Schnittstellen (Übertragungstechnik)

Schnittstellen verbinden Systeme, die unterschiedliche physikalische, elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Schnittstellen bilden den Übergang von einem System in ein anderes System. In der Definition einer Schnittstelle sind gemeinsame Eigenschaften, Verfahren und Protokolle für beide Systeme festgelegt, damit eine Übertragung elektrischer Signale, ein Datenaustausch und Kommunikation möglich ist.

In der Regel erfolgt die Verarbeitung von Daten in digitaler Form. Also mit Folgen von Nullen und Einsen, die elektrisch in unterschiedlichen Spannungswerten (Potentialen) dargestellt werden. Die übliche digitale Signalform ist das Rechtecksignal, welches sich gut für die Verarbeitung, allerdings weniger gut für die Übertragung eignet. Wird ein Rechtecksignal mit hoher Taktfrequenzen (Übertragungsgeschwindigkeit) auf einer Leitung übertragen, dann kommt beim Empfänger nichts als Rauschen an. Durch die Übertragung wird das ursprüngliche Signal stark verfälscht oder zerstört. Aus diesem Grund verformt der Sender das digitale Signal vor der Übertragung so, dass es beim Empfänger erkennbar ankommt. Doch was genau bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten mit den elektrischen Signalen passiert, ist schwer vorhersagbar.

Jede Schnittstelle unterliegt den selben physikalischen Gesetzen. Beim Design von Steckkontakten und Signalleitungen richtet man sich nach Richtlinien, die bestimmte Vereinfachungen darstellen. Doch schon beim Sprung von MHz auf GHz sind diese Vereinfachungen und die daraus abgeleiteten Design-Richtlinien nicht mehr gültig.
Beim Entwurf des Übertragungskanals sind einige Dinge zu beachten: Datenleitungen, Durchkontaktierungen, Übergänge von Leiterplatte zu Leiterplatte, DC-Blockkondensatoren, Gehäuse, Kabel und Anschlüsse. Insbesondere bei einem Hochfrequenzsignal wirken überstehende Leitungen oder Kontakte als Stichleitung, die mit unerwünschten parasitären Effekten auf das Übertragungssignal wirken. Und mit steigender Datenrate (höheren Taktraten) verschärfen sich die Probleme.

Im Vergleich zu schnell arbeitenden Prozessoren sind externe Schnittstellen ein Flaschenhals. Schnelle externe Schnittstellen unterliegen einer ganzen Reihe physikalischer Grenzen. Der dabei entstehende technische Aufwand steht dem Wunsch nach einer günstigen Schnittstelle gegenüber. Denn eine bessere Technik kommt nur dann zum Einsatz, wenn Transistoren und Schaltkreise kontinuierlich billiger und kleiner werden.

Parallele Schnittstellen und Bussysteme

Digitale Systeme verarbeiten selten einzelne Bits, sondern immer zusammenhängende Bits, die man als Datenworte bezeichnet. Typischerweise sind Datenworte zu 8, 16, 32, 64 oder mehr Bits gruppiert.

• Informationen und Daten (Bit, Byte, Dateien)

Daten werden in Computersystemen also nicht nur in Gruppen verarbeitet, sondern sinnvollerweise auch in der Gruppe gleichzeitig und damit parallel übertragen. Das bedeutet, dass zwischen Verarbeitungseinheiten mehrere Leiterbahnen parallel verlaufen. Und zwar in der Menge, wie das Datenwort breit ist. Bei 8 Bit sind es 8 Leiterbahnen oder Leitungen, 16 Bit sind es 16 Stück, usw.
Parallele Schnittstellen sind typischerweise Bussysteme mit mehreren parallel geführten Leitungen. Innerhalb von Systemen werden auch Flachbandkabel oder gruppierte Leiterbahnen auf Platinen eingesetzt.

