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Archive-name: de/comp/hardware/cpu+mainboard/kapitel_5
Posting-frequency: monthly Last-modified: 2005-07-26 URL: http://dch-faq.de/kap05.html Disclaimer: Approval for *.answers is based on form, not content. See reader questions & answers on this topic! - Help others by sharing your knowledge 5. Schnittstellen und Busse auf Mainboards
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Wozu ist ein Mainboard �berhaupt da? Ein Mainboard hat verschiedene
Aufgaben. Auf ihm wird die CPU installiert, Hauptspeicher zur
Verf�gung gestellt, aber vor allem erf�llt es einen Sinn: Es
verbindet alle Komponenten und stellt die Grundlage f�r alle
n�tigen Erweiterungen dar. Auf dem Mainboard werden die
verschiedensten Typen von Ger�ten angeschlossen, von der einfachen
Maus bis zur Hightech SCSI-Festplatte. F�r viele der Ger�te
brauchte man fr�her einzelne Controller, heutzutage regelt das
Allermeiste der Chipsatz des Mainboards, welcher detaillierter im
Kapitel 2 betrachtet wird. Deswegen geht es in diesem Kapitel
um die vielen Schnittstellen, die auf den Mainboards zu finden
sind.
Die anzuschlie�enden Ger�te werden in der Regel �ber Stecker und
Buchsen an die Mainboards angeschlossen. Bei den Steckern verwendet
man h�ufig die englischen Begriffe f�r die 2 Arten von Steckern:
'Male' und 'Female'. Die Begriffe bedeuten 'm�nnlich' bzw.
'weiblich'. Ein 'Male'-Anschluss hat demnach Pins und wird
richtigerweise als 'Stecker' bezeichnet, ein 'Female'-Anschluss hat
Aussparungen und wird kurz als 'Buchse' bezeichnet.
Viele Schnittstellen sind nicht f�r Hot-Plugging, also das
An-/Abstecken im laufenden Betrieb geeignet. Dass dieser Fakt f�r
die meisten internen Schnittstellen, wie PCI oder AGP, gilt, d�rfte
sofort klar sein, aber auch viele externe Schnittstellen, wie
AT-Keyboard, PS/2 und LPT k�nnen dabei besch�digt werden. Anders ist
es bei USB, FireWire, SATA und Netzwerk-Anschl�ssen. Diese
Schnittstellen sind extra daf�r ausgelegt, Hot-Plugging zu
unterst�tzen. Der COM-Port ist eigentlich auch nicht f�r Hot-Plugging
geeignet, aber die Treiberbausteine sind relativ robust. Wenn man
also gar nicht auf das Hot-Plugging verzichten kann, so sollte man
darauf achten, dass die beiden zu verbindenden Ger�te auf dem selben
elektrischen Erdpotential sind. Bei Ger�ten wie Modems erreicht man
das, indem das Modem nicht eingeschaltet ist, wenn man die Verbindung
herstellt. M�chte man mit einem Notebook an einem Server andocken,
so sollte das Notebook im Akkubetrieb laufen.
Bei den Schnittstellen gibt es elektrisch gesehen 2 verschiedene
�bertragungsm�glichkeiten f�r Daten: seriell und parallel. Bei der
seriellen �bertragung werden die Bits (also die Einsen und Nullen)
nacheinander �bertragen. Bei paralleler �betragung werden mehrere
Bits gleichzeitig �bertragen, wobei es keine grunds�tzliche Regel
gibt, wieviele Bits gleichzeitig �bertragen werden. G�ngig sind
jedoch parallele �bertragungen mit 4, 8, 16, 32 und 64 Bit oder
mehr gleichzeitig.
Die Computerwelt redet davon, jeder will sie. Geht es um die
"Bandbreite", bekommen viele User ob der ihnen vorgestellten Zahlen
feuchte Augen.
Nicht nur in diesem Kapitel wird man h�ufig mit den Zahlen um
"Bandbreite", "maximale �bertragungsrate" etc. konfrontiert. Das
bedeutet aber nicht, dass diese Zahlen in der Praxis auch Realit�t
werden: die �bertragene Menge an Daten h�ngt eben sowohl von der
Schnittstelle als auch von dem angeschlossenen Ger�t ab, weshalb
die Zahlen zu relativieren sind. Angegeben werden jeweils nicht
reale MegaByte pro Sekunde, sondern die Bandbreite, die sich aus
Takt multipliziert mit der Busbreite ergibt.
5.1 Seriell (RS-232, IrDA)
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Alle Spielarten und Aspekte der seriellen Schnittstelle in der FAQ
aufz�hlen zu wollen w�re beinahe vermessen - so gro� ist die
Vielfalt dieses Ports! Deshalb soll an dieser Stelle lediglich eine
kurze Einf�hrung gegeben werden.
5.1.1 RS-232 (COM-Ports)
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Der serielle Port nach dem Standard RS-232 kommt haupts�chlich in 2
verschiedenen Varianten vor: als D-25 Pin Stecker, und im D-9 Pin
Stecker, welcher noch h�ufig bei seriellen M�usen und Modems
anzutreffen ist. Der Standard-PC ist meist mit 2 COM-Ports (die
Bezeichnung "COM-Port" stammt noch aus Zeiten, in denen das
PC-Betriebssystem schlechthin DOS war, bei dem serielle
Schnittstellen COMx hie�en) ausgestattet, welche �blicherweise
die Interrupts 3 und 4 belegen, sofern diese nicht abgeschaltet
sind.
Die Vorteile der RS-232-Schnittstelle sind auch heute immer noch
gegeben:
- Kabel f�r serielle Ports k�nnen wesentlich l�nger sein als solche
f�r parallele Ports, welches mit der maximalen Spannungsamplitude
zusammenh�ngt. Diese betr�gt bei RS-232 bis zu 50V (-25V bis
25V; im Regelfall sind es nur -12V bis +12V), bei IEEE-1284
(LPT) jedoch nur 5V (0V bis 5V).
- Es sind weniger Dr�hte im Kabel erforderlich als beim parallel
Port. Im g�nstigsten Fall eines Null-Modems brauch man bei
serieller �bertragung 3 Dr�hte, f�r parallele �bertragung jedoch
19 oder 25 Dr�hte pro Kabel.
- Die Pin-Outs zur Bereitstellung der seriellen Schnittstelle vom
Chipsatz her sind ebenfalls wesentlich g�nstiger als f�r die
parallele Schnittstelle. F�r RS-232 werden nur 2 Leitungen
ben�tigt (Senden, Empfangen), w�hrend IEEE-1284 8 Leitungen
braucht, legt man eine 8 Bit �bertragung zu Grunde.
- Auch Infrarot-Ger�te (IrDA) werden �ber die serielle
Schnittstelle implementiert. Hier kann man sich eine parallele
�bertragung gar nicht vorstellen - wie soll ein optischer
Receiver 8 gleichzeitig ankommende Datenbits (bei gleicher
Wellenl�nge) auseinander halten? Hier ist eine serielle
Daten�bertragung somit zwingend notwendig (zu IrDA siehe Kapitel
5.1.2).
Ein wichtiger Bestandteil ist der UART-Controller (Universal
Asynchronous Receiver/Transmitter), der heute in jeder seriellen
Schnittstelle vorhanden ist. Die ersten verbauten UARTs wurden nach
der Norm UART 8250 gebaut, heute findet man nur noch UARTs nach
UART 16550 oder neuer.
Was macht also ein UART-Controller?
- Konvertierung von parallel ankommenden Daten in einen seriellen
Einzelbit-Datenstrom und vice versa bei der Ausgabe von Daten
- Hinzuf�gen und �berpr�fen von Parity-Bits zur besseren
Datenkontrolle
- Abhandlung der Interrupts (z.B. von Maus und Tastatur, sofern
angeschlossen)
- Bei UART 8250 und UART 16450: Einzelbyte-Puffer, kombiniert mit
der FIFO-Technik (FIFO: first in first out)
- Ab UART 16550: 16 Byte Puffer mit FIFO; funktionierte aber erst
ab UART 16550A und h�heren Versionen
Massenhaft weitere Infos zur seriellen Schnittstelle gibt es bei
http://www.beyondlogic.org/serial/serial.htm
http://www.usr.com/support/s-cour/s-cour-docs/10589.htm (UART & FIFO)
5.1.2 IrDA
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Einen besonderen Abk�mmling der seriellen Schnittstelle stellt IrDA
dar. IrDA ist eine Schnittstelle, die Daten mittels Infrarot-Licht
�ber kurze Distanzen �bertragen kann. IrDA (genauer: IrDA DATA) wurde
bereits 1994 als Standard definiert, hielt aber nur sehr z�gerlich
Einzug in die Systeme. Das hatte verschiedene Ursachen, wie etwa die
langsame Unterst�tzung durch die Betriebssysteme, fehlende
Anwendungen und nat�rlich kaum vorhandene unterst�tzte Hardware.
Viele Boardhersteller brachten dann auf den Platinen zwar
IrDA-Anschl�sse mit, legten jedoch denn n�tigen Pfostenstecker aus
Kostengr�nden nicht bei; lediglich bei Notebooks hielt IrDA relativ
schnell Einzug. Heutzutage fristet IrDA im PC-Bereich (nicht aber
bei Handys und PDAs) weiterhin eher ein Mauerbl�mchendasein, und
Kenner des Schnurlos-Genres haben ob der Einf�hrung von Bluetooth
(siehe Kapitel 5.18) den Untergang von IrDA schon fest beschlossen.
Weiteres Ungemach brachten die Microsoft-BS Windows ME und 2000 mit
sich: Microsoft �nderte fluchs die Protokolle, und vor allem Besitzer
von Nokia-Handys standen mit einem Mal im Regen, da der Datenaustausch
bzw. das mobile Surfen nicht mehr m�glich war. Das ist laut Microsoft
aber mitlerweile durch Patches behoben.
Trotz der schlechten Meldungen lesen sich die technischen Daten von
IrDA gar nicht so schlecht; Hauptmanko gegen�ber Bluetooth bleibt
nat�rlich der bei IrDA n�tige "Sichtkontakt" von Sender und Empf�nger.
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 erl�utert werden:
IrDA DATA:
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IrDA DATA wurde so konzipiert, dass optionale Protokolle zwar m�glich
sind, jedoch drei Protokolle zwingend zur Verwendung vorgeschrieben
sind, um Kompatibilit�t zu erm�glichen. Die zwingenden Protokolle
sind:
1. PHY (Physical Signaling Layer):
- Definiert die Mindestreichweite von 1m bei kontinuierlichem
Betrieb; typischerweise werden aber meist 2m zwischen zwei
Standard-Ger�ten erreicht. Im vorgesehenen Low-Power-Betrieb
werden Reichweiten von 20cm zwischen zwei Low-Power-Ger�ten bzw.
30cm zwischen einem Low-Power- und einem Standard-Ger�t erreicht.
Dadurch kann der Stromverbrauch auf bis zu ein Zehntel reduziert
werden.
- Bi-direktionale Communication zwingend vorgeschrieben.
- Bandbreite von 9.6KBit/s (1.2KB/s) bis tyischerweise 115.2KBit/s
(14.4KB/s). Das theoretische Maximum liegt bei 4MBit/s (500KB/s).
- Die Datenpakete werden gesch�tzt mittels CRC-Technik (CRC-16 bis
1.152MBit/s und CRC-32 bis 4MBit/s).
2. IrLAP (Ir Link Access Protocol):
- Erm�glicht die Ger�t-zu-Ger�t Verbindung f�r einen zuverl�ssigen
und geordneten Datenstrom.
- Definiert die Ger�te-Erkennungs-Prozedur.
3. IrLMP (Ir Link Management Protocol):
- Erm�glicht ein Multiplexing des IrLAP Layer und stellt mehrere
Kan�le f�r eine IrLAP-Verbindung bereit.
- Behandelt die Protokoll- und Ger�te-Erkennung �ber den
Information Access Service (IAS).
Optionale IrDA DATA Protokolle:
1. Tiny TP: Definiert eine Art Fluss-Kontrolle f�r IrLMP und
erm�glicht ein optionales Splitten und Zusammenf�gen von
Datenpaketen.
