Externe Bussysteme

Es handelt sich bei diesen Bussystemen um serielle Hochgeschwindigkeitsbusse. Die wichtigsten Vertreter dieser Kategorie sind:

• Firewire
• USB
  • USB 3.0
• eSATA
• Thunderbolt

FireWire (IEEE 1394) wurde ursprünglich von Apple Computer verwendet, um Multimedia-Geräte (z.B. Videokameras) mit dem Apple Macintosh zu verbinden. Der Standard IEEE 1394 wurde 1995 definiert. Mittlerweile gibt es einige Erweiterungen des Standards, die u.a. eine Erhöhung der Geschwindigkeit (ursprünglich 400 Mbit/s) brachten. Als Verbindungsmedium benutzte FireWire ein vier- oder sechspoliges Spezialkabel, das aus zwei abgeschirmten Twisted-Pair-Leitungen (und zwei zusätzlichen Leitungen für die Versorgungsspannung) bestand. Mittlerweile wird ein neunpoliges Kabel für die höheren Geschwindigkeiten eingesetzt. Näheres zur FireWire-Schnittstelle kann man in einem PDF-Dokument, das von Apple herausgegeben wurde, erfahren.

Eigenschaften von FireWire:

• geringe Abmessungen: dünnes serielles Kabel
• einfache Handhabung: keine Abschlusswiderstände, keine Gerätenummern (wie bei SCSI), kein Setup notwendig
• Geräte können während des Betriebs an- und abgesteckt werden ("hot pluggable")
• es können Geräte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (200 Mbit/s, 400 Mbit/s, 800 Mbit/s etc.) angeschlossen werden
• flexible Topologie: sowohl busförmig ("daisy chaning") als auch sternförmig möglich
• FireWire erlaubt reservierte Bandbreiten, was vor allem im Videobereich wichtig ist

Apple dürfte aber neuerdings FireWire zugunsten von Thunderbolt vernachlässigen bzw. FireWire überhaupt auflassen. Eine Weiterentwicklung von FireWire ist jedenfalls nicht mehr zu beobachten.

USB (Universal Serial Bus) ist ein anderer Schnittstellenstandard für den Anschluss externer Geräte über ein Bussystem. Ähnlich wie FireWire ist die Verbindung von USB-Geräten völlig unproblematisch und auch während des Betriebs möglich. Theoretisch können bis zu 127 Geräte an die USB-Schnittstelle angeschlossen werden. Der USB 2.0 Standard brachte gegenüber USB 1.1 eine Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeiten mit sich. Die Verwendung der Versionsnummer als Hinweis auf die mögliche Geschwindigkeit hat zu einigen Missverständnissen geführt (was möglicherweise sogar von manchen Geräteherstellern beabsichtigt ist…).

Der Terminus "USB" beinhaltet die Übertragungsgeschwindigkeiten 12 Mbit/s (Full-Speed) und 1,5 Mbit/s (Low-Speed). Eine Geschwindigkeit von 480 Mbit/s (Hi-Speed) wurde erst im USB 2.0 Standard definiert. Der USB 2.0 Standard schließt aber auch die bereits in USB 1.0 (1,5 Mbit/s) und USB 1.1 (12 Mbit/s) festgeschreibenen Transfermodi ein. Geräte können als "USB-2.0-kompatibel" bezeichnet werden, obwohl sie den Hi-Speed-Modus gar nicht unterstützen; das ist streng genommen korrekt, aber verwirrend. Das USB Implementers Forum (USB-IF) — eine Non-Profit-Organisation, der unter anderem die Unternehmen HP, Microsoft und Intel angehören — empfiehlt daher, auf das Certified Hi-Speed USB Logo zu achten:

Andererseits ist es nicht sinnvoll, für langsame Geräte, wie Tastaturen oder Mäuse, den Hi-Speed-Modus zu verlangen. Für sie genügen die anderen USB-Geschwindigkeiten 1,5 Mbit/s oder 12 Mbit/s. Das Certified USB Logo gibt darüber Auskunft:

