IT-Grundlagen. Externe Schnittstellen. Grundlagen der Informatik Peripherie I. Michael Frank HTWK-Leipzig, /1

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1 IT-Grundlagen Externe Schnittstellen /1

2 Externe Schnittstellen I ( Stecker ) /2

3 Externe Schnittstellen Die Schnittstelle oder das Interface (engl.: Grenzfläche ) ist der Teil eines Systems, der der Kommunikation dient. Die kommunizierenden Systeme werden dabei als Black Boxes betrachtet, die nur über die definier- te Schnittstelle kommunizieren können. Eine Schnittstelle wird durch eine Menge von Regeln beschrieben, das Protokoll. Neben der Beschreibung, welche Funktionen vorhanden sind und wie sie benutzt werden, gehört auch eine Beschreibung der Semantik (des Sinns) der einzelnen Funktionen dazu /3

4 Externe Schnittstellen Unter externen Schnittstellen versteht man aus der Sicht des Computers alle Verbindungsmöglichkeiten, die jenseits der zentralen Betriebseinheit (Hauptplatine mit CPU, RAM, ROM, CMOS-RAM, Chipsatz, Bussysteme etc.) liegen. Dazu gehören auch Card-Reader, Festplatten, Disketten-, DVD- und CD-Laufwerke, die fest im Gehäuse des Computers eingebaut sind. Sie sind über Kabel mit der Hauptplatine verbunden /4

5 Festplatten Als Festplatte (engl.: hard drive disk HDD) wird ein leistungsstarkes Speichermedium im Computer bezeichnet, das Daten permanent und ohne ständige Energiezufuhr erhalten kann. Der Speicherplatz einer Festplatte (d.h. ihre Größe) wird in der Einheit Byte in Kombination mit einer Vorsilbe, die die aufnehmbare Menge an Bytes charakterisiert, angegeben. Kilo 1000, Mega 1 Million, Giga 1 Milliarde, Terra 1 Billion, Penta 1 Billiarde, /5

6 Festplatten Eine Festplatte im engeren historischen Sinne ist ein ferromagnetisches Speichermedium der Computertechnik, welches binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dazu wird die hartmagnetische Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information magnetisiert. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung der Magnetisierung der Plattenoberfläche mittels des Lesekopfes. Im weiteren Sinne werden mit vergleichbaren Speicherkapazitäten auch Flash-Speicher und Hybridspeicher funktionsgleich als Festplatten angeboten /6

7 Festplatten Innenleben Anblick von außen /7

8 Festplatten /8

9 Festplatten Wichtig beim (nachträglichen) Einbau von Festplatten in Computer ist die ausgewiesene minimale Zugriffszeit der vorhandenen und der neuen Festplatten. Sie sollten gleich oder Vielfache voneinander sein. Außerdem muss das BIOS in der Lage sein, die Größe der Festplatte wirklich zu handhaben. Sonst bleiben dem BIOS Teile der Festplatte verborgen, sie werden nicht genutzt /9

10 Festplatten Wichtig ist auch noch, dass die Anzahl der physikalisch eingebauten Festplatten kleiner als die Anzahl der logisch partitionierten Festplatten sein kann (d.h. optisch die Anzahl der Laufwerksbuchstaben im Windows-Explorer). Festplatten müssen zur Benutzung partitioniert ( formatiert ) werden. Es gibt viele verschiedene Standards, dies zu tun: FAT, FAT32, NTFS unter Windows, ext3 und Swap für Linux, andere... 2,5cm-Festplatten für Handys sind bereits Realität /10

11 Solid-State-Drive (SSD) Unter Solid-State-Drives (SSD = Handelsname!) versteht man elektronische Speichermedien mit großer permanenter Speicherkapazität. Es sind Halbleiterbauelemente ohne mechanische Teile. Äußerlich kommen sie in Bauform der Festplatten oder in Bauform von PCI-Einsteckelementen für das Motherboard im Handel vor. Vorteile sind mechanische Robustheit, sehr kurze Zugriffszeiten, größere Temperaturbeständigkeit und keine Geräuschentwicklung /11