2. IrCOMM: Liefert die COM-Port (Seriell und parallel) Emulation f�r
Legacy-COM Anwendungen, Drucker und Modems.
3. IrOBEX: Definiert einen Object Austausch Service (vergleichbar zu
HTTP).
4. IrDA Lite: Definiert eine Methode, mit der die Gr��e des
IrDA-Codes reduziert werden kann (eine Art Kompression), ohne die
Kompatibilit�t zu gef�hrden.
5. IrTran-P: Liefert ein Bild-Austausch Protokoll, welches in
Digitalcameras und anderen Digital-Ger�ten zur Bildaufnahme
Verwendung findet.
6. IrMC: Spezifikation, mit der definiert wird, wie mobile Telefone
und andere Kommunikationsger�te Informationen austauschen k�nnen.
Das schlie�t Daten wie Telefonb�cher, Kalender und Kurznachrichten
ein.
7. IrLAN: Beschreibt ein Protokoll, welches drahtlosen Zugang zum LAN
mittels IR erm�glicht.
Der IrDA DATA Hardware/Protokoll Stack sieht demnach folgenderma�en
aus:
.------------+---------+-------+--------+------.
| IrTran-P | IrOBEX | IrLAN | IrCOMM | IrMC |
+--------+---+---------+-------+--------+------+
| LM-IAS | Tiny Transport Protokoll - Tiny TP |
+--------+-------------------------------------+
| Ir Link Mgmt - MUX - IrLMP |
+----------------------------------------------+
| Ir Link Access Protokol - IrLAP |
+-----------------+----------------+-----------+
| Async Serial-IR | Sync Serial-IR | Sync 4PPM |
| 9.6-115.2KBit/s | 1.152KBit/s | 4MBit/s |
`-----------------+----------------+-----------�
IrDA CONTROL
------------
IrDA CONTROL (erst 1998 definiert) stellt einen Infrarot
Kommunikations-Standard dar, der es drahtlosen Ger�ten wie Keyboards,
M�usen, Game Pads, Joysticks, etc. erlaubt, mit verschiedenen Arten
von intelligenten IrDA Host-Ger�ten zu kommunizieren. Host-Ger�te 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.
1. PHY (Physical Layer):
- Reichweite von mindestens 5m.
- Bi-direktionale Daten�bertragung vorgeschrieben.
- Maximale Bandbreite von 75KBit/s (9.4KB/s).
- Datencodierung mittels einer 16-Pulse Sequence, vervielf�ltigt
durch einem 1.5MHz Subcarrier, welcher im IEC 1603-1 Band-Schema
beschrieben ist.
- Datenschutz durch CRC (CRC-8 f�r kurze Pakete und CRC-16 f�r
lange Pakete). PHY ist optimiert f�r geringe Stromaufnahme und
kann in Low-Cost Hardware implemetiert werden.
2. MAC (Media Access Control):
- Elaubt dem Host-Ger�t mit bis zu 8 anderen Ger�ten simultan zu
kommunizieren.
- Sichert eine schnelle Antwortzeit (13.8ms Basis Polling-Rate) und
geringe Latenz.
3. Asymmetric MAC:
- Steuert die dynamische Zuordnung und damit die Wiederverwendung
bereits verwendeter Ger�te-Adressen.
4. LLC (Logic Link Control):
- Enth�lt die Zuverl�ssigkeits-Features wie Datensequenzierung und
erneute �bermittlung, wenn z.B. Fehler detektiert wurden.
- Arbeitet mit einer HID-IrDA CONTROL Bridge, um die Link-Control
Funktionen von USB-HID nachzubilden bzw. zu verwenden.
Wer sich ausgiebig mit IrDA besch�ftigen m�chte, sollte auf der
Webseite von IrDA f�ndig werden: http://www.irda.org liefert kostenlos
alle n�tigen Spezifikationen.
5.2 AT-Tastatur
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Die AT-Tastatur-Schnittstelle z�hlt ebenso wie die RS-232 zu den
�lteren im Feld der Anschlussarten. Der auch als DIN-Keyboardstecker
bekannte Anschluss hat nur 5 Pins, im Vergleich zum folgenden PS/2
Stecker mit 6 Pins. Die AT-Tastatur ben�tigt einen Interrupt, meist
wird IRQ 1 verwendet. Das verwendete Datenprotokoll unterst�tzt
bidirektionale �bertragung und ist bei DIN und PS/2 identisch,
weshalb man DIN-Tastaturen auch via Adapter an einem PS/2-Anschluss
verwenden kann.
Eine Besonderheit stellt die Stromversorgung da: sie ist auf 300mA
limitiert, so dass es hier h�ufig zu Problemen kommt, wenn �ber den
Port viel Strom abgegeben werden soll.
Belegung des Anschlusses:
http://www.hardwarebook.net/connector/userinput/keyboardpc5.html
5.3 PS/2-Anschl�sse
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IBM entwickelte in den sp�ten 80er Jahren eine neue PC-Generation:
PS/2 (Personal System/2, dort liegen auch die Wurzeln des
Betriebssystems OS/2). Neu waren damals der VGA-Grafikadapter (zu
dem heutige PC-Grafikkarten immer noch - bis auf Registerebene! -
kompatibel sind), der schon lange nicht mehr verwendete
Microchannel-Bus (siehe 5.6) und die Anschl�sse f�r Tastatur (das
Protokoll war aber gegen�ber dem AT nicht ver�ndert worden) und Maus
(mit neuem Protokoll). Die letzteren Zwei wurden in dem ATX-Standard
aufgenommen und werden daher immer noch verwendet.
Der PS/2-Anschluss am Motherboard ist ein 6 Pin Buchse. Auch
die PS/2 Maus und Tastatur brauchen einen Interrupt, meist sind
dies die IRQs 12 bzw. 1. Die Daten�bertragung erfolgt bei Maus und
Tastatur �hnlich, und zwar jeweils mit einem synchronen seriellen
Protokoll. Die Schnittstelle unterst�tzt dabei bi-direktionale
Daten�bertragung. Das urspr�ngliche Mausprotokoll unterst�tzt nur 2
Maus-Tasten, wurde jedoch von Logitech soweit erweitert, dass auch
3-Tasten-M�use ihre Verwendung finden.
Die Standard PS/2 Maus hat eine Aufl�sung von 160 CPI (Counts Per
Inch), welche jedoch per Software auf 40, 80, 160 oder 320 CPI
umgestellt werden kann. Die maximale Abtastrate betr�gt 40
reports/second * 255 counts/report = 10220 counts/second. F�r eine
100 CPI Maus h�tte man somit eine Abtastgeschwindigkeit von 102
inches/second, f�r eine 400 CPI Maus jedoch nur von 25.2
inches/second.
Die Belegung der PS/2-Anschl�sse:
Tastatur:
http://www.hardwarebook.net/connector/userinput/keyboardpc6.html
Maus:
http://www.hardwarebook.net/connector/userinput/ps2mouse.html
5.4 Parallelport / Centronics-Schnittstelle (LPT/SPP/EPP/ECP)
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Der Parallel-Port (LPT, Line Printer) ist wohl immer noch der
meistgenutzte Drucker-Anschluss bei PCs, obwohl ihm vom USB (und
bald auch von BlueTooth) nach und nach der Rang ablaufen wird.
Der Parallel-Port im eigentlichen Sinn ist jedoch mehr als nur
ein Drucker-Port, sondern wie die meisten Schnittstellen ein
multifunktionelles Interface. Seine Basis-Adresse liegt
normalerweise an der Adresse 378h oder 278h. Die au�erdem
m�gliche Adresse 3BCh unterst�tzt jedoch standardm��ig kein ECP.
Ein Interrupt wird ebenfalls ben�tigt, dieser liegt in der Regel
auf IRQ 5 oder 7. Ist ECP aktiviert, wird normalerweise auch ein
frei w�hlbarer DMA-Kanal (0-5) ben�tigt.
Der heutige Parallel-Port geht aus der IEEE-1284 Spezifikation
hervor, die 1994 in Kraft trat. Am PC ist der Parallel-Port durch
einen D-25 Buchse nach au�en gef�hrt.
Laut IEEE-1284 gibt es prinzipiell 5 �bertragungsmodi, die der
Parallel-Port beherrschen kann:
1. Compatibility Mode
2. Nibble Mode
3. Byte Mode (PS/2 Mode)
4. EPP Mode (Enhanced Parallel Port)
5. ECP Mode (Extended Capabilities Port)
Der Compatiblity Mode (auch "Centronics Mode") kann nur Daten
senden, typischerweise mit 50 KB/s, in Ausnahmef�llen auch mit mehr
als 150 KB/s. Um Daten zu empfangen muss der Controller auf Nibble
oder Byte Mode umstellen. Im Nibble Mode werden dabei 4 Bit Pakete
empfangen ("Nibbles"), w�hrend im Byte Mode die Bi-Direktionalit�t
zum Zuge kommt und die Daten byte-weise (8 Bit) �bertragen werden.
Die bi-direktional f�higen Parallel-Ports bezeichnet man als SPP
(Standard Parallel Port).
Vom EPP gibt es bereits mehrere Standards: EPP 1.7 entspricht im
weitesten dem SPP. Die Sende-Richtung kann bereits via Control-Bits
umgekehrt werden, jedoch gibt es kein Time-out Bit. EPP 1.9 ist eine
Weiterentwicklung von EPP 1.7 und unterscheidet sich im Wesentlichen
durch das nun vorhandene Time-out Bit.
ECP ist auch abw�rtskompatibel zu SPP. Namesgebend sind hier die
erweiterten Port Protokolle bzw. Register. Ist ECP aktiviert, liegen
an der Adresse Basisadresse + 0x400h ein ganzer Satz neuer Register
vor. Diese neuen Control-Register dienen zur Identifikation des
�bertragungsmodus (Bit 7-5), sowie zum Aktivieren von
- ECP Interrupt Bit (Bit 4)
- DMA Enable Bit (Bit 3)
- ECP Service Bit (Bit 2)
- FIFO full (Bit 1)
- FIFO empty (Bit 0)
Viele Infos zum Parallel-Port gibt es unter
http://www.beyondlogic.org/spp/parallel.htm
http://www.beyondlogic.org/epp/epp.htm
http://www.beyondlogic.org/ecp/ecp.htm
http://www.lvr.com/parport.htm
5.5 ISA
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ISA (Industry Standard Architecture) war lange Zeit der PC-
Standardbus schlechthin. Er entstand aus dem 8-Bit-Bus des IBM PC
und PC-XT, der zuerst mit 4.77, sp�ter mit bis zu 8 MHz getaktet
wurde. Mit der Einf�hrung des IBM AT (1984) wurde der XT-Bus zum
16-bittigen AT-Bus erweitert; daher ist der ISA-Stecker auch
zweiteilig - auf dem hinteren Teil finden sich die Leitungen f�r die
restlichen 8 Daten- und 4 Adressbits (der in PC und XT eingesetzte
8088 sowie der 8086 hatten nur 20 Adressleitungen, der 80286 dagegen
24). Sp�ter wurde der mit dem AT-Bus bis auf wenige Ausnahmen
identische ISA-Bus standardisiert, mit einem maximalen Takt von 8
MHz. (Anf�nglich hatte es Systeme gegeben, die den Bus h�her
takteten, was aber nicht alle Karten vertrugen.) Etwa 1993 wurde
ISA-Plug'n'Play eingef�hrt (Plug'n'Play steht f�r automatische
Konfiguration der Karten durch das BIOS bzw. Betriebssystem), welches
jedoch des �fteren eher als "Plug'n'Pray" angesehen wurde - manchmal
funktionierte es eben, manchmal nicht.
