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Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

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Netzwerktechnik-Fibel

Die Netzwerktechnik-Fibel

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Schnittstellen (Computer)

Schnittstelle
Eine Schnittstelle verbindet Systeme, die unterschiedliche physikalische, elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen. Die Definition oder Spezifikation einer Schnittstelle enthält gemeinsame Eigenschaften. Dazu gehört auch ein Protokoll für die Kommunikation und den Datenaustausch.
Schnittstellen befinden sich überall dort, wo unterschiedliche Systeme miteinander verbunden werden müssen. Die Schnittstellen bilden den Übergang von einem System in ein anderes System. Dieser Übergang kann zur Kommunikation oder dem Datenaustausch verwendet werden.

Die Standardisierung von Schnittstellen ermöglicht die Verbreitung kooperierender Systeme und die Automatisierung elektronischer und digitaler Systeme. Besonders in der Computertechnik sind Schnittstellen weit verbreitet. Auch in der Kommunikations- und Netzwerktechnik kommen standardisierte Schnittstellen häufig vor.
Während die Computerindustrie in ihrer Anfangszeit für jede Anwendung eine eigene Schnittstelle entwickelt und standardisiert hat, geht der Trend in Richtung Universal-Schnittstellen. Zum Beispiel USB und PCIe. Ein weiterer Trend sind Meta-Schnittstellen, die mehrere Schnittstellen in einer vereinen. Beispielhaft soll hier Thunderbolt genannt werden, dass DisplayPort und PCIe in einem Kabel vereint.
Die Spezifikation einer Schnittstelle enthält Informationen über Übertragungsgeschwindigkeiten, Übertragungsverfahren, Schnittstellenleitungen, dem Stecker, der Buchse oder Steckerleiste und deren Belegung. Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, dass verschiedene Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden können.

Interne und externe Schnittstellen

Ein Computer hat interne Schnittstellen, die sich im Computer-Gehäuse befinden und externe Schnittstellen, die aus dem Computer-Gehäuse herausgeführt sind.
Interne Schnittstellen verbinden Systeme innerhalb eines Computers. Diese Schnittstellen werden meist auf dem Motherboard als Sockel oder Slot herausgeführt. Dort werden dann Erweiterungskarten direkt oder interne Laufwerke über Kabel angeschlossen. Einige andere Schnittstellen werden nicht herausgeführt, sondern befinden sich auf der Hauptplatine zwischen den einzelnen Controllern.
Externe Schnittstellen werden aus dem Computer-Gehäuse herausgeführt. Sie verbinden Systeme oder Peripherie-Geräte mit dem Computer. Die Verbindung wird mit einer Kombination aus Stecker und Buchse realisiert.

Brücke / Bridge

Schnittstelle (Brücke / Bridge)
Sind zwei Systeme zueinander inkompatibel und eine gemeinsame Schnittstelle nicht möglich, dann setzt man eine Brücke (Bridge) zwischen die beiden Systeme. Die Brücke sorgt dafür, dass Signale, Protokolle und Übertragungssysteme konvertiert werden. Aus diesem Grund bezeichnet man eine Brücke manchmal auch als Konverter.

Beispiel für eine Brücke: PCI-to-ISA-Bridge

Beispiel PCI-to-ISA-Bridge
Der alte PCI-Bus diente lange Zeit zum Einbinden von Erweiterungskarten in ein Computersystem. Aus Kompatibilitätsgründen musste der noch ältere und langsamere ISA-Bus ebenfalls unterstützt werden. Dazu hat man eine PCI-to-ISA-Bridge verwendet, die auf dem Motherboard oder im Chipsatz ein PCI-Device darstellte. Innerhalb befand sich ein ISA-Host, aus dem der ISA-Bus herausgeführt wurde und somit die Möglichkeit bestand auch ältere ISA-Karten in ein Computersystem einzubauen.

Beispiele für externe Schnittstellen eines Computers

Beispiele für externe Schnittstellen

Alte Computer-Schnittstellen und Bussysteme

Schnittstelle Taktfrequenz Signaladern Verbindung und Verfahren max. Transferrate
PCI 32 Bit 33 MHz 32 Bus, halbduplex 133 MByte/s
66 MHz 32 Bus, halbduplex 266 MByte/s
PCI 64 Bit 33 MHz 64 Bus, halbduplex 266 MByte/s
66 MHz 64 Bus, halbduplex 512 MByte/s
PCI-X 66 66 MHz 64 Bus, halbduplex 512 MByte/s
PCI-X 100 100 MHz 64 Bus, halbduplex 768 MByte/s
PCI-X 133 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, SDR 1 GByte/s
PCI-X 2.0 266 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, DDR 2 GByte/s
PCI-X 2.0 533 133 MHz 64 P-to-P, halbduplex, QDR 4 GByte/s
AGP 1X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, SDR 266 MByte/s
AGP 2X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, DDR 512 MByte/s
AGP 4X 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, QDR 1 GByte/s
AGP 8X (AGP 3.0) 66 MHz 32 P-to-P, halbduplex, ODR 2 GByte/s
FireWire 400 (IEEE 1394a) 400 MHz 4 Bus, halbduplex 50 MByte/s
FireWire 800 (IEEE 1394b) 800 MHz 4 Bus, halbduplex 100 MByte/s
FireWire 1600 (IEEE 1394b) 1,6 GHz 4 Bus, halbduplex 200 MByte/s

