Speicherbusse

Als Speicherbus werden jene Peripheriebusse bezeichnet, die den Anschluss von Festplatten, Bandlaufwerken oder optischen Speichern (CD, DVD) an den Systembus des Rechners ermöglichen. Beim PC handelt es sich beim Systembus schon seit längerem um den PCI-Bus. Der im PC vorhandene AGP-Bus dient lediglich zum Anschluss einer Grafikkarte. Neuere PC-Systeme besitzen keinen AGP-Bus mehr. Dafür existiert neben dem PCI-Bus der PCI-Express-Bus, der wesentliche Vorteile gegenüber dem PCI-Bus aufweist.

Als Speicherbus der billigsten Art hat sich der ATA-Bus (auch IDE-Bus genannt) etabliert. Man findet den ATA-Bus praktisch nur in PCs. Der SCSI-Bus ist hingegen auch außerhalb der PC-Welt vertreten und bietet immer noch eine bessere Ausfallsicherheit. Deswegen findet man den SCSI-Bus vor allem bei Servern. Daneben gibt es als weiteren Speicherbus den Fibre Channel für besonders hohe Leistungsanforderungen.

Neben den beiden Hauptvertretern von parallelen Bussen (ATA- und SCSI-Bus) werden immer mehr serielle Busse zum Einsatz kommen. Ursprünglich hatte man sich von parallelen Bussen ein hohes Potenzial an zusätzlicher Bandbreite versprochen, weil man im Vergleich zu seriellen Verbindungen den Durchsatz mit relativ einfachen Mitteln um das 8-, 16- oder 32-Fache steigern kann, wenn man nur ein entsprechendes Vielfaches von Datenleitungen verwendet. Beispielsweise wurde der SCSI-Bus ursprünglich mit 8 Bit Breite definiert, später mit 16 Bit. Pläne für einen 32 Bit breiten SCSI-Bus wurden nie verwirklicht. Der ATA-Bus wird immer mit 8 Bit Busbreite betrieben.

Mit zunehmender Vergrößerung der Übertragungsgeschwindigkeit durch Erhöhung der Taktrate bekommt man es jedoch mit einem unangenehmen Problem zu tun: Die Synchronisation der parallelen Datensignale wird immer schwieriger. Dadurch wird die weitere Entwicklung von parallelen Bussen unattraktiv, und in Zukunft werden die Speicherbusse alle seriell sein. ATA wird zu Serial-ATA (SATA) und SCSI zu Serial SCSI. Der Fibre Channel war von Anfang an als serieller Bus konzipiert.

SCSI-Schnittstelle

SCSI (Small Computer Systems Interface; umgangssprachlich "SKASSIE" ausgesprochen), ist in seiner ursprünglichen Form ein 8 Bit breiter, paralleler Ein-/Ausgabebus für den Anschluss von Massenspeichern (Laufwerken aller Art) sowie von Scannern und anderen Peripheriegeräten. Er wird in vielen verschiedenen Rechnersystemen verwendet und hat deswegen weite Verbreitung gefunden. Die Vorteile von SCSI waren von Anfang an eine relativ hohe maximale Übertragungsrate sowie eine flexible und einfache Konfiguration.

SCSI-Signale können entweder auf 8 Bit (Narrow) oder 16 Bit (Wide-SCSI) breiten Bussen übertragen werden. Am 8-Bit-Bus können bis zu 7 Geräte, am 16-Bit-Bus bis zu 15 Geräte angeschlossen werden. Das achte bzw. 16. Gerät ist der SCSI-Controller. Beide Busbreiten verfügen über die Verkabelungsarten Single-Ended (SE) oder Differential, bei neueren Standards Low Voltage Differential (LVD). Bei SE-SCSI wird jedes Signal nur auf einer, bei Differential-SCSI dagegen auf zwei untereinander verdrillten Leitungen übertragen.

1. Paralleles SCSI

SCSI-1

Die erste SCSI-Norm; sie unterstützt nur Festplatten und Bandlaufwerke. Im asynchronen Datentransfermodus wurden Transferraten von maximal 1 MB/s erreicht, im synchronen Modus bis 5 MB/s. Beim asynchronen Datentransfer wird jedes Byte separat gesendet und bestätigt, beim synchronen werden mehrere Bytes auf einmal gesendet und dann gemeinsam bestätigt. Der Overhead bei der Datenübertragung ist relativ hoch. SCSI-1 wird seit 1990 nicht mehr verwendet.

SCSI-2

Der Kommandosatz von SCSI-2 enthält eine Reihe zusätzlicher Kommandos, die die Unterstützung von Festplatten, Band- sowie MO-(magneto-optischen) Laufwerken, CD-ROMs und Scannern ermöglichen. Innerhalb der SCSI-2-Norm ist eine höhere maximale Transferrate von 10 MB/s (Fast-SCSI) mit einer Busbreite von 8 Bits erlaubt. Ebenfalls möglich ist eine Breite des Datenpfades von 16 Bits (Wide-SCSI). Durch eine Kombination von Fast- und Wide-SCSI sind somit Tarnsferraten von bis zu 20 MB/s möglich. Aktuelle Festplattenlaufwerke haben in der Regel Fast-SCSI implementiert, sie müssen nicht auch Wide-SCSI beherrschen.