Technische Informationen zu ISA (inklusive Busmastering, s.u.):
http://www.embeddedlinks.com/chipdir/oth/sokos/isa.txt
Am Anfang der 90er Jahre wurde mit dem Aufkommen der 486er der alte
ISA-Bus langsam aber sicher zum Flaschenhals, da seine maximale
Daten�bertragungsrate im Regelfall bei 2.5 MB/s, mit ISA-Busmastering
bei 5 MB/s lag (auf wirklich guten Boards waren es auch mal 10 MB/s;
ISA-Busmastering wurde allerdings eher selten genutzt, Hauptvertreter
war der SCSI-Hostadapter 1542 von Adaptec), was gerade f�r
Grafikkarten recht wenig ist. Au�erdem lag der Adre�bereich mit 24
Adressleitungen bei nur 16 MB (mehr konnte der 286er im AT n�mlich
auch nicht adressieren), so da� es f�r Karten mit linearem Adre�raum
(z.B. Grafikkarten, die winzige 64-KB-Fenster benutzen mu�ten) recht
eng war. Au�erdem k�nnen sich aufgrund einer technischen Eigenart des
Busses, die mit dem PC eingef�hrt wurde (und dort ein paar Pfennige
resp. Eurocents einsparte), mehrere Karten keinen Interrupt teilen,
was rein technisch schon 1981 kein Problem gewesen w�re.
Daraufhin lie�en sich die Hersteller etwas einfallen, und es
entstanden neue Bussysteme, wie MCA, EISA, VLB und PCI, die in den
folgenden Abschnitten vorgestellt werden.
5.6 MCA
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MCA (Microchannel Architecture) stammte von IBM (erstmals zu finden
in den PS/2-Modellen 50, 60 und 80 von 1987, die einen 80286 bzw.
80386DX verwendeten) und war fast ausschlie�lich in deren
PS/2-Rechnern anzutreffen. Dieser Bus war je nach Prozessor
(286/386SX bzw. 386DX) 16 bzw. 32 Bit breit, lief asynchron mit
Zykluszeiten von zumeist 100 bis 200 ns (vergleichbarer Takt 5 bis 10
MHz) und unterst�tzte Busmastering (wie auch EISA, VLB und PCI ab
2.0; Ger�te k�nnen selbst�ndig Daten zum RAM schaufeln, ohne die CPU
bem�hen zu m�ssen - das entlastet den Prozessor), IRQ-Sharing
(mehrere Ger�te k�nnen sich einen Interrupt teilen) sowie
Konfiguration der Erweiterungskarten per Software, war also damals
sehr modern. Haken: ISA-Karten konnten in Microchannel-Rechnern
nicht betrieben werden (pure Gedankenlosigkeit von IBM), au�erdem
verlangte man von Drittherstellern saftige Lizenzgeb�hren, so da�
sich die Microchannel-Architektur nicht durchsetzen konnte (einziger
Fremdhersteller von MCA-Rechnern war NCR) und schlie�lich IBM die
Marktf�hrerschaft im PC-Bereich verlor. Fans von MCA m�gen sich
vertrauensvoll an die NG comp.sys.ibm.ps2.hardware wenden ;).
Informationen zur Belegung:
http://www.hardwarebook.net/connector/bus/mca.html
Informationen zu PS/2-Rechnern:
http://www.can.ibm.com/helpware/vintage.html
http://www.tavi.co.uk/ps2pages/
Identifikation von MCA-Ger�ten:
http://members.aol.com/mcapage0/qbmca.htm
5.7 EISA
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EISA (Enhanced Industry Standard Architecture) war ein 32-Bit-Bus,
der als Alternative zu MCA entstand und der wie ISA bei nominal 8
MHz Bustakt lief. Im Burstmodus (�bertragung mehrerer Datenworte am
St�ck anstatt einzeln) konnte ein hoher Durchsatz erreicht werden
(normalerweise bis 33.3 MB/s). EISA-Karten waren per Software
konfigurierbar, auch Busmastering und IRQ-Sharing waren m�glich. In
EISA-Slots konnten auch ISA-Karten betrieben werden, freilich ohne
die Vorteile von EISA nutzen zu k�nnen. Bei Servern war EISA bis in
die Mitte der 90er Jahre recht h�ufig anzutreffen, die zun�chst recht
hohen Chipsatzpreise bzw. die niedrigen Preise von Boards mit dem im
folgenden besprochenen VESA-Localbus verhinderten jedoch eine weitere
Verbreitung. Ein verbessertes Busmastering, EMB (Enhanced Master
Burst) genannt - hierbei wurden Daten an der steigenden und fallenden
Flanke des Taktsignals �bertragen, das nennt sich heute DDR = Double
Data Rate - war in freier Wildbahn genauso selten wie EISA mit der
Erweiterung auf 64 Bit Datenbusbreite.
Informationen zu Belegung und Busprotokoll:
http://www.hardwarebook.net/connector/bus/eisa.html
http://www.embeddedlinks.com/chipdir/oth/sokos/eisa.txt
5.8 VLB
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VLB: Der VESA-Localbus (VL/VLB) war der 486er-Bus schlechthin, war
er doch 1992 haupts�chlich f�r diesen Prozessor entwickelt worden.
Er stellt praktisch eine Erweiterung des Prozessorbusses dar,
weshalb er auf 486er-Boards sehr preisg�nstig zu realisieren war.
Der VL-Bus war das Ergebnis von Standardisierungsbem�hungen, nachdem
die Hersteller eine Vielzahl untereinander inkompatibler lokaler
Bussysteme (Local Bus = Bus, der unmittelbar oder fast unmittelbar
an der CPU h�ngt) entwickelt hatten, um wenigstens bei der
Grafikkarte den langsamen ISA-Bus, der obendrein einen viel zu
kleinen Adre�raum hatte, zu umgehen. Der VESA-Localbus ist ein
32-Bit-Bus (16-Bit-Ger�te sind auch m�glich), der mit 30
Adre�leitungen (offenbar werden dort nicht Bytes, sondern DWORDs,
also 32 Bit, adressiert) einen Adressraum von 4 GB hat (auch wenn in
der Praxis manche Boards nur 128, 64 oder gar 32 MB davon nutzen
konnten). Er l�uft mit dem externen Takt der CPU (heute als Front
Side Bus = FSB bekannt, siehe "GPU" f�r "Grafikchip"), im Regelfalle
also 25, 33 oder 40 MHz, wobei die Zahl der nutzbaren VL-Slots mit
zunehmender Frequenz abnimmt. Mehr als 40 MHz waren bei der ersten
VL-Spezifikation nicht vorgesehen, weshalb auch nur wenige VL-Karten
mit 50 MHz liefen (deshalb war VL auf Boards mit dem 486DX50 eine
recht heikle Sache). Ein VL-Slot bestand im �brigen zumeist aus einem
16-Bit-ISA-Slot (Kombination mit EISA und MCA war auch m�glich,
wobei nur ersteres auch praktiziert wurde), hinter dem sich der
eigentliche VL-Anschlu� fand (f�r Schrauber: eine ziemlich
unhandliche Sache), au�erdem wiesen VL-Boards i.d.R. noch einige
reine ISA-Slots auf (Beispielkonfiguration des Shuttle HOT-409:
2x VL + 16-Bit-ISA, 4x 16-Bit-ISA, 1x 8-Bit-ISA), somit konnten
ISA-Karten normalerweise problemlos in VL-Systemen betrieben werden.
Im Burstmodus konnte bei VLB ein Datendurchsatz �hnlich wie bei PCI
erzielt werden (bei 33 MHz maximal 53.3 MB/s lesend und 76.2 MB/s
schreibend gegen�ber 33.3 und 44.4 MB/s ohne Burst), IRQ-Sharing war
jedoch nicht vorgesehen, ebensowenig wie M�glichkeiten zur
automatischen Konfiguration. Au�erdem wurden Schreib-Bursts vom 80486
gar nicht unterst�tzt, weshalb daf�r zus�tzliche Elektronik notwendig
war (die es nat�rlich l�ngst nicht auf jedem Board gab). Busmastering
war m�glich, allerdings nicht sehr effizient. Auch war die Zahl der
Slots wegen der fehlenden elektrischen Entkoppelung vom Prozessorbus
normalerweise auf zwei bis drei begrenzt, und anfangs gab es sogar
Erweiterungskarten, die miteinander inkompatibel waren, da VLB
�bereilt auf den Markt kam (dies �nderte sich jedoch wenig sp�ter -
typische Kinderkrankheiten eben; als sich der PCI-Bus durchzusetzen
begann, waren VL-Ger�te unproblematischer als solche f�r PCI...). Die
VLB-Spezifikation 2.0 r�umte Ende 1993 mit einigen der Mi�st�nde auf
(bei niederimpedanter Auslegung h�here Taktfrequenzen und Ger�tezahl
m�glich, Integration ins ISA-Plug'n'Play) und sah eine Erweiterung
auf 64 Bit Busbreite durch Multiplexing (abwechselnde Benutzung) von
Adressbus und oberen Datenbits vor. Boards mit einem VL-Bus 2.0
erlangten jedoch keine gro�e Verbreitung. Der Haupteinsatzzweck des
VL-Bus waren Grafikkarten, daneben gab es aber auch IDE- und
SCSI-Hostadapter. Da der VLB mit dem externen Takt des Prozessors
l�uft und auf das 486-Busprotokoll zugeschnitten war, waren
Pentium-Systeme (externer Takt anf�nglich 60 und 66 MHz) mit VL-Bus
nicht mehr billiger zu realisieren als solche mit dem technisch
besseren PCI-Bus, weshalb man auf PCI auswich (allerdings erst, als
es ausreichend PCI-Karten gab - am Anfang gab es durchaus
VL-Pentiums) und der VL-Bus mit dem Siegeszug der Pentiums ab etwa
1994 noch vor Ende der 486er-�ra vom Markt verschwand. VL-Ger�te
waren von der Leistung her �brigens absolut vergleichbar mit solchen
f�r den PCI-Bus.
Informationen zu Belegung und Busprotokoll:
http://www.hardwarebook.net/connector/bus/vlb.html
http://www.embeddedlinks.com/chipdir/oth/sokos/vlb.txt
5.9 PCI, 64Bit PCI, PCI-X, PCI-Express
======================================
5.9.1 PCI
=========
PCI: Der 1993 von Intel vorgestellte PCI-Bus (Peripheral Component
Interconnect), dessen Version 2.0 noch im selben Jahr das Licht der
Welt erblickte, ist im Gegensatz zum VL-Bus weitgehend plattform-
unabh�ngig, weshalb er sich auch in Power-Macs und DEC-Alpha-Systemen
findet. Er ist nicht direkt vom Prozessortakt abh�ngig und - im
Gegensatz zu VL - auch von Anfang an exakt spezifiziert, au�erdem ist
er elektrisch vom Prozessorbus entkoppelt, was h�here Slotzahlen als
beim VL-Bus erm�glicht (anfangs 3 oder 4, in der Zwischenzeit 6). Der
"normale" (auch legacy oder conventional) PCI-Bus ist 32-bittig, hat
einen 32Bit-Adressbus (Adressraum somit 4 GB, es sei denn 64Bit-
Adressen werden in beiden Richtungen jeweils in zwei
aufeinanderfolgenden Zyklen �bertragen; das Mainboard muss das aber
erst unterst�tzen) und l�uft (im Regelfall) mit 33MHz (Spezifikation:
25 bis 33MHz). PCI unterst�tzt IRQ-Sharing (wenngleich auch die
Treiberprogrammierer gelegentlich noch in seeligen ISA-Zeiten zu
leben scheinen, was dann der gebeutelte Anwender ausbaden darf),
Plug'n'Play mit Konfiguration durch das BIOS (statt �ber
Zusatzsoftware wie bei EISA oder MCA) und Busmastering (letzteres
seit der PCI-Spezifikation 2.0; seit 2.1 ist Busmaster-F�higkeit
Pflicht f�r alle Slots). Eine weitere Neuerung bringt das k�rzlich
verabschiedete Conventional PCI in der Version 3.0. Seit PCI 2.3
waren die 5V-only Karten vereits abgeschafft, und nun gibt es den
Generalschlag gegen 5V conventional PCI: diese Karten wird es mit
dem PCI 3.0 Logo nicht mehr geben, die Karten laufen ausschliesslich
mit 3.3V auf dem Datenbus. Dementsprechend sind sie auch gekerbt, und
lassen sich in Boards bis PCI 2.2 nicht mehr einsetzen. Die maximalen
�bertragungsraten liegen bei 33MHz und 32Bit mit und ohne Burst bei
133.3 und 44.4MB/s (lesend) bzw. 133.3MB/s und 66.6MB/s (schreibend).
