PCI, SATA & Co.: Alles über Schnittstellen

Einer der wesentlichen Gründe für den Siegeszug des PCs ist sein modularer Aufbau. Das bedeutet: Desktop-PCs und Notebooks bestehen aus variablen Komponenten, die aber über genau definierte und standardisierte Schnittstellen kommunizieren.

Mit der Zeit hat sich aber ein wahrer Dschungel an diesen lebensnotwendigen Schnittstellen gebildet. Wir bringen Licht in dieses Schnittstellendickicht und nehmen vor allem die neuesten und schnellsten Vertreter jeder Art unter die Lupe.

PCI Express 3.0: Port statt Bus

Wie wichtigste interne Schnittstelle auf dem Mainboard für die Kommunikation mit Grafik- und Erweiterungskarten ist PCI Express. Im Unterschied zu PCI ist PCI Express kein paralleles Bus-System, sondern arbeitet mit Lanes, also seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Der Vorteil gegenüber einem parallene Bussystem wie PCI ist dabei, dass sich einzelne Geräte nicht die verfügbare Bandbereite auf dem Bus teilen müssen, sondern jedes Gerät mit der vollen Datenrate angebunden ist.

Bei der ersten PCI-Express-Version 1.0a betrug die Transferrate pro Lane 250 MByte/s - bereits deutlich mehr als der veraltete PCI-Standard mit 133 MByte/s. Mit PCIe 2.0 wurde die Transferrate grundsätzlich verdoppelt, der neue PCIe-3.0-Standard bringt eine Steigerung um nochmals 60 Prozent. Das entspricht einer Bandbreite von etwa einem GByte/s, da PCIe 3.0 mit einem geringeren Overhead arbeitet.

Höhere Datenraten mit 32 Lanes

Für höhere Datenraten können bei PCI Express bis zu 32 Lanes zusammengefasst werden. In der Praxis werden aber nur maximal 16 Lanes parallel verwendet, primär für die Anbindung von Grafikkarten.

Die Anzahl der verfügbaren PCI-Express-Lanes auf einem Mainboards hängt vom Chipsatz bzw. dem Prozessor ab. Intel hat bei den aktuellen Prozessoren einen PCIe-Controller mit auf dem CPU-Die integriert. Das Spitzenmodell Sandy Bridge Extreme stellt hier sogar 40 PCIe-3.0-Lanes bereit. Ein weiterer PCIe-2.0-Controller mit bis zu acht Lanes steckt im Chipsatz. Er wird für die Anbindung von Komponenten auf dem Mainboard wie Ethernet-Controllern, zusätzlichen SATA-Controllern oder für Firewire-Chips verwendet.

Bei der A-Serie von Intels Dauerkonkurrent AMD stellt der integrierte Controller 24 Lanes bereit. Auch die neue Trinity-APU unterstützt dabei nur PCI Express 2.0, obwohl AMD selbst Grafikchips mit PCIe-3.0-Interface produziert.In der Praxis ist der Leistungsgewinn durch PCIe 3.0 bei aktuellen Karten noch so gering, dass man auch mit PCIe 2.0 noch gut auskommt.

PCIe 4.0 bereits in Arbeit

Trotzdem arbeitet die PCI Special Interest Group (PCI-SIG) schon an einer Spezifikation für die vierte Generation von PCI Express. Mit PCIe 4.0 soll die Transferrate nochmals verdoppelt werden. Allerdings wird die Spezifikation wohl nicht vor Ende 2014 finalisiert.

Bei PCI Express gibt es verschiedene Sockel und Kartenformate mit unterschiedlich vielen PCI-Express-Lanes. Dabei passen Karten mit x1-, x4-, oder x8-Anschluss, diese Zahl bescheibt die Anzahl der Lanes und damit die mögliche Datentransferrate, physikalisch in jeden beliebig langen PCIe-Slot - die Erkennung erfolgt automatisch.

Die Anzahl der mit einem Slot verbundenen PCI-Express-Lanes kann auch niedriger sein als die Zahl der Anschlüsse, die ein Slot aufgrund seiner Länge bereit stellen könnte. Hier muss man sich im Mainboard-Handbuch informieren, um nicht versehentlich die Grafikkarte in einen vermeintlichen x16-Slot zu stecken, der tatsächlich nur mit vier Lanes beschaltet ist.

