim Anschaffen größerer USB-Geräte, wie Drucker, Scanner oder Tastaturen, sollte darauf geachtet werden, daß diese einen integrierten USB-Hub besitzen. Dann kann auf die Anschaffung eines zusätzlichen Hubs für Kleinst-USB-Geräte (Maus, Mikrofon) verzichtet werden. Alle Daten werden über ein bidirektionales Leitungspaar geführt. Dazu kommt noch eine Masseleitung, sowie eine Versorgungsspannungsleitung (+5V). Die Daten werden differentiell Übertragen, wodurch sich der USB als sehr robust erweist. USB 2.0 Der USB hat sich für Drucker, Scanner, Tastaturen, Mäuse, Modems, Netzwerk- und ISDN-Adapter als Schnittstelle zum Computer durchgesetzt. Neue Anwendungen verlangen allerdings nach höheren Datenübertragungsraten. Externe Festplatten, CD-/ DVD- Brenner und Bandlaufwerke und andere Peripheriegeräte benötigen deutlich höhere Datenraten. Vor allem im Bereich des digitalen Videos hat FireWire deutlich die Nase vorn. Die wesentlichen Neuerungen der zweiten Auflage ist die vierzigmal schnellere Datenübertragung als bei Version 1.1. USB 2.0 ist trotzdem vollständig abwärtskompatibel zum bestehenden Standard. Vorhandene Kabel und Geräte können weiterhin genutzt werden. Für Mobilgeräten umfasst die Erweiterung von USB 2.0 eine kompakte Steckerbauform und zusätzliche Stromspar-Features. Die USB-2.0-Spezifikation sieht vor, die Timeframes im Millisekundenbereich (USB 1.1) in jeweils acht Timeframes zu je 125 Mikrosekunden zu unterteilen. Somit wird die vierzigfach höhere Datenrate von 480 MBit/s erreicht. Beim Einstecken eines USB- Gerätes schaltet der USB-2.0-Controller automatisch auf die jeweils geforderte Übertragungsgeschwindigkeit um. Dank der Abwärtskompatibilität können sämtliche Datenraten ohne Geschwindigkeitsverlust gleichzeitig genutzt werden. Ein USB-2.0-Gerät, angeschlossen an einem USB-1.1-Controller kann allerdings nur die maximale Übertragungsrate von 12 MBit/s nutzen. Mögliche USB-Geräte Tastatur Maus Joystick Kamera Modem /ISDN-Adapter Scanner Drucker Dongle Lautsprecher (ohne Soundkarte nutzbar) USB-Parallelport-Adapter USB-V.24-Adapter USB-Speichersticks USB-EIDE-Adapter USB 2.0 USB 2.0 Der USB hat sich für Drucker, Scanner, Tastaturen, Mäuse, Modems, Netzwerk- und ISDN-Adapter als Schnittstelle zum Computer durchgesetzt. Neue Anwendungen verlangen allerdings nach höheren Datenübertragungsraten. Externe Festplatten, CD-/DVD-Brenner und Bandlaufwerke und andere Peripheriegeräte benötigen deutlich höhere Datenraten. Vor allem im Bereich des digitalen Videos hat FireWire deutlich die Nase vorn. Die wesentlichen Neuerungen der zweiten Auflage ist die vierzigmal schnellere Datenübertragung als bei Version 1.1. USB 2.0 ist trotzdem vollständig abwärtskompatibel zum bestehenden Standard. Vorhandene Kabel und Geräte können weiterhin genutzt werden. Für Mobilgeräten umfasst die Erweiterung von USB 2.0 eine kompakte Steckerbauform und zusätzliche Stromspar-Features. Die USB-2.0-Spezifikation sieht vor, die Timeframes im Millisekundenbereich (USB 1.1) in jeweils acht Timeframes zu je 125 Mikrosekunden zu unterteilen. Somit wird die vierzigfach höhere Datenrate von 480 MBit/s erreicht. Beim Einstecken eines USB-Gerätes schaltet der USB-2.0-Controller automatisch auf die jeweils geforderte Übertragungsgeschwindigkeit um. Dank der Abwärtskompatibilität können sämtliche Datenraten ohne Geschwindigkeitsverlust gleichzeitig genutzt werden. Ein USB-2.0-Gerät, angeschlossen an einem USB-1.1-Controller kann allerdings nur die maximale Übertragungsrate von 12 MBit/s nutzen. Der USB hat sich für Drucker, Scanner, Tastaturen, Mäuse, Modems, Netzwerk- und ISDN-Adapter als Schnittstelle zum Computer durchgesetzt. Neue Anwendungen verlangen allerdings nach höheren Datenübertragungsraten. Externe Festplatten, CD-/DVD-Brenner und Bandlaufwerke und andere Peripheriegeräte benötigen deutlich höhere Datenraten. Vor allem im Bereich des digitalen Videos hat FireWire deutlich die Nase vorn. Die wesentlichen Neuerungen der zweiten Auflage ist die vierzigmal schnellere Datenübertragung als bei Version 1.1. USB 2.0 ist trotzdem vollständig abwärtskompatibel zum bestehenden Standard. Vorhandene Kabel und Geräte können weiterhin genutzt werden. Für Mobilgeräten umfasst die Erweiterung von USB 2.0 eine kompakte Steckerbauform und zusätzliche Stromspar-Features. Die USB-2.0-Spezifikation sieht vor, die Timeframes im Millisekundenbereich (USB 1.1) in jeweils acht Timeframes zu je 125 Mikrosekunden zu unterteilen. Somit wird die vierzigfach höhere Datenrate von 480 MBit/s erreicht. Beim Einstecken eines USB-Gerätes schaltet der USB-2.0-Controller automatisch auf die jeweils geforderte Übertragungsgeschwindigkeit um. Dank der Abwärtskompatibilität können sämtliche Datenraten ohne Geschwindigkeitsverlust gleichzeitig genutzt werden. Ein USB-2.0-Gerät, angeschlossen an einem USB-1.1-Controller kann allerdings nur die maximale Übertragungsrate von 12 MBit/s nutzen. Die USB-On-the-Go-Spezifikation 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-Gerät mit jedem beliebigen anderen autark kommunizieren. Die USB-On-the-Go-Spezifikation 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-Gerät mit jedem beliebigen anderen autark kommunizieren.

6 USB und FireWire - Vergleich
IEEE 1394 (FireWire) USB (2.0) Brutto-Übertragungsrate 100 / 200 / 400 MBit/s 1,5 / 12 / 480 MBit/s Architektur Peer-to-Peer Host-zentriert max. Anzahl der Geräte 63 127 max. Kabellänge pro Gerät 4,5 m 5 m Gesamt-Kabellänge 72 m 30 m Stromversorgung V / 1,5 A 5 V / 500 mA