Man braucht wohl nicht zu erw�hnen, dass PCI momentan der Standardbus
in PCs ist, wenngleich 2004 der langsame Umstieg auf PCI-Express
(siehe 5.9.4) eingel�utet werden soll
Informationen zu Belegung und Busprotokoll:
http://www.hardwarebook.net/connector/bus/pci.html
http://www.embeddedlinks.com/chipdir/oth/sokos/pci.txt
Informationen zu PCI und seinen Spezifikationen:
http://www.pcisig.org
Ein historisches Kuriosum waren Mainboards mit VL-Bus, ISA und PCI
(VIP). Diese Boards waren zwar recht vielseitig, allerdings war ein
Local-Bus dabei ein Anh�ngsel das anderen, was oft (je nach
verwendeter VL-PCI- bzw. PCI-VL-Bridge) dazu f�hrte, dass auf
Boards, deren Hauptbussystem PCI war und VLB ein Anh�ngsel
darstellte, die VL-Performance schlecht war; im umgekehrten Fall war
der PCI-Bus lahm. Au�erdem war(en) der/die VL-Slot(s) meist nicht
busmasterf�hig, was hie�, dass z.B. VL-SCSI-Hostadapter nicht
weiterverwendbar waren. Auch Kompatibilit�tsprobleme mit einzelnen
Karten (VL wie PCI) waren nicht selten. Deswegen konnten sich
VIP-Boards nicht durchsetzen.
5.9.2 PCI mit 64Bit
===================
In Profisystemen findet sich auch die Variante mit 64 Bits und
aufgrund der h�heren Leitungsanzahl l�ngeren Slots, die es seit
PCI 2.0 (1993) gibt, dann oft auch mit 66 statt 33MHz (dies ist seit
PCI 2.1 [ca. 1995] m�glich). Bei 66 MHz sind im �brigen nur zwei
Slots pro Bus zul�ssig. Die �bertragungsraten der breiten Variante
des PC-Standardbusses liegen erwartungsgem�� h�her: Die Spanne
reicht von 64Bit/33MHz mit 266MB/s bis zu 533MB/s bei 64Bit/66MHz.
32Bit-Karten sind auch im 64Bit-Slot zu betreiben.
5.9.3 PCI-X
===========
Eine neuere Entwicklung bei PCI hei�t PCI-X. Dieses Bussystem mit
64Bit und bis zu 133MHz ist vornehmlich f�r Workstations oder Server
(also Profiger�tschaften) gedacht. Der Slot unterscheidet sich nicht
durch den herk�mmlichen Slot von PCI mit 64Bit. PCI-X erzielt in der
aktuellen Spezifikation die Bandbreite von AGP 4X (1066 MB/s). In
der k�rzlich verabschiedeten Spezifikation 2.0 sollen die Daten per
DDR- und QDR-Verfahren mit 2.1GB/s bzw. 4.2GB/s �bertragen werden.
In einer mit "PCI-X 1066" benannten Entwicklungsphase will man die
Bandbreite gar auf knapp 8GB/s weiter erh�hen.
Der Vorteil von PCI-X gegen�ber AGP 2.0: Es sind mehrere Grafikkarten
nutzbar, au�erdem k�nnen auch andere Ger�te von der h�heren
Bandbreite profitieren. Ausserdem soll PCI-X 2.0 hot-plug f�hig
sein. PCI-X stammt �brigens nicht von Intel, sondern von einem
Konsortium verschiedener Dritthersteller. Leider kann pro PCI-X Bus
nur ein Ger�t mit 133MHz laufen. Werden 2 (oder mehr) Ger�te
installiert, schaltet der Bus auf 100MHz oder gar 66MHz herunter.
Um dies zu verhindern, sind in solchen Systemen auch mehrere PCI-X
Busse installiert.
5.9.4 PCI-Express
=================
Nach PCI-X 1066 im DDR-/QDR-Verfahren ist dann mit dem herk�mmlichen
PCI-Bus wohl endg�ltig Schluss. Die PCI-Sig hat sich auf einen
Nachfolger geeinigt, der nun "PCI-Express" oder kurz (PCIe) heissen
soll (vormals bekannt unter 3GIO oder Arapahoe). Die Spezifikation
liegt schon seit Anfang August 2002 zum Download f�r die Mitglieder
der PCI-SIG bereit. PCIe ist seriell aufgebaut und stellt eine
Punkt-zu-Punkt Verbindung da. Sie ist so entworfen, um f�r h�here
Bandbreiten skalierbar zu bleiben. Ausserdem geh�rt PCIe zu den wenigen
Standards, die Hot-Plugging zulassen.
Aufgeteilt wird PCIe in sogenannte "Lanes", wobei eine Lane momentan
mit einer Bandbreite von 250 MB/s definiert wird (h�here Bandbreiten
pro Lane sind jedoch bereits in Plaung). Diese Bandbreite steht
zus�tzlich in beiden Senderichtungen gleichzeitig (voll-duplex) zur
Verf�gung. Definiert sind bei PCIe die Kopplung der Lanes zu
verschiedenen Verbindungstypen: PCIe-x1 steht f�r eine Lane mit
250 MB/s und soll in naher Zukunft den "alten" PCI-Bus (siehe 5.9.1)
vollst�ndig abl�sen. Weitere Varianten mit Namen PCIe-x2 (500 MB/s),
PCIe-x4 (1 GB/s), PCIe-x8 (2 GB/s), PCIe-x12 (3 GB/s) und PCIe-x16
(4 GB/s) sind bereits definiert, wobei Letztere auch als "PEG" oder
"PCI-Express for Graphics" bekannt ist, und - wie der Name schon sagt -
f�r Grafikkarten verwendet werden und damit den betagten AGP abl�sen
soll. Bei all den verschiedenen Slots bleibt PCIe aber
abw�rts kompatibel, so dass eine PCIe-x1 Karte auch in einem PCIe-x2
oder PCIe-x8 Slot laufen sollte. Die freien Lanes werden dann schlicht
nicht verwendet. Umgekehrt funktioniert diese Kompatiblilit�t i.d.R.
nicht, eine Ausnahme bilden Systeme f�r mehrere PEG-Karten (sog.
SLI-Systeme, SLI steht f�r "Scaleable Link Interface"), bei denen zwar
zwei PEG-Slots vorhanden sind, diese jedoch nur 8 Lanes pro Slot
besitzen. Der PEG-Karte steht damit dann maximal die halbe Bandbreite
zur Verf�gung, was sich aktuell aber kaum auf die tats�chliche
Performance auswirken d�rfte.
Mehr zu PCI-Express gibt's bei vielen Hardware-Seiten, f�r die zahlende
Kundschaft auch unter:
http://www.pcisig.org.
5.9.5 Identifikation von PCI-Ger�ten
====================================
Manchmal kann es n�tig sein, ein unbekanntes PCI-Ger�t zu
identifizieren, was deutlich weniger trivial ist, als man vielleicht
annehmen mag. Sind die Chips auf PCI-Karten unbekannt oder gar
unbeschriftet, ist guter Rat teuer. Zum einen kann hier die h�ufig
aufgedruckte FCC-ID helfen, die man zur Ger�te-Suche unter
http://www.fcc.gov/oet/fccid (siehe auch Kapitel 7.5) eingeben kann.
Ein weitere hilfreiche Webseite steht einem unter
http://members.datafast.net.au/dft0802/downloads.htm zur Verf�gung.
5.10 AGP
========
AGP steht f�r "Accelerated Graphics Port". In erster Linie ist AGP
nichts anderes als eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen
Grafikkarte und Chipsatz bzw. Hauptspeicher, die wesentlich
schnellere Daten�bertragung als auf dem konventionellen PCI-Bus
erm�glicht. Auf dem Mainboard gibt es deshalb einen neuen
Steckplatz f�r AGP-Karten. Dieser liegt so, dass eine PCI-Karte
auf gar keinen Fall in einen AGP-Slot passt und vice versa.
Der AGP-Standard baut im Prinzip auf den Spezifikationen von 66MHz
PCI auf. Das bedeutet, dass eine AGP-Grafikkarte ohne Nutzung der
zus�tzlichen AGP-Funktionen wie eine PCI-Grafikkarte l�uft.
Den AGP-Port gibt es in 2 Spannungsvarianten: mit 3.3V oder mit
1.5V, bei AGP 3.0 wird noch 0.8V hinzu kommen. Die Codierung der
Spannungen erfolgt �ber Aussparungen am Slot sowie per Signal
(Vddq) der Grafikkarte. In den Modi AGP 1X und 2X kann der Port
wahlweise mit 3.3V oder 1.5V versorgt werden, bei AGP 4X ist 1.5V
zwingend. Neuerdings lassen einige Mainboardhersteller nur noch
1.5V AGP-Karten auf ihren Mainboards zu, was genau dann zum
Problem wird, wenn sich AGP 2X Karten f�lschlicherweise in diesen
Slot stecken lassen, in den sich nur AGP 4X f�hige Karten
einstecken lassen sollten: Das Mainboard und die Grafikkarte werden
dann zerst�rt. Zu den fehlerhaft kodierten Karten geh�ren die
3dfx Voodoo-Serie, Matrox G200, die ersten Matrox G400, ATI Rage
Fury, viele Karten mit nVidia Riva TNT oder TNT2 und Intel i740.
Da die Grafikboliden immer mehr Strom ziehen, wurde der AGP um
"AGP Pro" (aktuelle Spezifikation 1.1a von 1999) erweitert. Bei
AGP Pro ist aufgrund einer besseren Stromversorgung (durch
zus�tzliche Pins) eine h�here Leistungsaufnahme m�glich. Sie liegt
bei AGP Pro bis zu 4 mal h�her als bei Standard-AGP. Nur die
wenigsten Karten nutzen aber diese zus�tzlichen Pins und spendieren
ihren stromhungrigen Grafikboliden lieber direkt eine Buchse f�r
einen Netzteilstecker. Lediglich bei professionellen OpenGL-Karten
findet sich ab und zu ein AGP Pro Exemplar.
Die haupts�chlichen Vorz�ge von AGP gegen�ber PCI lassen sich auf
2 wesentliche Punkte reduzieren: Geschwindigkeit beim Datendurchsatz
und die F�higkeit zur Auslagerung von Texturen in den Hauptspeicher.
Der erste Punkt ist dabei softwareunabh�ngig, der zweite Punkt muss
jedoch von der jeweiligen Anwendung unterst�tzt werden.
W�hrend der PCI-Bus (32 Bit, 33 MHz) auf eine Datenrate von 133 MB/s
begrenzt ist, werden bei AGP 1X bereits bis zu 266 MB/s �bertragen.
Bei den heute aktuellen Standards AGP 2X und 4X k�nnen somit
maximal 533 MB/s bzw. 1066 MB/s �bertragen werden. Allerdings ist die
tats�chliche �bertragungsrate durch die Geschwindigkeit der CPU und
die Bandbreite von Hauptspeicher und Grafikspeicher begrenzt.
Die neueste Version AGP 3.0 h�lt gleich mehrere Neuerungen parat.
Die Datenrate wird erneut verdoppelt und kann jetzt bis zu 2.1GB/s
betragen (AGP 8X). AGP 3.0 sieht auch leicht ver�nderte Signalschemata
vor, ausserdem arbeitet der Port bei AGP 8X nur noch mit 0.8V. Da die
Karten von AGP 8X aber exakt wie die AGP 4X Karten kodiert sind, sind
sie auch zumindest zu AGP 4X abw�rtskompatibel und k�nnen demnach
zumindest auch mit 1.5V betrieben werden. Des weiteren sollen unter
AGP 3.0 mehrere Punkt-zu-Punkt Verbindungen m�glich sein, um mehrere
AGP-Karten ansprechen zu k�nnen. Infos speziell zu AGP 3.0 gibt es
unter http://www.intel.com/technology/agp/agp_3_spec.htm.
N�here Infos zu AGP selber gibt es u.a. unter
http://developer.intel.com/technology/agp
http://www.agpforum.org
5.11 AMR, CNR, ACR
==================
Viele Mainboards mit aktuellen Chips�tzen haben neuartige,
zus�tzliche Slots f�r Erweiterungskarten, die zu allen bisherigen
Standards inkompatibel sind. Es handelt sich dabei um sog.