Die Probleme von Bussystemen sind auf die Elektrotechnik zurückzuführen. So ist zum Beispiel die maximale Übertragungsfrequenz eines Bussystems durch elektrotechnische Gegebenheiten begrenzt. Zu den kritischen Effekten zählen Reflexionen, Übersprechen, Dämpfung, Frequenzdispersion und der Skin-Effekt.
Das Hauptproblem paralleler Schnittstellen ist die Signallaufzeit. Ein elektrisches Signal breitet sich auf den Leitungen und Leiterbahnen mit einer bestimmten Zeit aus. So kann ein Signal von der Signalquelle zum Signalempfänger schon mal 2 ns unterwegs sein. In dieser Zeit kann ein Prozessor mit 3 GHz bereits sechs Taktzyklen durchlaufen. Das ist allerdings weniger ein Problem, weil in der Regel die Teilsysteme unabhängig voneinander arbeiten können und Daten zwischengespeichert werden.

Ein Problem ist eher die Leitungs- oder Leiterbahnlänge. Bei einem parallelen Bus laufen sehr viele Leitungen nebeneinander auf der Platine. Sobald die Leiterbahnen abbiegen, sind die inneren Leitungen kürzer als die äußeren. Je höher die Taktfrequenz, desto stärker wirken sich geringe Leitungsunterschiede aus. Je kürzer die Zeit für die Übertragung eines Bits ist, desto größer ist die Gefahr bei Laufzeitunterschieden. Dann können die Bits von zwei Übertragungen durcheinander laufen.
Wie bereits erwähnt erfolgt die Datenverarbeitung und -übertragung in Computersystemen oder Computer-ähnlichen Systemen grundsätzlich digital. Dabei sind die digitalen Signale Hochfrequenzeffekten ausgesetzt, die dazu führen, dass verzerrungsfreie Übertragungen nur mit erhöhtem Aufwand möglich sind. Durch parasitäre kapazitive und induktive Effekte zwischen den Leiterbahnen kommt es zusätzlich zu zeitlichen Verschiebungen der Signalflanken. Was soviel bedeutet, dass das Signal auf der einen Leitung schneller am Ziel ankommt als ein anderes Signal auf einer parallel geführten Leitung. Bei steigender Taktfrequenz macht sich dieser Effekt immer heftiger bemerkbar. Deshalb wird bei der Verwendung parallel geführter Leitungen darauf geachtet, dass sie exakt gleich lang sind. Das führt dazu, dass Leiterbahnen auf Platinen mäanderförmig angeordnet sind. Das hat dann aber den Nachteil, dass man für diese komplizierte Leiterbahnführung mehr Entwicklungszeit braucht und auch noch viel Platz verschwenden muss.

Die parallele Datenübertragung erreicht ihre hohe Übertragungsgeschwindigkeit nur über sehr kurze Strecken. Je länger die Leitungen, desto eher treten Laufzeitdifferenzen zwischen den parallelen Signalen auf. Das kann nur durch eine kürzere Übertragungsstrecke, eine geringere Taktrate oder zusätzliche Masseleitungen zwischen den Signalleitungen verhindert werden. Zusätzliche Masseleitungen verschwenden jedoch viel Platz oder führen zu dicken und unflexiblen Flachband- oder Rundkabeln, die die Luftströmung innerhalb eines Computers behindern.
Prinzipiell eignen sich konventionelle parallele Busse nur bis zu einer gewissen Taktgeschwindigkeit.

Übersicht: Parallele Schnittstellen

• Parallele Schnittstelle (Centronics)
• IDE - Integrated Drive Electronics
• P-ATA / Ultra-ATA / EIDE
• SCSI - Small Computer System Interface
  
• ISA - Industrial Standard Architecture
• PCI / PCI-X

Serielle Schnittstellen

Das Übertragungsverfahren herkömmlicher serieller Schnittstellen, wie RS-232, übertragen die digitalen Signale hintereinander. Also Bit für Bit. Das hat den Nachteil, dass die Übertragungsrate generell niedriger ist, als bei Bussystemen mit mehreren parallelen Leitungen. Dafür darf die Leitung auch länger sein.

