Computer-Schnittstellen

Eine Schnittstelle verbindet Systeme, die unterschiedliche physikalische, elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen. In jedem elektronischen System sind definierte Schnittstellen eine Voraussetzung für die Interoperabilität mit anderen Systemen, Geräten und Baugruppen. 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 Spezifikation einer Schnittstelle definiert gemeinsame Eigenschaften. Dazu gehört auch ein Protokoll für die Kommunikation und den Datenaustausch.

Die Standardisierung von Schnittstellen ermöglicht die Verbreitung kooperierender Systeme und die Automatisierung elektronischer und digitaler Systeme. Besonders in der Computertechnik sind Schnittstellen weit verbreitet, um unterschiedliche Geräte und Baugruppen zur Eingabe, Ausgabe und Verarbeitung miteinander zu verbinden. Auch in der Kommunikations- und Netzwerktechnik kommen standardisierte Schnittstellen häufig vor.
Während die Computer-Industrie 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 gemeinsam in einer Schnittstelle vereinen. Beispielsweise der USB, der verschiedene USB-Signale und z. B. DisplayPort in einem USB-C-Kabel vereint.

Schnittstelle

Die Spezifikation einer typischen Computer-Schnittstelle enthält Informationen über

  • Übertragungsgeschwindigkeiten
  • Übertragungsverfahren
  • Schnittstellenleitungen
  • Steckerverbindung (Stecker und Buchse) oder Steckerleiste und deren Belegung

Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, dass verschiedene Geräte oder Systeme 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.

Beispiel: Externe PC-Schnittstellen (2018)

Beispiele für externe Schnittstellen

Beispiel: Externe PC-Schnittstellen (2020)

Beispiele für externe Schnittstellen

Brücke / Bridge

Schnittstelle (Brücke / Bridge)

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

Beispiel PCI-to-ISA-Bridge

Wie das funktioniert, kann man am einer PCI-to-ISA-Bridge verdeutlichen. 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. Darin 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.

Aktuelle Computer-Schnittstellen im Vergleich

Schnittstelle Transferrate (brutto) Transferrate (Praxis)
USB 1.0/1.1 1,5 MBit/s 0,15 MByte/s
12 MBit/s 1 MByte/s
USB 2.0 480 MBit/s 36 bis 44 MByte/s
USB 3.2 Gen 1 (USB 3.0) 5 GBit/s 480 MByte/s
USB 3.2 Gen 2 (USB 3.1) 10 GBit/s ca. 800 MByte/s
USB 3.2 Gen 2x2 (USB 3.2) 20 GBit/s ca. 1.600 MByte/s
USB4 (Gen 3x2) 40 GBit/s  
WLAN IEEE 802.11ac 433 MBit/s ca. 50 MByte/s
Gigabit Ethernet 1 GBit/s ca. 110 MByte/s
SATA 6G 6 GBit/s ca. 560 MByte/s
PCI Express 3.0 x1 8 GBit/s ca. 1 GByte/s
PCI Express 4.0 x1 16 GBit/s ca. 2 GByte/s
Thunderbolt 2 (PCIe-2.0-x4) 20 GBit/s ca. 1,25 GByte/s
Thunderbolt 3 (PCIe-3.0-x4) 40 GBit/s ca. 2,5 GByte/s

Legacy-Schnittstellen

Legacy steht für „Erbe" und bedeutet soviel wie veraltet bzw. überholt. Legacy-Schnittstellen gibt es in der Computertechnik sehr viel. Der Grund ist, dass viele Peripheriegeräte oftmals ihre eigene Schnittstelle hatten. Heute gibt es fast nur noch USB, HDMI und verschiedene Varianten mit PCIe und SATA.

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 Transferleistung 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.
Und dann ist da noch der Umstand, dass viele PC-Komponenten nicht schnell genug arbeiten, um die maximal verfügbare Transferrate ausnutzen zu können. Trotzdem haben schnelle Schnittstellen Vorteile. Neue Schnittstellen werden meist nach ein paar Jahren der Optimierung und der Nutzung mit neuen Anwendungen ausgereizt, so dass die Geschwindigkeit erneut gesteigert 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

Schnittstellen für Massenspeicher und Laufwerke

Externe Schnittstellen für Peripherie

Multimedia-Schnittstelle

Multimedia-Schnittstelle sind in der Regel externe Schnittstellen für Bildschirme und Monitore zur Ausgabe und Wiedergabe von Audio- und Video-Daten.
Hier hat HDMI aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik SCART, VGA und DVI abgelöst. DisplayPort findet man häufig an Grafikkarten und PCs, aber seltener an Notebooks. Außer an Apple-Geräten. Hier fehlt HDMI in der Regel. Manche besonders flache Notebooks haben nur USB-C-Ports, über die die Ausgabe von HDMI- und DisplayPort-Signalen erfolgt.

Funk-Schnittstellen

Bei Funk-Schnittstellen ersetzt eine Funktechnik die Kabelverbindung zwischen einem Computer und dem Peripherie-Gerät.
Der feuchte Traum der visionären Computer-Hersteller sieht vor, dass für die Datenübertragung alle Kabelverbindungen abgeschafft werden.
Nachteilig ist, dass Funkverbindungen generell langsamer und störanfälliger sind.

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

Alles was Sie über Computertechnik wissen müssen.

Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Das will ich haben!

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

Alles was Sie über Computertechnik wissen müssen.

Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Das will ich haben!