"Riser"-Steckpl�tze, die sich aus Intel�s AC'97-(Audio)-Standard
entwickelt haben. Die neuen Steckkarten, die in diese Slots passen,
sind ausschlie�lich least-cost Karten, die im Einzelhandel sp�rlich
oder gar nicht erh�ltlich sind. Verbaut werden sie deshalb nur von
Systemintegratoren, die PC�s in gro�en St�ckzahlen herstellen, um
durch die verwendeten, billigeren Komponenten Geld zu sparen. Es
gibt mittlerweil drei dieser neuen Slots: AMR, CNR und ACR.
5.11.1 Audio/Modem Riser (AMR)
==============================
AMR (Audio/Modem Riser) gibt es bereits seit 1998 und wurde von
Intel ins Leben gerufen, und hatte damals neben Sound- und
Modem-Funktionen von AC'97 auch einen USB-Anschluss zu bieten. Der
Slot befindet sich auf dem Mainboard meist unter den
PCI-Steckpl�tzen. Er hat h�ufig die Farbe des AGP-Slots und in etwa
die Bauform eines halbierten PCI-Steckplatzes, liegt jedoch etwas
n�her an der Slotblende.
5.11.2 Communication/Network Riser (CNR)
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CNR (Communication/Network Riser) entstand im Jahr 2000 und ist eine
Erweiterung des AMR-Standards, wiederum durch Intel. Die Bauform
entspricht der des AMR-Slots, weshalb AMR-Karten auch im CNR zum
Einsatz kommen k�nnen. Neben den AMR-Funktionen bietet CNR noch
SMBus und ein LAN-Interface.
5.11.3 Advanced Communication Riser (ACR)
=========================================
Am Standard f�r ACR (Advanced Communication Riser) waren ausser
Intel auch noch VIA und AMD beteiligt. Es ist vom Aussehen leicht
mit dem PCI-Slot zu verwechseln, jedoch liegt der Steg im Slot an
einer anderen Stelle, so dass Verwechslungen ausgeschlossen sein
sollten. Durch die Plazierung des Stegs ist auch der Einbau von
AMR-Karten weiterhin m�glich. Im wesentlichen wurde der AMR-Standard
um Anschlussm�glichkeiten f�r LAN, DSL-Modems und drahtlose Netwerke
(nur USA) erweitert.
5.12 USB
========
Der USB (Universal Serial Bus) ist einer der neueren Schnittstellen,
die mit dem Steckerwirrwarr der unterschiedlichsten Peripherieger�te
Schluss machen soll. Vor USB und FireWire brachte jede neue
Peripherie auch eine neue Schnittstelle in das System. USB kennt 2
definierten Steckertypen f�r alle Ger�te: Typ A f�r den Anschluss am
Hub, und Typ B f�r den Anschluss am Ger�t. Der USB-Hostadapter
�bernimmt die komplette Grundkonfiguration der Ger�te. Ausserdem
veranlasst er das automatische Laden ger�tespezifischer Treiber.
Es sind weder besondere Einstellungen noch ein Terminierung
notwendig, der Hostadapter ben�tigt hardwareseitig nur einen
zugewiesenen Interrupt, den er auch mit anderen PCI-Ger�ten teilen
kann.
Die Bezeichnung "Bus" in USB trifft die Struktur der Verkabelung
USB-f�higer Ger�te eigentlich nicht genau. USB sieht vielmehr eine
Stern-Bus-Struktur (Hub) vor, an deren Spitze der USB-Hostadapter
steht. An diesem k�nnen laut Spezifikation bis zu 127 Ger�te
angeschlossen werden. Ausserdem k�nnen immer weitere Hubs
zwischengeschaltet werden, um Ger�te anzuschlie�en oder die
Stromversorgung sicher zu stellen. Letzteres kann zwingend notwendig
sein, da der OnBoard-USB nur maximal 500mA (w�rend der
Initialisierung sogar nur 100mA) pro Port vertr�gt. Wird mehr Strom
von einem Ger�t ben�tigt, wird das Ger�t vom Hub nicht initialisiert,
und dann ist ein zus�tzlicher self-powered USB-Hub absolut zwingend.
Diese stellen bis 5000mA f�r die Initialisierung und 2000mA f�r den
Betrieb von USB-Ger�ten sicher.
Das USB-Kabel hat 4 Adern, von denen 2 f�r die bi-direktionale
Daten�bertragung zust�ndig sind. Eine weitere Ader f�hrt die Masse,
und die verbleibende vierte Ader f�hrt die +5V Versorgungsspannung.
Da die Daten differentiell �bertragen werden (d.h. die
Spannungs*differenz* zwischen zwei Leitungen ist entscheidend, nicht
die absolute Spannung einer Leitung gegen Masse), ist USB in der
Praxis robust und wenig st�ranf�llig. Probleme treten normalerweise
nur dann auf, wenn der Hostadapter unzureichend programmiert wurde
oder die angeschlossenen Ger�te au�erhalb der Spezifikation arbeiten.
Von der �bertragungsbandbreite werden an den USB die verschiedensten
Anforderungen gestellt. Langsame Ger�te wie Maus und Tastatur
werden genauso unterst�tzt wie Modems und Videokameras, die weitaus
mehr Daten �ber den Bus schicken wollen. Deshalb ist die �bertragung
bei USB in Kan�le aufgeteilt. In der USB-Spezifikation 1.1 gibt es
deshalb sowohl einen Low-Speed-Kanal mit bis zu 1.5 MBit/s als auch
einen Full-Speed-Kanal mit bis zu 12 MBit/s. In der neusten
Spezifikation 2.0 ist noch ein High-Speed-Kanal mit bis zu 480 MBit/s
vorgesehen, was eine Daten�bertragung von bis zu 40 MB/s f�r externe
Festplatten etc. m�glich macht, in der Praxis bleiben davon h�ufig
nur 30-35MB/s �brig. Gleichzeitig soll USB 2.0 aber zu USB 1.1
abw�rtskompatibel bleiben. In der Praxis machen zwei USB 2.0 Ger�te
an der gleichen Doppelstock-Leiste aber leider oft �rger, so dass
ein Ger�t dann auf Full-Speed (USB 1.1) herunterschalten muss, was an
der Verkn�pfung der Leiterbahnen liegt. H�ufig hilft dann das
Anschliessen an den meist noch vorhandenen zweiten Root-Hub (siehe
dazu auch c't 04/03 Seite 161 Spalte 2 Mitte).
Weitere Infos zum Thema USB gibt es u.a. bei den Entwicklern:
http://www.usb.org
5.13 FireWire (i-Link/IEEE-1394)
================================
IEEE-1394 oder FireWire ist eine der neuesten Schnittstellen, die
ein PC bieten kann. Ebenso wie RS-232 ist IEEE-1394 eine serielle
Schnittstelle. Obwohl diese Technologie viele Vorteile hat, findet
sie doch erst sehr langsam ihren Weg auf die Mainboards, was sowohl
am Preis der Controller als auch an der relativ geringen
Verf�gbarkeit von Endger�ten liegt. Im Heimvideobereich dagegen ist
FireWire schon etabliert (DV-Camcorder), und im HiFi-Bereich gibt es
schon die ersten volldigitalen Anlagen, die ohne Cinch-Kabelsalat
auskommen.
FireWire wurde prinzipiell von Apple in die Computerwelt eingef�hrt.
Die Spezifikation wurde von den f�hrenden Technologiefirmen
verifiziert und Ende 1995 vom IEEE-Konsortium zum Standard erhoben.
FireWire bietet �hnlich wie USB viele Vorteile gegen�ber den
Standard-Schnittstellen eines PCs:
- Transferrate von bis zu 400 MBit/s (IEEE-1394a)
- garantierte gleichzeitige �bertragung von mehreren zeitkritischen
Datenstr�men
- bis zu 63 Ger�te anschlie�bar
- Kabell�nge 4,5m mit Shielded Twisted Pair Kabel
- flexibles, 6 adriges Rundkabel
- komplettes Plug&Play inklusive Hot-Plugging
Angesichts dieser Punkte ist IEEE-1394 der Hauptkonkurrent f�r den
USB, welcher sich jedoch am Markt bereits besser etabliert hat.
Der Standard IEEE-1394b (aka FireWire 800) wurde vor kurzem
verabschiedet. Er stellt eine Erweiterung und Beschleunigung des
IEEE-1394a dar. Mit FireWire 800 sind Datenraten bis zu 800MBit/s
und sogar 1600MBit/s erreichbar, eine weitere Erh�hung auf 3.2GBit/s
ist auch schon geplant. Daf�r sind f�r FireWire 800 aber neue Stecker
und Buchsen n�tig; Adapter auf die alten Stecker und Buchsen sollen
aber auch erh�ltlich sein. Die maximale Kabell�nge betr�gt weiterhin
4,5m, sofern Shielded Twisted Pair Kabel verwendet wird.
Weitere Informationen zu FireWire/IEEE-1394 gibt es u.a. bei
http://www.ieee.org
Speziell zu FireWire 800 gibt es einen lesenswerten Artikel in der
c't 10/03 Seite 166ff.
5.14 Floppy
===========
Zu einem 34-poligen Anschluss auf dem Mainboard f�r ein ebensolches
Flachbandkabel geh�rt das Diskettenlaufwerk, auch Floppy genannt.
Die entsprechenden Disketten (zumindest die f�r 3-1/2-Zoll-Laufwerke)
wird wahrscheinlich jeder kennen, ebenso ihr heute l�cherlich gering
erscheinendes Fassungsverm�gen, die nicht minder steinzeitliche
Geschwindigkeit der Laufwerke und die Tatsache, da� die Medien nicht
immer zuverl�ssig sind. (Da� eine gewisse Firma aus Redmond es nicht
fertiggebracht hat, einen Treiber f�r die Fenster Nummer 95, 98 und
ME zu schreiben, der nicht das ganze System bei Diskettenzugriffen
lahmlegt, d�rfte man auch bemerkt haben.)
Disketten und die Technik drumherum z�hlen zu den technisch �ltesten
Komponenten des PC - schon der erste IBM-PC war mit
Diskettenlaufwerken ausgestattet, die damals noch Disketten im
5-1/4-Zoll-Format mit einem Fassungsverm�gen von sagenhaften 160 KB
schluckten (5-1/4-Zoll-Disketten sind �brigens biegsam - darum
"floppy" f�r "schlapp, schlaff", "schlappe Scheiben" also ;)). Die
Kapazit�t wurde zun�chst auf 360 KB (zweiseitig, 9 statt 8 Sektoren
pro Spur), mit der Einf�hrung des IBM AT (1984) auf 1200 KB
gesteigert; mit dem PS/2 (1987) wurde die ersten
3-1/2-Zoll-Laufwerke eingef�hrt, mit zun�chst 720 KB
Fassungsverm�gen (sie sind auch gegen Umwelteinfl�sse besser
gesch�tzt). Wenig sp�ter erschienen Laufwerke mit 1440 KB pro
Diskette - und diese werden bis heute eingesetzt, seit mehr als 10
Jahren! Die sp�ter noch herausgebrachten ED-Laufwerke und
-Disketten mit 2880 KB pro Diskette konnten sich u.a. aufgrund
ihrer Unzuverl�ssigkeit nicht durchsetzen.
Heutige Mainboards k�nnen normalerweise 5-1/4-Zoll-Laufwerke mit 360
und 1200 KB und 3-1/2-Zoll-Laufwerke mit 720 und 1440 KB ansteuern
(einfach zu �berpr�fen im BIOS-Setup, zumeist im "Standard CMOS
Setup"), d.h. wer in seinem Bigtower noch einen Schacht frei hat
und nicht wei�, was er damit anfangen soll, kann - ein gen�gend
langes Floppykabel vorausgesetzt, die L�nge ist unkritisch - ohne
weiteres eine 5.25"-Floppy einbauen (wozu man so was heute noch
braucht, ist freilich eine andere Frage ;)). Dass man
Diskettenlaufwerke manuell anmelden muss, sollte eigentlich klar
sein - bei so betagter Technik gibt es eben noch kein Plug'n'Play.