Moderne serielle Schnittstellen, wie SATA oder PCIe haben mit den alten seriellen Schnittstellen nichts mehr gemeinsam. Die modernen seriellen Schnittstellen wenden verschiedene Methoden an, um den physikalischen Bedingungen Herr zu werden. Die Kommunikation erfolgt grundsätzlich Punkt-zu-Punkt. Um Störungen der Signalübertragung durch elektrische und magnetische Felder von umliegenden Baugruppen und Leitungen zu verhindern erfolgt die Übertragung differenziell und nicht wie üblich massebezogen. Differenziell bedeutet, dass das Signal auf zwei Leitungen als das Originalsignal und einem invertierten Signal übertragen wird. Daraus bildet der Empfänger die Differenz und erhält somit das Originalsignal zurück. Störungen hängen in der Regel von der Stromrichtung ab und beeinflussen beide Signale. Bei der Differenzbildung wird die Störung aber herausgerechnet. Für die Signalübertragung werden nicht reine Spannungsquellen, sondern kombinierte Spannungs- und Stromquellen verwendet.
Die physikalische Übertragung und Fehlerkorrektur erfolgt in unterschiedlichen Protokollschichten, die aufeinander aufbauen. Üblich sind ein Paket-Protokoll und Schichten für Transport/Routing, Verbindung und die physikalische Schicht. Dazu werden die Daten zu Paketen gebündelt und mit Prüfsummen versehen. Übertragungsfehler werden bis zu einem bestimmten Grad einkalkuliert.

Übersicht: Serielle Schnittstellen

• Serielle Schnittstelle (RS232 V.24 COM)
  
• PS/2 - Mini-DIN
• SATA / Serial-ATA
• PCIe - PCI Express

Umstellen von parallele auf serielle Schnittstellen

Das Umstellen von parallelen Bussystemen, wie zum Beispiel IDE oder PCI, auf geschaltete serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie SATA oder PCIe war ein notwendiger und logischer Schritt. Die technischen Problemen durch parallel geführte Leitungen bei steigender Taktfrequenz wurden einfach zu groß.
Serielle Schnittstellen, wie PCIe arbeiten mit differenziellen Leitungspaaren, die kaskadiert werden. Um die Übertragungsrate noch weiter zu steigern, schaltet man mehrere parallele (serielle) Verbindungen. Die beteiligten Sende- und Empfangsstufen können mit Kodierverfahren, differenzieller Übertragung und ausgeklügelten Prüfsummenverfahren Signalunterschiede ausgleichen. Die Sicherheit der Datenübertragung mit mehreren Gigabit pro Sekunde wird mit Pre-Emphasis, Entzerrfunktionen und durch Equalisierung gewährleistet.
Die neuen Techniken bringen nicht nur mehr Geschwindigkeit, sondern auch automatische Konfiguration, leichtere Handhabung, sowie eine bessere Nutzung der Ressourcen.

Schnelle serielle Verbindungen, sind die bevorzugten Verbindungstechniken der Gegenwart und Zukunft. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Leistung und Anwendungsmöglichkeiten. In der Regel haben sie ein preiswertes Interface, lassen sich einfach verkabeln und konfigurieren sich automatisch.
Da die Marktdurchdringung neuer Schnittstellen manchmal Jahre braucht, versucht man auf der untersten Treiberebene mit den alten Verfahren kompatibel zu bleiben. So sind PCI Express und SATA zu den Vorgängern PCI-Bus und EIDE trotz neuer Funktionen und hoher Übertragungsgeschwindigkeit immer noch kompatibel.
Der nächste Schritt geht dahin, dass man Festplatten direkt an PCIe anschließen kann. Somit wird die Schnittstellen-Vielfalt innerhalb eines PCs langsam weiter abnehmen.

Zukünftige Entwicklungen

Langfristig lassen sich die physikalischen, elektrischen und mechanischen Probleme nur mit einer rein optischen Signalübertragung umgehen. Allerdings macht die Integration von Lasern und anderen optischen Bauelementen auf Leiterplatten und Standard-CMOS-Chips Probleme.
Deshalb gehört parallel geschaltete, paketorientierten seriellen Schnittstellen vorerst die Zukunft.