12 Solid-State-Drive (SSD) /12

13 Solid-State-Drive (SSD) Nachteile sind derzeit noch: Höhere Preise pro GB im Vergleich zu HDDs Mitunter Fehler im verwendeten Controller oder in der Firmware (Treibersoftware) Qualität des verbauten NAND-Flashs variiert stark (mangelnde Qualitätskontrolle im Werk) Stark begrenzte Anzahl von Schreibvorgängen je Speicherzelle, Standzeit etwa 10 Jahre /13

14 Solid-State-Drive (SSD) Im Oktober 2012 lagen die Preise (in Euro pro GB) für eine SSD noch bei ungefähr dem 13fachen des Preises eines herkömmlichen HDDs (0,50 /GB für ein 120 GB große SSD gegenüber 0,04 /GB für eine GB-HDD). Auf Dauer ist durch die Preisentwicklung mit einer Ablösung der HDD als bedeutendstem Massenspeicher durch SSD zu rechnen. Hybrid-Speicher = Mischung aus HDD und SSD in einem Bauteil. Nur Windows Vista, 7, 8 nehmen! /14

15 Solid-State-Drive (SSD) konventionelle Festplatte kommerzielle Flash-SSD industrielle Flash-SSD max. Kapazität 4 TB 2 TB > 2 TB Betriebstemperatur 5 bis 55 C 0 bis 70 C 40 bis 85 C Schreibzyklen [42] 10 Mrd. (3 Jahre MTBF) / Flashzelle 1 5 Mio. / Flashzelle ( handverlesene Chips) Datenerhalt keine Angaben 10 Jahre 10 Jahre Flugschreiber-geeignet nein nein ja Sicheres Löschen ja teilweise ja * Vorhersage des Ausfalls und des Verschleißes ja teilweise ja *Löschalgorithmen nach US-Air-Force- oder Navy-Standard /15

16 Flash-EEPROM (Flash) Festspeicher mit blockweisem Löschen (nicht bitweise), dadurch Verschleiß. Bis zu Schreibzyklen bei NOR- Bauweise, bis zu 2 Mio Schreibzyklen bei NAND-Bauweise maximal /16

17 Flashspeicher-ist-100-Mal-schneller_ html PCM-Speicher 2011: Erste Muster von PCM-Speicherchips von IBM, bis zu 10 Mio Schreibzyklen möglich, 100x schneller als DRAM-Flash-Speicher. Es gibt erst Muster! Im mobilen Einsatz bis dann Standard /17

18 Vergleich alternativer Speicher Alternative Speichertechnologien, mechanikfrei: Zyklenzahl max. Fehlerfreie Datenhaltung /18

19 Optische Disks Als optische Disks bezeichnet man Datenspeicher in Form von runden Scheiben aus Plaste und anderen Materialien, die mit einem Laser mit digitalen Daten dauerhaft beschrieben werden. Typische Vertreter sind DVD und CD, demnächst keine HD-DVD jedoch Blu-ray Disks. (Die Entscheidung fiel im Frühjahr 2008 nach etwa vierjährigem Kampf um die Märkte.) /19

20 DVD-, CD- und Diskettenlaufwerke Normale PCs haben heutzutage CD- und DVD- Laufwerke (oft sogar Brenner) als festen Bestandteil des Computers. Für DVDs z.b. gibt es mindestens vier Standards, nicht jedes Laufwerk kann jede CD/DVD lesen, nicht jeder Brenner kann jede CD/DVD brennen. Messlatte ist heutzutage die Schreibgeschwindigkeit, die als Vielfaches der Lesegeschwindigkeit angegeben wird. (z.b. 10x, 40x etc.) /20

21 Entwicklungsimpulse Mit dem Übergang von Standard-Fernsehen in den Varianten PAL/SECAM (Europa) und NTSC (USA) zu hochauflösendem Fernsehen HD-TV wird sich die Datenmenge pro Fernsehbild etwa versechsfachen, auf etwa 62 Mio Bildpunkte. Entsprechend steigen die Anforderungen an die Speicherdichten optischer Disks und an die Schreib-/Lesegeschwindigkeiten. DVD und CD sind physikalisch überfordert /21