Aktuelle Computer-Schnittstellen und Bussysteme

Schnittstelle Taktfrequenz Signaladern Verbindung und Verfahren max. Transferrate
PCI Express 1.0 x1 1,25 GHz 4 P-to-P, vollduplex 250 MByte/s
PCI Express 1.0 x16 1,25 GHz 64 P-to-P, vollduplex 4 GByte/s
PCI Express 2.0 x1 2,5 GHz 4 P-to-P, vollduplex 500 MByte/s
PCI Express 2.0 x16 2,5 GHz 64 P-to-P, vollduplex 8 GByte/s
PCI Express 3.0 x1 4 GHz 4 P-to-P, vollduplex 1 GByte/s
PCI Express 3.0 x16 4 GHz 64 P-to-P, vollduplex 16 GByte/s
USB 1.1 12 MHz 2 Bus, halbduplex 1,5 MByte/s
USB 2.0 480 MHz 2 Bus, halbduplex 60 MByte/s
USB 3.0 5 GHz 7 Bus, halbduplex 300 MByte/s
USB 3.1 10 GHz 7 Bus, halbduplex 800 MByte/s
Thunderbolt 1.0 (10 GBit/s)     Bus, vollduplex 1,25 GByte/s
Thunderbolt 2.0 (20 GBit/s)     Bus, vollduplex 2,5 GByte/s

Wie sind die angegebenen Übertragungsraten von Schnittstellen und Bussystemen zu interpretieren?

Für Laien ist es sehr schwer, die Angaben zur maximalen Datentransferleistung von Schnittstellen und Bussystemen richtig zu interpretieren.
Diese Angaben gelten selten für die reine Datenübertragung, sondern eher im sogenannten Burst-Modus, bei dem die Daten lückenlos aneinander gereiht werden. Doch einige Taktzyklen eines Datentransfers unterliegen einem Protokoll-Overhead, den man von den meisten Geschwindigkeitsangaben abziehen muss, um auf die tatsächliche Datentransferleistung zu kommen. Das heißt, es gibt eine Brutto-Geschwindigkeit und eine Netto-Geschwindigkeit. Und das ist auch nur die halbe Wahrheit, denn die praktisch mögliche Geschwindigkeit ist von den Leistungsmerkmalen und Fähigkeiten der beteiligten Controller abhängig ist.
Und dann ist da noch der Umstand, dass viele PC-Komponenten nicht schnell genug arbeiten, um die maximal verfügbare Datentransferrate ausnutzen zu können. Trotzdem haben schnelle Schnittstellen Geschwindigkeitsvorteile. Neue Schnittstellen werden meist nach ein paar Jahren der Optimierung und der Nutzung mit neuen Anwendungen ausgereizt, so dass eine neue Stufe der Geschwindigkeitssteigerung erklommen werden muss.

Wie sicher sind Schnittstellen?

Fast alle Peripheriegeräte und Computer-Zubehör sind mit bidirektionaler Kommunikation ausgestattet. Das heißt, zwischen Peripherie und Host-Computer findet eine Kommunikation in beide Richtungen statt. Gleichzeitig werden die Funktionen der Peripherie nicht in Hardware realisiert, sondern durch Software ersetzt, die jederzeit geändert werden kann. Zum Beispiel durch ein Firmware- oder Treiber-Update. Das heißt, dass jedes Peripherie-Gerät immer eigenständiger wird. Das heißt aber auch, dass jedes Gerät angreifbar ist und somit zu einer Bedrohung für den Host-Computer werden kann.

Ein Beispiel: PCI Express erlaubt den direkten Zugriff auf den Speicher per Direct Memory Access (DMA). Denkbar wäre es, dass ein Angreifer das nutzt, um Schadcode einzuschleusen oder Daten abzugreifen. Nun ist der PCI Express klassischerweise eine interne Schnittstelle für Erweiterungskarten. Ein Angreifer müsste sich also physikalischen Zugriff und Eingriff auf bzw. in die Maschine verschaffen. Dieses Szenario ist denkbar aber in der Praxis eher unwahrscheinlich. Aber, eine externe Schnittstelle wie Thunderbolt ermöglicht den Zugriff auf einen Speicher per PCI Express. Somit ist ein Angriff auf einen Rechner möglich, ohne ihn zu öffnen.

Ein weiteres Beispiel: USB-Peripherie wird in der Regel per Plug and Play in einem Computer eingebunden. Das heißt, der notwendige Treiber wird in der Regel automatisch initialisiert und bei Bedarf vorher installiert. Das heißt aber auch, dass der Nutzer keine Kontrolle über die Funktion dieser Peripherie hat. Der Anwender bekommt nicht mit, ob der eingesteckte USB-Stick neben dem eingebundenen Speicher auch noch andere Funktionen initialisiert. Beispielsweise das Ausführen von Schadcode oder die Aufzeichnung von Tastatureingaben.

Interne Schnittstellen für Erweiterungskarten

Interne Schnittstellen für Massenspeicher und Laufwerke

Alte externe Schnittstellen (Legacy)

Externe Schnittstellen für Peripherie

Externe Schnittstellen für Notebooks

Externe Schnittstellen für Bildschirme und Monitore

Hochgeschwindigkeitsschnittstellen

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