Beim Anschluss sollte man darauf achten, da� das Laufwerk hinter dem
Dreher im Kabel (vom Controller aus gesehen) unter DOS/Windows den
Laufwerksbuchstaben A bekommt, das davor dagegen B abstaubt. Booten
kann man nur von A, weswegen des �fteren eine Option "Floppy Drive A/B
swap" im BIOS-Setup vorhanden ist, die die Reihenfolge der zwei
Diskettenlaufwerke softwarem��ig vertauscht. Wird das Kabel
versehentlich verdreht angesteckt, �u�ert sich dies durch st�ndiges
Leuchten der Zugriffs-LED am Diskettenlaufwerk, zudem wird der Inhalt
jeder dann eingelegten Diskette gel�scht.
Der Floppy-Controller ist �brigens mittlerweile in die Southbridge
des Chipsatzes gewandert, verh�lt sich aber immer noch wie der
Urahn NEC PD765, und die Daten von der Diskette werden nach wie vor
per DMA (Direct Memory Access) �bertragen, und zwar mit maximal 500
KBit pro Sekunde (bei ED 1000 KBit/s). (Ja, DSL ist schneller und
belastet das System deutlich weniger.)
Wie auf einer Festplatte werden die Informationen auf Disketten
magnetisch gespeichert, allerdings gleiten die Schreib-/Lesek�pfe
direkt auf der Oberfl�che des Mediums, was nat�rlich wie bei
Videokassetten eine gewisse Abnutzung und Verschmutzung des K�pfe
bedingt (daher gibt es Reinigungsdisketten).
Eine Diskette ist wie eine kleine Festplatte in Spuren (40 oder 80)
und Sektoren (8, 9, 15 oder 18) aufgeteilt, und es gibt Formate mit
einer und zwei beschriebenen Seiten (singlesided und doublesided).
Man unterscheidet die Datendichte nach DD (Double Density - 5.25"
mit 160/180/360 KB und 3.5" mit 720 KB), HD (High Density - 5.25"
mit 1200 KB und 3.5" mit 1440 KB) und ED (3.5" mit 2880 KB).
Die Spurdichte betr�gt bei 360-KB-Disketten 48 TPI (tracks per inch,
Spuren pro Zoll), bei 1200-KB-Disketten 96 TPI und bei
1440-KB-Disketten 135 TPI.
Disketten bzw. die Magnetscheiben darin rotieren mit 300 (3.5") bzw.
360 (5.25" mit 1.2 MB) Umdrehungen pro Minute, die Suchzeit liegt
daher bei etwa 100 ms.
F�r alle, die sich bisher gewundert haben: 5-1/4 Zoll und 5.25" sind
das gleiche, ebenso wie 3-1/2 Zoll und 3.5".
Nachfolgend noch eine �bersicht der Standard-PC-Diskettenformate:
Diskettengr��e | Spuren pro | Sektoren | Speicherkapazit�t
| Seite | pro Spur |
=====================+============+==========+===================
5.25" Singlesided | 40 | 8 | 40*8*512 Byte
Double Density | | | = 160 KB
---------------------+------------+----------+-------------------
5.25" DD - Double- | 40 | 9 | 2*40*9*512 Byte
sided Double Density| | | = 360 KB
---------------------+------------+----------+-------------------
5.25" HD - Double- | 80 | 15 | 2*80*15*512 Byte
sided High Density | | | = 1200 KB
---------------------+------------+----------+-------------------
3.5" DD - Double- | 80 | 9 | 2*80*9*512 Byte
sided Double Density| | | = 720 KB
---------------------+------------+----------+-------------------
3.5" HD - Double- | 80 | 18 | 2*80*18*512 Byte
sided High Density | | | = 1440 KB
---------------------+------------+----------+-------------------
3.5" ED (nur IBM) - | 80 | 36 | 2*80*36*512 Byte
Doublesided Extended| | | = 2880 KB
Density | | |
---------------------+------------+----------+-------------------
Informationen zur Belegung:
http://www.hardwarebook.net/connector/storage/internaldisk.html
5.15 IDE (ATA, Serial-ATA)
==========================
5.15.1 IDE, ATA
===============
IDE (Integrated Device Electronics), auch ATA (AT Attachment) genannt,
ist der am weitesten verbreitete Standard auf dem Heim-PC f�r das
Interface von Festplatten. Jedes Motherboard bringt heute mindestens
einen IDE-Controller mit jeweils 2 IDE-Kan�len mit. An jedem Kanal
k�nnen mittels eines Flachbandkabels bis zu 2 Ger�te (Festplatten,
DVD-Laufwerke, CD-Brenner ...) angeschlossen werden. In der
PC-Geschichte wurden mehrere �bertragungsprotokolle entwickelt.
Eine detaillierte Aufstellung der einzelnen �bertragungsraten ist in
der folgenden Tabelle zu finden:
Modus | max. Datenrate | CPU-Last | Bemerkung
| [MB/sec] | (*) |
==================+================+=============+===============
PIO 0 | 3.33 | hoch |
------------------+----------------+-------------+---------------
PIO 1 | 5.22 | hoch |
------------------+----------------+-------------+---------------
PIO 2 | 8.33 | hoch |
------------------+----------------+-------------+---------------
PIO 3 | 11.11 | hoch |
------------------+----------------+-------------+---------------
PIO 4 | 16.66 | hoch |
------------------+----------------+-------------+---------------
Singleword DMA 0 | 2.08 | ??? | ungebr�uchlich
------------------+----------------+-------------+---------------
Singleword DMA 1 | 4.16 | ??? | ungebr�uchlich
------------------+----------------+-------------+---------------
Singleword DMA 2 | 8.33 | ??? | ungebr�uchlich
------------------+----------------+-------------+---------------
Multiword DMA 0 | 4.16 | gering |
------------------+----------------+-------------+---------------
Multiword DMA 1 | 13.33 | gering |
------------------+----------------+-------------+---------------
Multiword DMA 2 | 16.66 | gering |
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 0 | 16.66 | gering |
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 1 | 25 | gering |
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 2 | 33.33 | gering |
(Ultra-ATA/33) | | |
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 3 | 44.44 | gering | ungebr�uchlich
| | | 80-pol. Kabel
| | | ben�tigt
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 4 | 66 | gering | 80-pol. Kabel
(Ultra-ATA/66) | | | ben�tigt
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 5 | 100 | gering | 80-pol. Kabel
(Ultra-ATA/100) | | | ben�tigt
------------------+----------------+-------------+---------------
Ultra-DMA 6 | 133 | gering | 80-pol. Kabel
(Ultra-ATA/133) | | | ben�tigt
==================+================+=============+===============
Serial-ATA I | 150 | gering | Spez. SATA-
(SATA I) | | | Kabel ben�t.
------------------+----------------+-------------+---------------
Serial-ATA II | 300 | gering | noch nicht
(SATA II) | | | verabschiedet
------------------+----------------+-------------+---------------
(*) Dies bezieht sich auf g�ngige busmasterf�hige PCI-IDE-Controller.
(Anm.: PIO = Programmed Input/Output
ATA = Advanced Technology Attachment
DMA = Direct Memory Access)
Allen PIO-Modi ist es gemeinsam, dass die CPU s�mtliche Aktionen
koordinieren muss. Damit wird beim Lesen und Schreiben auf Festplatte
die CPU nahezu v�llig blockiert und sie steht nicht f�r andere
Rechnungen zur Verf�gung. Das zeigt sich z.B. in Spielen durch
Aussetzer und Ruckler.
Die Standard-�bertragungsmodi sind heute die sogenannten
Ultra-DMA-Modi. Die gebr�uchlichsten sind UDMA33, 66, 100 und 133,
wobei die Zahl den maximalen Datendurchsatz in MB/s angibt. DMA-Modi
haben ihren Ursprung bei den ISA-DMA-Transfers (was ja beim
urspr�nglichen "ISA-Anh�ngsel" ATA nicht weiter verwundert), so recht
popul�r wurden sie aber erst mit dem Aufkommen busmasterf�higer
PCI-IDE-Controller, die bei Verwendung eines DMA-Modus die Daten
selbst�ndig (also praktisch ohne CPU-Belastung) in das RAM
transportieren k�nnen.
F�r IDE werden schon seit langem 40-polige Flachbandkabel verwendet,
die neueren Transfermodi ab UDMA66 ben�tigen jedoch 80-polige Kabel
(jede zweite Ader liegt dabei auf Masse, was die Signalqualit�t
erheblich verbessert), die auch farblich gekennzeichnete und
verpolungssichere Stecker aufweisen.
An jedem IDE-Kanal (wovon jeweils 2 an einem IDE-Controller vorhanden
sind) kann man zwei Ger�te anschlie�en, wobei diese nur abwechselnd
Daten �bertragen k�nnen. Das eine Ger�t muss als "Master" angemeldet
sein, das andere als "Slave". Wenn bei einem Ger�t der Modus
festgelegt ist, kann das jeweils andere auch mit "cable select"
betrieben werden. Es sucht sich dann den passenden Modus selber.
(Bei Verdacht von Problemen sollte man aber besser manuell den
Master/Slave-Modus zuweisen.)
H�ngt man nur ein einziges Ger�t an einen IDE-Kanal, so sollte man
aufpassen, keine losen Kabelenden zur�ck zu lassen, also das Ger�t am
Ende des Kabels anschlie�en (und es selbstverst�ndlich auf Master
oder Cable-Select zu jumpern; einige Laufwerke habe auch einen
speziellen "Single"-Jumper f�r diesen Fall).
Bei zwei Ger�ten ist die Reihenfolge am Kabel v�llig egal. Was ein
Ger�t sein soll - Master oder Slave - legt man mit Hilfe von ein
paar Jumper-Br�cken an der Festplatte fest. Wie der Jumper zu stecken
ist, ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Hier muss man
das Handbuch hinzuziehen oder einfach auf die Festplatte schauen,
denn meist ist ein Aufkleber vorhanden, der alles eindeutig erkl�rt.
Achtung: Das Betriebssystem sollte auf der Festplatte liegen, die
als primary master betrieben wird, wenn 2 Festplatten am prim�ren
IDE-Kanal h�ngen. (Bei der Kombination HDD / CD-ROM ist es egal.)
DOS und DOS-basierte Systeme wie etwa Windows 9x/ME setzen dies
zwingend voraus.
Wenn mehrere Ger�te an einen Controller angeschlossen sind, m�ssen
auch hier die Betriebs-Modi zwischen Controller und Ger�t ausgehandelt
werden. Fr�her, zu Zeiten als es nur die PIO-Modi gab, war folgendes
zu beachten:
Wenn zwei Ger�te an einem IDE-Strang hingen, einigte sich der
Controller mit den Ger�ten auf den kleinsten gemeinsamen Nenner beim
�bertragungsmodus. Wenn also z.B. eine PIO4-Festplatte zusammen mit
einem PIO0-CD-ROM an einem IDE-Kanal hing, wurde f�r beide Ger�te der
langsame PIO-Modus 0 mit gerade mal 3.33 MB/s benutzt. Daher war es
ratsam, schnelle und langsame Ger�te (also z.B. eine neue Festplatte
und ein CD-ROM oder eine alte [Wechsel-]Festplatte) zu trennen und an
verschiedene IDE-Kan�le zu h�ngen.
Heute braucht man sich um solche Dinge in der Regel keine Gedanken
mehr zu machen. Lediglich die Steuerkommandos werden im PIO-0
�bertragen. Die Daten flie�en in dem Modus, den das einzelne Ger�t
(maximal) kann.
Informationen zum ATA-Standard:
http://www.t13.org
Informationen zur Belegung des Kabels:
3,5": http://www.hardwarebook.net/connector/storage/atainternal.html
2,5": http://www.hardwarebook.net/connector/storage/ata44internal.html
5.15.2 Serial-ATA
=================
Die neueste Entwicklung bei ATA nennt sich Serial-ATA (oder genauer:
"High Speed Serialized AT Attachment, kurz SATA) und wurde in der
Revision 1.0 bereits im August 2001 von den Firmen APT Technologies,
Dell Computer, IBM, Intel, Maxtor und Seagate verabschiedet, und findet
langsam aber sicher den Weg auf die Mainboards und vor allem endlich
in die Southbridges. Die "Serial-ATA Workgroup" arbeitet bereits an der
Verbesserung "Serial-ATA II"; selbst Serial-ATA III ist schon auf der
Roadmap skizziert. Da Serial-ATA eine relativ neue Technologie ist,
sollen die Grundlagen hier kurz skizziert werden. Ein sehr guter
Artikel zu SATA findet sich in der c't 16/02, auf dem dieser Artikel
auch aufbaut.