Ob ein Hi-Speed-taugliches Peripheriegerät sich mit dem Full-Speed-Modus begnügt, hängt von seiner Firmware ab. Die meisten Geräte scheinen das zu beherrschen. (Das ist wichtig, wenn man ein Hi-Speed-Gerät an einem älteren USB 1.1-Port betreiben möchte.) Der Full-Speed-Modus reicht jedoch für einen DVD-Betrieb nicht aus, weil die maximalen theoretischen Übertragungsraten in der Praxis nie erreicht werden. Nur selten bringt der Full-Speed-Modus mehr als etwa 1 MByte/s, was deutlich unter der Datenrate im DVD-1X-Betrieb liegt.

Zum Vergleich der Geschwindigkeiten von FireWire und USB kann die folgende Grafik dienen, die den WWW-Seiten von Apple Computer entnommen wurde:

Unter "FireWire 400" bzw. "FireWire 800" sind die unterschiedlichen Standards innerhalb von IEEE 1394 gemeint.

Hi-Speed-Übertragungen (USB 2.0) liefern in der Praxis selten mehr als 32 MByte/s. Damit sind sie für moderne SATA-Festplatten oder gar Solid-State-Disks (SSDs) viel zu langsam. Im November 2008 stellte das USB Implementers Forum die Spezifikation für USB 3.0 vor. Es soll eine Brutto-Datenrate von 4,8 GBit/s erreicht werden (SuperSpeed-Modus).

Die höheren Datenraten werden durch eine Übertragungstechnik ähnlich PCI-Express beziehungsweise Serial ATA ermöglicht, die allerdings zusätzlich zum bisherigen Datenleitungspaar im Kabel noch zwei weitere Adernpaare erfordert (plus einen weiteren Masseanschluss). Da in den Steckern somit fünf weitere Kontakte erforderlich sind, wurden mit USB 3.0 neue Steckverbinder und Kabel eingeführt. Anders als noch bei USB 2.0 dürfen sich Geräte nur dann "USB-3.0-kompatibel" nennen, wenn sie tatsächlich die schnellstmögliche Geschwindigkeit (also Super-Speed-Modus) anbieten.

Der USB-Standard sieht vor, dass sich Geräte zunächst im Low-Power (100 mA) Mode am Bus anmelden und erst mit Erlaubnis des Host in den High-Power Mode (500 mA) umschalten. USB-3.0-Geräte dürfen bis zu 900 mA ziehen. Manche Anschlüsse können allerdings diese 900 mA nicht liefern; in diesem Fall sind auch weiterhin externe Netzteile oder Y-Adapter, um einen zweiten USB-Anschluss anzuzapfen, erforderlich. Man denkt aber bereits an eine Versorgung über USB 3.0 von bis zu 100 Watt, womit das Laden von Akkus oder der Betrieb ganzer Speichersysteme möglich wäre.

USB 3.0 bietet gegenüber USB 2.0 folgende weitere Vorteile:

• Verzicht auf "Device Polling", also die regelmäßige Überprüfung des Busses, ob neue Endgeräte hinzugefügt wurden. USB 3.0 nutzt ein asynchrones, Interrupt-gesteuertes Verfahren. Angeschlossene Geräte werden erst dann aus einem "virtuellen Schlafmodus" aufgeweckt, wenn sie etwas tun, also beispielsweise Daten übermitteln. Das reduziert den Strombedarf.
• Vollduplex- statt Halbduplex-Datenübertragung; bei Vollduplex können auf einem Kanal gleichzeitig Daten in beide Richtungen übertragen werden.
• USB 3.0 verwendet ein Shielded-Differential-Pair-Kabel (SDP) mit acht Drähten statt eines Unshielded-Twisted-Pair-Kabels (UTP). Zwei der Drähte stellen bei SDP die Rückwärtskompatibilität zu USB 2.0 sicher.