Ultra SCSI

Bei Ultra SCSI wurde die Transferrate nochmals verdoppelt, indem die Taktrate gegenüber SCSI-2 verdoppelt wurde. Bei einer Busbreite von 8 Bits ergibt sich somit eine Transferrate von 20 MB/s, bei 16 Bits sind es 40 MB/s. Die Befehlsübertragung geschieht weiterhin mit 5 MB/s wie im synchronen Modus von SCSI-1. Stecker und Kabel wurden aus Gründen der Kompatibilität beibehalten, jedoch verkürzt sich die zulässige Kabellänge bei Single-Ended auf 1,5m und bei Differential auf 12,5m. Eine aktive Terminierung ist unbedingt erforderlich.

Ultra2 SCSI (Low Voltage Differential)

Dieser Standard wurde nur noch als LVD (Low Voltage Differential) definiert, die Datentransferrate wurde gegenüber Ultra SCSI wiederum verdoppelt. Somit ergeben sich bei 16 Bit 80 MB/s. Die maximale Kabellänge beträgt 12m.

Ultra160 SCSI

Ultra160 benutzt die gleiche Verkabelung wie Ultra2 LVD-SCSI. Es wurde eine weitere Verdopplung der Transferrate durch Datenübertragung an der auf- und absteigenden Flanke des Taktsignals erreicht.

Ultra320 SCSI

Nochmalige Verdopplung der Bandbreite; führt zu gewissen technischen Schwierigkeiten bei externen Speicherlösungen.

SCSI-3

Beinhaltet sowohl die Normen des parallelen SCSI als auch die seriellen Interfaces.

2. Serial SCSI

Derzeit wird an seriellen SCSI Standards gearbeitet, die nach und nach die parallelen Standards und Fibre Channel ablösen werden.

Die ATA (IDE) Schnittstelle

Für PCs ist die IDE-Schnittstelle (Integrated/Intelligent Drive Electronics) sehr weit verbreitet. Die IDE-Schnittstelle wird auch als AT-Bus oder als ATA (AT-Attachment) bezeichnet. Zuvor hat es die ST506-Schnittstelle zur Anbindung von Festplatten im PC gegeben.

Pro IDE-Schnittstelle lassen sich maximal zwei Festplatten anschließen. Davon muss eine als Master, die andere als Slave betrieben werden. Das ist beim Einbau einer weiteren Festplatte in den PC zu beachten, zumal die IDE-Festplatten immer als Master vorkonfiguriert ausgeliefert werden. Allerdings stehen im PC üblicherweise zwei IDE-Schnittstellen zur Verfügung, sodass auch zwei getrennte Festplatten jeweils als Master betrieben werden können, wenn sie nicht an der selben IDE-Schnittstelle hängen.

Theoretisch können über die IDE-Schnittstelle maximal etwa 4,3 MB/s übertragen werden, in der Praxis jedoch nur ca. 2 MB/s. Sie ist ausschließlich zum Anschluss von Festplattenlaufwerken vorgesehen und unterstützt somit keine anderen Peripheriegeräte.

Fast-ATA, Enhanced IDE

Sowohl Fast-ATA als auch Enhanced IDE sind kompatibel zu den älteren IDE-Adaptern und -Festplatten. Auch das 40-polige Kabel ist gleich geblieben. Für Enhanced IDE gibt es unter dem Namen ATAPI (AT Attachment Packed Interface) Erweiterungen, mit denen der Anschluss von anderen Peripheriegeräten (CD-ROM, CD-Writer, Bandlaufwerke, Scanner etc.) möglich wird.

UltraATA

Bei UltraATA wird — vergleichbar mit Ultra-SCSI — die Taktrate auf dem Bus der Fast-ATA-Schnittstelle erhöht. Damit erhält man bei UltraATA eine Datenübertragungsrate von 33 MB/s auf dem Bus.

UltraATA 66, UltraATA 100 und UltraATA 133

Nach drei weiteren Steigerungen ist die Taktrate bei 133 MHz angekommen. Seit UltraATA 100 sind die Anforderungen an die Verkabelung wegen der höheren Taktrate strenger geworden: es werden spezielle 80-polige Kabel benötigt. Da der Stecker aber unverändert bleibt, können ältere Festplatten verwendet werden, selbstverständlich bei geringerer Transferleistung.

Serial ATA

Auch bei der ATA-Schnittstelle setzt sich eine serielle Technologie gegenüber der parallelen durch. Serial ATA (SATA) ist ein Bus, der ein hohes Wachstumspotenzial für die Übertragungsrate bietet und viele Eigenschaften aus der SCSI-Welt übernimmt. Damit ist SATA auch für Applikationen mit hohen Ein-/Ausgabeanforderungen (Server, RAID-Systeme) sehr gut geeignet.

DMA, UDMA

Im Zusammenhang mit Speicherbussen ist schließlich noch der DMA-Controller zu nennen, der mit Hilfe des zur Zeit aktuellen UDMA-Protokolls (Ultra Direct Memory Access) der Festplatte das Schreiben in den Arbeitsspeicher ohne Benutzung des Prozessors gestattet. Die Datenübertragungsraten variieren zwischen den verschiedenen Versionen, wobei eine Zahl hinter UDMA die Übertragungsgeschwindigkeit der jeweiligen Version in Mbyte/s angibt, z.B. UDMA/33, UDMA/66 oder UDMA/100 (momentaner Standard), UDMA/133.
UDMA muss von BIOS, Motherboard und Festplatte unterstützt werden.