Serial-ATA bringt einige umfangreiche Ver�nderungen gegen�ber
Parallel-ATA. Die augenscheinlichste Ver�nderung ist die Erh�hung der
Bandbreite, die bei SATA I brutto 1.5GBit/s betr�gt. Aufgrund der wie
bei vielen seriellen Verbindungen gew�hlten 8b/10b-Kodierung liegt
die Nettorate �ber 25% darunter, bei SATA I sollen demnach 150MB/s
f�r jedes Ger�t verf�gbar sein. Serial-ATA II und III sollen diese
Rate dann jeweils verdoppeln.
SATA ist kein Bus mehr mit Master oder Slaves, sondern eine
Punkt-zu-Punkt Verbindung. Auch die verwendete Spannung ist weit weg
von der, die man von den fr�heren Zeiten kennt. SATA arbeitet mit
einem Signalpegel von nur +/- 250mV. Die Signale selbst werden zur
besseren Datenintegrit�t differentiell �bertragen, Sende- und
Empfangskan�le sind getrennt. Die Kabel d�rfen dank dieser Technik
bis zu 1m lang sein, ausserdem sind sie nur knapp 8mm breit. F�r die
�bergangszeit sind Adapter geplant, die das Anschliessen von normalen
IDE und ATAPI-Ger�ten an SATA-Controler erm�glichen sollen.
Durch die Trennung von Sende- und Empfangsrichtung ist ein
Full-Duplex-Betrieb und damit auch ein Handshake von Ger�t und Host
m�glich. Ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten ist f�r
den Betrieb jedoch leider nicht vorgesehen (im Gegensatz zu
Serial-SCSI oder FibreChannel). Da man aber nur 2 Teilnehmer am Bus
hat, n�mlich Host und Device, gestaltet sich der Handshake und die
bus negotiations ("Verhandlung", wer den Bus benutzen darf) deutlich
einfacher als z.B. bei Ethernet.
Auch von der Anzahl der Dr�hte im Stromkabel hat sich bei SATA einiges
getan. Der Stromsteckerhat jetzt 15 Kontakte mit jeweils 3 Anschl�ssen
f�r 3.3V, 5V und 12V, von denen jeweils ein Kontakt am Ger�testecker
etwas l�nger ausgef�hrt ist, um ein Precharge zu erm�glichen. Dies ist
f�r die hot-plug F�higkeit von SATA auch zwingend erforderlich, ein
weiteres neues Feature von SATA.
Treiber- und BIOS-seitig verh�lt sich Serial-ATA Kompatibel zu
ATA/ATAPI-6, alle Kommandos, Register etc. k�nnen emuliert werden. Das
liegt daran, dass der daf�r zust�ndige Link-Layer die Daten zu Paketen
(sog. "Frames") zusammenf�gt und sie erst dann verschickt. Sein
Gegen�ber muss diese Frames dann wieder auspacken, und kann die Daten
damit wie einen "normalen" Port-Zugriff oder ein ATA-Kommando
behandeln. Der Host-Controller kann dabei als Busmaster arbeiten, hier
als "First-Party DMA".
Im emulierten Betrieb braucht man f�r Serial-ATA nicht einmal zwingend
neue Treiber, da die bestehenden ATA-Kommandos verwendet werden
k�nnen. Erst wenn man die in SATA definierten Supersets nutzen m�chte,
sind neue Treiber erforderlich. Auch die einstige Beschr�nkung auf
128GB (28Bit Adressierung) kennt SATA aufgrund der Kompatibilit�t zu
ATAPI-6 nicht. Aber nicht nur wegen der Supersets und der Adressierung
sind Treiber n�tig: SATA kennt auch zus�tzliche Stromspar-Modi. Diese
nennen sich "Partial" und "Slumber". Bei beiden werden keine Daten
oder Kommandos mehr auf dem Kabel �bertragen, es herrscht dort also
"Ruhe". Beim Partial-Zustand muss sich ein Ger�t innerhalb von 10�s
wieder aufwecken lassen, im Slumber-Mode darf diese Zeit 10ms
betragen.
Weitere Neuerung ist das von ATAPI-6 abgeschaute Overlap-Kommando,
sowie das von SCSI-2 bekannte Tagged Command Queuing. Das Ger�t kann
somit mehrere Kommandos gleichzeitig senden und empfangen, und darf
sogar die Reihenfolge der Kommandos eigenh�ndig optimieren.
Informationen zu Serial-ATA gibt im genannten c't-Artikel und unter
http://www.serialata.org und
http://www.intel.com/technology/serialata/index.htm
5.16 SCSI
=========
Urspr�nglich wurde SCSI (Small Computer Systems Interface) als
Massenspeicheranschlu� schon Mitte der 70er Jahre entwickelt. Der
Standard wurde im Laufe der Zeit immer wieder verbessert und den
aktuellen Anforderungen angepa�t.
SCSI zeichnet sich durch gro�e Flexibilit�t (verschiedenste Ger�te,
hohe �bertragungsraten, geringe Prozessorbelastung) aus, aber leider
sind SCSI-Ger�te oft unverh�ltnism��ig teuer. Daher wird SCSI
meistens im Profi- und Serverbereich genutzt.
Festplatten mit SCSI-Interface sind oftmals Hochleistungsplatten,
die allein schon wegen ihrer Ger�uschentwicklung und Hitzeabgabe in
einem normalen Heim-PC nichts zu suchen haben. Falls man eine
nicht-Hochleistungsplatte mit SCSI-Interface in die Hand bekommt, so
arbeitet dort mit gro�er Sicherheit dieselbe Technik, wie beim
jeweiligen Schwestermodell mit IDE-Interface. Durch geringe
Produktionsmengen und Nachfrage werden aber die SCSI-Platten oft
deutlich teurer sein, als IDE-Modelle.
SCSI startete als "Narrow" (eng, schmal) Bus mit einem 50 Pin
Anschluss, der die Daten in einzelnen Bytes �bertrug. SCSI ist somit
ein paralleler Bus. Es folgte der "Wide" (weit) Bus mit 68 Pins
(oder 80 Pins bei SCA-2), der 2 Bytes gleichzeitig �bertragen konnte.
Der spezielle SCA-2 Anschluss f�hrt die Stromversorgung im
Flachbandkabel mit sich, und ist deshalb nicht direkt zu den 68 Pin
Anschl�ssen kompatibel; es gibt jedoch Adapter, die Kompatibilit�t
herstellen k�nnen. Narrow und Wide werden h�ufig als "Single Ended"
bezeichnet".
Nach der Entwicklung des Wide-Busses folgte die LVD-Technologie,
welche durch die differentielle �bertragung deutlich schnellere
Daten�bertragungen und erheblich l�ngere Busl�ngen erlaubt. Steigert
man die Spannungsamplitude, kann man mit HVD-SCSI sogar Strecken von
bis zu 25 Metern mit SCSI �berbr�cken.
Elektrisch gesehen gibt es somit 3 Level in der SCSI-Terminologie:
SE = Single Ended
HVD SCSI = High Voltage Differential SCSI, basierend auf EIA485
LVD SCSI = Low Voltage Differential SCSI
SE und HVD/LVD sind elektrisch inkompatibel. Schlie�t man ein
SE-Ger�t an einen HVD-Strang, so wird es durch die h�heren
Spannungspegel von HVD zerst�rt. Umgekehrt darf nichts passieren,
da HVD-Ger�te es laut Standard erkennen m�ssen, wenn sie an einem
SE-Hostadapter h�ngen.
Eine �bersicht �ber die verschiedenen SCSI-Modi bietet folgende
Tabelle:
| |Bus Breite| max. Busl�nge | max.
Modus | maximale | [Bits] | [Meter] (1) | Anzahl
| Datenrate| +-------+---+---+ Ger�te
| | |Single-|LVD|HVD|
| [MB/sec] | |Ended | | |
===================+==========+==========+=======+===+===+=========
SCSI-1 (2) | 5 | 8 | 6 |(3)| 25| 8
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Fast SCSI (2) | 10 | 8 | 3 |(3)| 25| 8
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Fast Wide SCSI | 20 | 16 | 3 |(3)| 25| 16
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Ultra SCSI (2) | 20 | 8 | 1.5 |(3)| 25| 8
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Ultra SCSI (2) | 20 | 8 | 3 | - | - | 4
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Wide Ultra SCSI | 40 | 16 | - |(3)| 25| 16
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Wide Ultra SCSI | 40 | 16 | 1.5 | - | - | 8
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Wide Ultra SCSI | 40 | 16 | 3 | - | - | 4
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Ultra2 SCSI (2,4) | 40 | 8 | (4) | 12| 25| 8
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Wide Ultra2 | | | | | |
SCSI(4) | 80 | 16 | (4) | 12| 25| 16
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Ultra3 SCSI oder | | | | | |
Ultra160 SCSI (6) | 160 | 16 | (4) | 12|(5)| 16
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
Ultra320 SCSI (6) | 320 | 16 | (4) | 12|(5)| 16
-------------------+----------+----------+-------+---+---+---------
(1) Die aufgef�hrten maximalen Busl�ngen k�nnen in einzelnen,
ausgew�hlten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ggf. auch l�nger
sein.
(2) H�ufig findet man ein vorangestelltes "Narrow" als Bezeichnung
vor "SCSI", "Ultra SCSI" oder "Ultra2 SCSI".
(3) LVD (Low Voltage Differential) war in den original
SCSI-Standards f�r diese Geschwindigkeiten nicht vorgesehen.
Wenn alle Ger�te am Bus LVD unterst�tzen, ist eine Busl�nge
von 12 Metern bei den angegebenen Geschwindigkeiten m�glich.
(4) "Single-Ended" ist nicht f�r Geschwindigkeiten �ber Ultra-SCSI
definiert.
(5) HVD (High Voltage Differential) ist nicht f�r
Geschwindigkeiten �ber Ultra2-SCSI definiert.
(6) Nach Ultra2-SCSI sind alle �bertragungsmodi automatisch
nur noch im "Wide"-Betrieb.
Ausf�hrliche Informationen zum Thema SCSI gibt es an vielen
Stellen im Internet. Als Beispiel sei genannt:
http://www.scsita.org
http://www.scsifaq.org
5.17 LAN / RJ45 (Ethernet)
==========================
Immer h�ufiger findet auch eine LAN-Schnittstelle (LAN = Local Area
Network) in Form einer RJ45-Buchse f�r Ethernet die Integration in
die Chips�tze und somit den Weg auf die Mainboards. Bei Notebooks
hingegen ist diese Schnittstelle schon seit geraumer Zeit
Standardausr�stung.
Die LAN-Schnittstelle ist ebenso wie USB eine serielle
Schnittstelle. Hardwareseitig gibt es aber durchaus einige
Unterschiede in Buchsen- und Steckerformen, sowie in den
�bertragungsraten. Standardisiert wird Ethernet von der IEEE, die
Specs zu Ethernet findet man unter IEEE-802.3 unter
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/. Der Data Layer Link wird
von einem andere Gremium spezifiziert, da er ja nicht
Ethernet-spezifisch ist. Er ist von der IEEE standardisiert als
IEEE-802.1 unter http://grouper.ieee.org/groups/802/1/.
Heutiger Stand der Technik sind Netzwerkstecker im RJ45-Format mit
8 Pins, der auch Westernstecker genannt wird. Fr�her fand die
BNC-Buchse die weiteste Verbreitung und ist heute auch noch
anzutreffen. Die verschiedenen Stecker bedingen auch verschiedene
Kabel: W�hrend das BNC-System mit Koaxialkabeln arbeitet, kommen
beim Westernstecker sogenannte TwistedPair Kabel zum Einsatz.
Diese haben eine bessere Abschirmung (siehe auch die
Abschirmungsarten bei TwistetPair weiter unten) und somit eine
bessere Signalstabilit�t, was sowohl gr��ere Verbindungsstrecken
als auch h�here Daten�bertragungen erm�glicht. Heute ist eine
Daten�bertragungsrate von 100MBit/s (=12.5MB/s) weit verbreitet.