Generell sind USB-3.0-Hosts und -Endgeräte (Slaves) abwärtskompatibel zur USB-Version 2.0. Das heißt: USB-2.0-Geräte lassen sich an einen USB-3.0-Port anschließen und umgekehrt (USB-3.0-Systeme funktionieren auch an USB-2.0-Ports).

Anders sieht die Lage bei den USB-Kabeln aus: USB-3.0-Stecker vom Typ A (Kennzeichen: flacher, blauer Steckverbinder) passen auf der Host-Seite (etwa einem PC) auch in USB-2.0-Ports. USB-2.0-Endgeräte, die über ein Kabel mit Typ-B-Steckverbinder (quadratische Form) angeschlossen werden, können u.U. nicht über ein USB-3.0-Kabel angeschlossen werden, weil wegen der geänderten Stromversorgung bei Typ-B-Steckern die Form der Steckverbinder geändert wurde.

Die USB-3.0-Steckverbinder vom Typ B (rechts) sind für den Anschluss von USB-2.0-Geräten nicht geeignet.

eSATA: Der Serial-AT-Attachment-Bus (SATA) war ursprünglich nur für den Einsatz im Inneren von Rechnern vorgesehen, speziell für die Anbindung von Festplatten. Es handelt sich um eine serielle Bus-Schnittstelle, die einen Host-Bus-Controller über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Festplatten und optischen Laufwerken koppelt. Mit eSATA steht seit 2004 eine Spezifikation zur Verfügung, die für den Anschluss externer Laufwerke und Harddisks verwendet wird. Die maximale Kabellänge beträgt 2 Meter, der Datendurchsatz 3,2 GBit/s (SATA 2G) beziehungsweise 6 GBit/s bei SATA-6G-Interfaces. Damit ist die Brutto-Datenrate von eSATA höher als die von USB 3.0 und von Firewire 800.

Mit 3 oder 6 GBit/s reicht die Datenrate für alle derzeit verfügbaren Festplatten (inklusive SSDs) aus. Die relative kurze Kabellänge von 2 Metern stellt einen Nachteil dar, ebenso die Tatsache, dass über das Kabel keine externe Stromversorgung möglich ist.

Einige externe Festplatten sind mit Anschlüssen für USB 3.0, Firewire und eSATA ausgestattet. Hier im Bild das Modell d2 Quadra Enterprise von LaCie.

Thunderbolt: Thunderbolt ist eine High-Speed-I/O-Technik, die Intel gemeinsam mit Apple ursprünglich unter dem Namen "Light Peak" entwickelte und im Februar 2011 vorstellte. Sie unterstützt zwei Protokolle: PCI-Express (PCIe) und Display-Port (DP). Thunderbolt ist technisch gesehen eine PCI-Express-Schnittstelle, die über ein Kabel nach außen geführt wird. Die Datenübertragungsrate beträgt bei der ersten Version von Thunderbolt 10 GBit/s, und zwar gleichzeitig in beiden Richtungen (Senden und Empfangen, also Vollduplex).

Daten und Video-Informationen werden bei Thunderbolt gleichzeitig übertragen. Daher lassen sich auch externe Bildschirme wie Apples Thunderbolt-Display oder auch TV-Geräte über diese Schnittstelle an einen Rechner anschließen. Dies erfolgt in einer Reihenschaltung (Daisy Chain). Ähnlich wie bei USB können auch bei Thunderbolt Endgeräte über Kupfer-Datenkabel mit Strom versorgt werden. Bei der größtmöglichen Kabellänge von 3 Metern sind 10 W das Maximum. Ursprünglich sollte Thunderbolt Lichtwellenleiter verwenden. Dies wurde aber aus Kostengründen zurückgestellt. Mit Lichtwellenleitern könnten Entfernungen von bis zu 50 m überbrückt werden.