22 Technische Neuerungen Blauer statt roter Laser, d.h. Verkürzung der Wellenlänge von 650 bzw. 780 nm auf 405 nm Erhöhung der numerischen Apertur, die u.a. die Fokussiereigenschaften der Linsen beschreibt Verwendung eines neuen Video-Kodierstandards H.264 (ITU-Standard) bzw. MPEG-4/AVC (ISO- Standard), auch H.264/AVC genannt, anstatt MPEG-2 die Datenraten können u.a. um 25-50% absolut reduziert werden (VC-1 ist ein Verfahren der SMPTE für TV (USA)) /22

23 Parameter der Lesevorgänge /25

24 Kenndaten der Disktypen /26

25 Perspektiven (HD-DVD und) Blu-ray haben exakt dieselbe Größe wie klassische CD und DVD. Damit ändern sich Geräte zur Wiedergabe von technischer Seite her nur in den Laserparametern. Die Anzahl der Layer auf den Disks soll auf 2-8 gesteigert werden, was die Speicherkapazität entsprechend erhöht. Die Layer werden in verschiedenen Eindringtiefen der Disks untergebracht /28

26 Externe Schnittstellen II ( Stecker ) /29

27 Externe Schnittstellen Traditionelle Schnittstellen für Peripheriegeräte sind die seriellen und parallelen Schnittstellen. Der Grafikkartenanschluss (VGA/DVI/HDMI) externer Anschluss von Monitoren und Beamern. Datenübertragung preiswert: USB (2.0, bald 3.0) Der drive für Video: firewire / ilink / SATA Netzwerkanschluss: LAN = meist Ethernet Die drahtlos verkabelte Welt der Zukunft: bluetooth; WLAN, GPRS, UMTS, LTE, /30

28 Externe Schnittstellen Maus- und Tastaturanschlüsse PS/2 Zusatzanschluss für Monitor Ports für Steckkarten, SmartCards etc. Weitere Möglichkeiten, den Computer über Steckplätze und Stecker mit anderen Geräten zu verbinden... (Stromanschluss! aber keine Schnittstelle) /31

29 Externe Schnittstellen /32

30 Externe Schnittstellen serielle Schnittstelle (com1, com2) Übertragung Bit für Bit nacheinander für langsame Geräte (Tastatur, Maus, Modem), längere Kabel möglich als für... parallele Schnittstelle (LPT1, LPT2) - veraltet Übertragung von 8 Bit (1 B) gleichzeitig ( parallel ) für höheren Datendurchsatz, z.b. für Drucker Centronics Schnittstelle /33

31 Externe Schnittstellen PS/2-Schnittstellen In den 80er Jahren von IBM entwickelt Heute für den Anschluss von Maus und Tastatur verwendet (grün = Maus, violett = Tastatur) Die Übertragungsprotokolle für die Signale sind bei Maus und Tastatur verschieden (Die Alternativen für den Maus-Anschluss sind die serielle und die USB-Schnittstelle.) /34

32 /35

33 VGA-Schnittstelle Die VGA-Schnittstelle dient i.d.r. dem Anschluss des Bildschirms bzw. Beamers. Wenn es mehrere VGA-Schnittstellen gibt, kann man auch mehrere Bilddarstellungsgeräte anschließen. Gerät Stecker /36

34 DVI-Schnittstellen DVI heißt Digital Visual Interface. DVI-Schnittstellen wurden für das Digital Rights Management neu geschaffen. Das dazu eingesetzte Übertragungsprotokoll heißt HDMI (High Definition Multimedia Interface), das es ab 2004 gibt /37

35 DVI-Schnittstellen Sinn der Schnittstelle ist, dass die Datenübertragung zwischen Monitor/Beamer und Grafikkarte mit einer ständig wechselnden Verschlüsselung erfolgt. Zusätzliche Ausgänge des Endgerätes werden totgelegt. Nur die ersten beiden und der letzte Stecker sind auf VGA umzustellen /38

36 DVI zu VGA Es gibt Adapter von DVI auf VGA. Bei der Benutzung von Adaptern dieser Art geht der Schutz der digitalen Inhalte verloren /39