Daf�r ist Koaxkabel und damit ein BNC-System in der Regel g�nstiger,
jedoch ist man in der �bertragung auf 10MBit/s (=1.25MB/s)
beschr�nkt. Auch vom Aufbau unterscheiden sich die Systeme: mit BNC
baut man ein Bussystem auf, mit TwistedPair hingegen ein
Stern-(Hub-)System. Die Leitung, mit der die Rechner sp�ter verkn�pft
sind, wird auch Ethernet genannt.
Das Farbbelegung der Kabel des RJ45-Steckers sieht folgenderma�en
aus:
Adernpaar | Pins | Farbgebung nach Standard
| +------------+------------+--------------+------------
| | EIA / TIA | IEC | REA | DIN 47.100
----------+------+------------+------------+--------------+------------
1 | 4+5 |blau/weiss |weiss/blau |weiss/blau |weiss/braun
----------+------+------------+------------+--------------+------------
2 | 3+6 |weiss/orange|rot/orange |t�rkis/violett|gr�n/gelb
----------+------+------------+------------+--------------+------------
3 | 1+2 |weiss/gr�n |schwarz/grau|weiss/orange |grau/rosa
----------+------+------------+------------+--------------+------------
4 | 7+8 |weiss/braun |gelb/braun |t�rkis/violett|blau/rot
Pinbelegung des RJ45 f�r Ethernet bis 100Base-T:
Signal | Pin | Farbe
--------+-----+-----------------
TX + | 1 | weiss / orange
--------+-----+-----------------
TX - | 2 | orange
--------+-----+-----------------
RX+ | 3 | weiss / gr�n
--------+-----+-----------------
| 4 | blau
--------+-----+-----------------
| 5 | weiss / blau
--------+-----+-----------------
RX - | 6 | gr�n
--------+-----+-----------------
| 7 | weiss / braun
--------+-----+-----------------
| 8 | braun
Bei Gigabit Ethernet (1000Base-T) werden alle 4 Adernpaare parallel
verwendet, eine exakte Zuordung ist nicht mehr m�glich. Die Farben
enstprechen aber denen in der obigen Tabelle. Beim kommenden
10 Gigabit Ethernet wird es dann keine Kupfertechnik sondern nur
noch Glasfasertechnik geben.
Wichtig zu wissen sind die Kenndaten der einzelnen Standards,
die hier kurz vorgestellt werden:
Thin Ethernet / 10Base-2 (weit verbreitet)
------------------------------------------
- Geschwindigkeit: 10 MBit/s
- Stecker: BNC
- Kabel: Koaxial RG58 (50 Ohm)
- Max. Kabell�nge: 185 m
- Max. Anzahl Ger�te pro Kabelsegment: 30
- Min. Abstand zwischen Ger�ten: 0.3m
- Vernetzung: Bus
- Terminator an jedem Ende: 50 Ohm
Thick Ethernet / 10Base-5 (eher selten)
---------------------------------------
- Geschwindigkeit: 10 MBit/s
- Stecker: N-Type
- Kabel: Koaxial RG8
- Verkabelungsschema: EIA/TIA 568B
- Max. Kabell�nge: 500 m
- Max. Anzahl Ger�te pro Kabelsegment: 100
- Min. Abstand zwischen Ger�ten: 2.5m
- Vernetzung: Bus
- Terminator an jedem Ende: 50 Ohm
Standard Ethernet / 10Base-T (IEEE-802.3)
-----------------------------------------
- Geschwindigkeit: 10 MBit/s
- Stecker: RJ45
- Kabel: TwistedPair (Kategorie 3)
- Verkabelungsschema: EIA/TIA 568B
- Max. Kabell�nge: 100 m
- Vernetzung: Sternf�rmig
Fast Ethernet / 100Base-T (IEEE-802.3u)
---------------------------------------
- Geschwindigkeit: 100 MBit/s
- Stecker: RJ45
- Kabel: TwistedPair (min. Kategorie 5)
- Verkabelungsschema: EIA/TIA 568B
- Max. Kabell�nge: 100 m
- Vernetzung: Sternf�rmig
Gigabit Ethernet / 1000Base-T (IEEE-802.3ab und IEEE-802.3z)
------------------------------------------------------------
- Geschwindigkeit: 1000 MBit/s
- Stecker: RJ45
- Kabel: TwistedPair (min. Kategorie 5 Enhanced oder h�her) und
Glasfaser (IEEE-802.3z)
- Verkabelungsschema: EIA/TIA 568B
- Max. Kabell�nge: 100 m
- Vernetzung: Sternf�rmig
Nur zum Vergleich:
TokenRing (IEEE-802.5)
----------------------
- Geschwindigkeit: 4 oder 16 MBit/s
- Stecker: RJ45 oder IBM Data-Connector
- Kabel: TwistedPair (Kategorie 3)
- Max. Ringl�nge: 168 m (16MBit/s) / 360 m (4Mbit/s)
- Max. Kabell�nge: h�ngt von Ringgr��e und Art des Netzwerkes ab
- Max. Anzahl Ger�te pro Netzwerk: 72 (UTP) / 250-260 (Type-1)
- Vernetzung: Token Ring (physikalisch: Stern, logisch: Ring)
- Anderes Protokoll als Ethernet
Eine FAQ zu TokenRing gibt's unter
http://www.faqs.org/faqs/LANs/token-ring-faq/
Kabel-Kategorien bei TwistedPair:
---------------------------------
Kategorie/ | Bandbreite | max. Geschwindigkeit u. Verwendunszweck
ISO-Klasse | |
-----------+------------+------------------------------------------
1 | 100 kHz | ISDN, heute aber eher ungebr�uchlich
-----------+------------+------------------------------------------
2 | 1 MHz | 4 MBit/s TokenRing, ISDN-Mehrkanal etc.
-----------+------------+------------------------------------------
3 | 16 MHz | 10 MBit/s, 10Base-T
-----------+------------+------------------------------------------
4 | 20 MHz | 16 MBit/s TokenRing, 10Base-T
-----------+------------+------------------------------------------
5 / D | 100 MHz | 100 Mbit/s, 100Base-T
-----------+------------+------------------------------------------
5E / D | 100 MHz | 100 Mbit/s und 1000Mbit/s mit 1000Base-T,
| | speziell f�r Hochgeschwindigkeits-
| | anwendungen validiert
-----------+------------+------------------------------------------
6 / E | 250 MHz | 155 MBit/s ATM, 1000MBit/s 1000Base-T
-----------+------------+------------------------------------------
7 / F | 600 MHz | 622 MBit/s ATM, 1000MBit/s 1000Base-T
Abschirmungsarten bei Kupferkabeln bis CAT 5E:
----------------------------------------------
UTP - unshielded twistet pair = ungeschirmtes verdrilltes Kabel
FTP - foiled twistet pair = Kabel mit Foliengesamtschirm
S-UTP - screened, unshielded twistet pair = Kabel mit
Gesamtgeflechtschirm (nur Patchkabel)
S-FTP - screened, foiled twistet pair = wie FTP mit zus�tzlichem
Gesamtgeflechtschirm
PiMF - Paare in Metallfolie = Folienschirm f�r jedes Kabelpaar,
Gesamtgeflechtschirm
F�r die Newsgroups der Hierarchie de.comp.hardware.netzwerke.* gibt
es auch eine FAQ, die unter http://how.to/dchn/ zu finden ist; hier sind
auch einige der oben genannten Infos her. Bei Fragen lohnt sich ein
Blick dort immer!
Auf das grosse Thema "Wireless LAN" (WLAN) kann hier auch nicht
eingegangen werden. Darum k�mmert sich die Arbeitsgruppe 802.11 der
IEEE, deshalb sind viele Infos sowohl in der dchn-FAQ (s.o.) als auch
unter http://grouper.ieee.org/groups/802/11/ zu finden. Ausserdem gibt
es dazu die newsgroup news:de.comp.hardware.netzwerke.wireless.
5.18 Bluetooth
==============
Intention f�r die Entwicklung von Bluetooth war es, eine neue
universelle und vor allem schnurlose Kommunikationsschnittstelle
f�r eine Vielzahl von Ger�ten (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 Ger�te. Immerhin
gibt es seit Anfang 2002 endlich mehr als nur eine Handvoll
bluetoothf�higer Ger�tschaften. Bluetooth sendet maximal etwa
�ber eine Distanz von 10m, mit einer Bandbreite von 1MBit pro
Sekunde. Diese Bandbreite m�ssen sich jedoch alle Ger�te im
Funkbereich teilen, da nur ein Kanal vorhanden ist.
Bluetooth ist technisch gesehen eine nahbereichs Funktechnik. Im
Sinne der Bluetooth-Spezifikation soll jedes Ger�t mit einem
x-beliebigen anderen Bluetooth-Ger�t kommunizieren k�nnen -
soweit die Theorie. In der Praxis sieht das leider noch anders
aus, was aber wohl h�ufig am noch fr�hen Stadium dieser Technik
liegt. Ausserdem sind in Bluetooth verschiedene
Sicherheitsmechanismen eingearbeitet worden, was die
Kommunikation zweier Ger�te erst nach h�ufig etwas aufwendiger
Abstimmungsarbeit, die deutlich komplexer als etwa bei WLAN ist,
erlaubt.
Grundlage der verschiedenen Anwendungen sind die so genannten
Profile. Diese legen Hersteller�bergreifend fest, wie die
Ger�te untereinander erkennen, welche M�glichkeiten vorhanden
sind und wie diese zu nutzen sind. Typische vordefinierte
Profile sind:
- File Transfer Profile: Dient dem Austausch von Daten zwischen
Ger�ten, beispielsweise einer Notiz zwischen PDA und Notebook.
- Synchronization Profile: Ist eine spezialisierte Form des
File Transfers. Hier k�nnen Daten abgeglichen werden. Um die
Kompatibilit�t mit bestehender Synchronisatios-Software f�r
IrDA zu wahren, gibt es eine eigene Protokollschicht namens
IrMC.
- LAN Access Profile: Gedacht, um Zugriffe auf Firmennetzwerke
zu erm�glichen. Hier muss ein Rechner als Bridge konfiguriert
werden, der einen Netzwerkanschluss besitzt (LAP, LAN Access
Point). Man sollte jedoch ob der geringen Bandbreite von
1MBit/s von Mega-Byte schweren �bertragungen absehen - so
werden h�chsten lange Kaffeepausen forciert. Das LAN AP soll
aber in der kommenden Spezifikation (1.2, etwa Herbst 2003)
wieder entfernt werden.
- Ultimate Headset Profile: Urspr�nglich nur als Ersatz des
verkabelten Head-Sets beim Handy gedacht, kann ein solches
Bluetooth-Headset noch mehr, wie etwa die Zusammenarbeit mit
einem station�ren Telefon oder einem PC zwecks Diktat etc.
- Three-in-One Phone Profile: Kann mehr als die direkte
Verkn�pfung zweier Head-Sets � la "Walkie-Talkie": Ger�te mit
Tastatur und Anzeige k�nnen als Schnulostelefon wie bei DECT
agieren, oder gar als regul�res GSM- oder UMTS-Handy arbeiten.
- Serial Port Profile: Mit diesem eher universellen Profil soll
es den Entwicklern leicht gemacht werden, Anwendungen, die
RS-232 nutzen, auf Bluetooth abzustimmen oder umzustellen.
Bluetooth hat durchaus alles N�tige, um zum "Renner" bei allen
mobilen Anwendungen zu werden - sobald sich eine breite
Unterst�tzung durch Hardware (Chips�tze, AddOn-Karten, Ger�te),
und Software (Betriebssysteme, Treiber etc.) findet.
Federf�hrend bei der Entwicklung von Bluetooth ist die
"Bluetooth Special Interest Group" (Bluetooth SIG), die unter
http://www.bluetooth.com zu finden ist. Die Specs sind frei
erh�ltlich. Weitere Infos zu Bluetooth gibt es auch noch in der
c't 9/01 Seite 100f und 1/02 Seite 116ff, einige historische
Aspekte werden auch unter
http://www.heise.de/ct/aktuell/data/dz-21.05.03-001/
angesprochen.
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