37 HDMI als Schnittstelle HDMI basiert auf DVI und ist zu 100% abwärts-kompatibel zu DVI. D.h. DVI- Signale (via DVI-HDMI-Adapter) sind über die HDMI-Schnittstelle übertragbar. In der anderen Richtung wird allerdings nur eine Untermenge der HDMI-Signale an die DVI- Schnittstelle übertragen. HDMI nutzt das gleiche Kopierschutzverfahren wie DVI: HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection) /40

38 HDMI als Schnittstelle HDMI überträgt sowohl digitale Videodaten (Bilddaten) als auch digitale Audiodaten. Es ist, wie bei DVI-digital, keine Digital-Analog- Digital-Wandlung mehr notwendig. HDMI arbeitet ohne Datenkompression und weist daher keinen systembedingten Qualitätsverlust auf wie dies z.b. bei FireWire / i.link der Fall ist. Die Daten werden mit einer Bandbreite von insgesamt bis zu 4,95 GB/s und mit 24 Bit pro Pixel übertragen (1.x). auch für HD-Video geeignet /41

39 HDMI als Schnittstelle HDMI und HDMI /42

40 HDMI als Schnittstelle /43 regler.de/hdmi/hdmi-14-im-vergleich.php

41 Externe Schnittstellen USB (Universal Serial Bus) 1.0, 1.1, 2.0, (3.0) Schnittstelle und Bussystem für Geräte mit höherem Datendurchsatz: Scanner, Kamera 32-Bit, bis 480 MBit/s bei USB 2.0 USB 3.0 soll bis 4,8 Gbit/s reichen plug & play, einfacher Anschluss bis zu 127 Geräte (mittels USB-Hub) alle USB-Geräte an einen Interrupt keine Terminierung notwendig preiswerter als SCSI, aber nicht so stabil und zuverlässig (keine Quittung) Nokia! /46

42 Externe Schnittstellen Vision von 1998 Realität? /47

43 USB 3.0 USB 2 vs. USB /48

44 SATA Serial ATA (SATA, auch S-ATA/Serial Advanced Technology Attachment) ist ein hauptsächlich für den Datenaustausch zwischen Prozessor und Festplatte entwickelter serieller Datenbus. SATA hat drei Hauptvorteile: Höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Datenübertragungsraten: 150 MB/s, 300 MB/s, 600 MB/s /49

45 Externe Schnittstellen Firewire / IEEE 1394 / i Link Konkurrenz zu USB, ein Gerätebus Von 400 MBit/s -> IEEE 13946b: seit 4/ MBit/s im Vollduplex-Betrieb Bus für extrem hohen Datendurchsatz, Bluetooth z.b. Videokamera, DVD-Player o.ä. Drahtloser Anschluss von mobilen Geräten (Notebook, Digitalkamera, Handy, Laserdrucker etc.) m, 11 MBit/s, über PCMCIA oder USB Bis 127 Geräte per Funk anschließbar /54

46 Externe Schnittstellen Dezentrales Prinzip Bluetooth /55

47 Bluetooth /56 A new device has been found Device Airbus A310 Run Auto-configuration? Start Cancel

48 /61

49 /62

50 Quellen Andreas Holzinger, Basiswissen IT / Informatik, Bände 1: Informationstechnik (IT), Vogel Buchverlag, Würzburg, Herdt-Verlag, Nackenheim R. Scheffel, Vorlesung Grundlagen IT, , HTWK Leipzig, Fb BuM - Profunde Anleitung zur Selbsthilfe rund um den PC, mit Bauanleitungen, technischen Beschreibungen, Hilfestellungen etc. sehr empfohlen Brand Fortner, "Number by Color", Part 5, SciTech Journal 6, p. 32, May/June Quelle von Wissensinspirationen, die aber immer gegengeprüft werden müssen Zahlreiche weitere Webseiten zur Gewinnung aktueller Informationen /63

51 Quellen Dr. Th. Wedi, Blu-ray die nächste Generation der optischen Disks, FKT 7/2005, T. Wedi, Y. Kashiwagi, Subjective quality evaluation of H.264/AVC FRExt for HD movie content, Joint Video Team (JVT), JVT-L033, Juli 2004, Wikibook: Computer-Hardware für Anfänger - 3%A4nger Wkibook: Computer-Hardware (für Fachleute) /64

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit bis demnächst /65

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