Abwärtskompatibel

Karten und Mainboards mit unterschiedlichen PCIe-Standards sind weitestgehend zueinander kompatibel. Probleme kann es nur beim Einsatz moderner Grafikkarten mit PCIe-2.1- oder 3.0-Interface auf alten Mainboards mit PCIe-1.0-Sockeln geben, die sich aber in aller Regel durch ein BIOS-Update beheben lassen. Aber prinzipiell ist der Einsatz einer brandneuen Karte in einem acht Jahre alten PC ohnehin nicht sinnvoll.

Bei Platinen mit mehr als einem PCIe-x16-Slot und einem PCI-Express-Controller, der weniger als 32 Lanes bedienen kann, werden die 16 Lanes bei dem Einsatz von zwei oder mehr Grafikkarten automatisch auf die Slots aufgeteilt. Eine Besonderheit der für Grafikkarten bestimmten Slots liegt in der Spannungsversorgung. Sie können bis zu 75 Watt liefern, sonst liegt die Grenze der PCI-Express-Spezifikation bei 25 Watt.

SATA 3.1: Schlank und schnell

Auch die dominierende Schnittstelle für die Anbindung von Laufwerken ist mittlerweile seriell statt parallel, pro Port wird also nur noch maximal ein Laufwerk angeschlossen. SATA kommt durch die serielle Übertragung mit schlanken, vieradrigen Kabeln aus, die in Desktop-PCs den im Gegensatz zu den breiten Flachbandkabeln bei Parallel-ATA den Luftstrom kaum stören.

Zudem unterstützt SATA Hotplugging, also den Geräteanschluss im laufenden Betrieb, und die Schnittstelle bietet die hohen Datenraten, die für SSDs notwendig sind. Das gilt vor allem für die aktuelle dritte Version des Serial-ATA-Protokolls mit Transferraten von bis zu sechs GBit/s. Die neueste SATA-Revision 3.1 bringt Änderungen bei der mSATA-Schnittstelle für Notebooks und Netbooks, die den Einsatz extrem kompakter SSDs möglich macht.

SATA-Controller für volle Leistungsfähigkeit

Damit neue SSDs mit SATA-3.0-Unterstützung auch ihre volle Leistung bringen, muss auf der Gegenseite ein passender SATA-Controller vorhanden sein. Die aktuellen Intel Chipsätze der Serien 6 und 7 unterstützen zwei SATA-3.0-Schnittstellen und vier SATA-2.0-Schnittstellen mit 3 GBit/s. AMD bietet dagegen eine durchgehende SATA-3.0-Unterstützung. Bei Mainboards ohne SATA-3.0-Unterstützung kann man aber auch einen Controller auf einer PCIe-Karte nachrüsten. Auch einige neue Serial-Attached-SCSI-Controller unterstützen zusätzlich SATA-Drives.

eSATA für externe Laufwerke

Mit eSATA existiert schließlich auch ein eigener Standard für externe Laufwerke, in dem ein gegenüber SATA soliderer Stecker definiert ist. Im Gegensatz zu USB erfordert ein herkömmlicher eSATA-Anschluss allerdings eine separate Spannungsversorgung. Einige neue Notebooks verfügen über einen eSATAp-Anschluss, der für den nötigen Strom via USB sorgt. An ihm können neben den seltenen eSATAp-Laufwerken, die dann ihre Betriebsspannung via USB beziehen, auch herkömmliche eSATA-Drives und auch USB-Geräte betrieben werden.

Bereits heute sind SSDs mit PCI-Express-Interface auf dem Markt, etwa von OCZ und neuerdings auch von Intel. Mit SATA Express wird nun ein neuer Standard entwickelt, der PCI Express 3.0 für die Datenübertragung verwendet. Die dafür vorgesehenen Steckverbindungen sollen sowohl den neuen SATA-Express-Stecker, als auch herkömmliche SATA-Stecker unterstützen.

USB 3.0: Der Universalist

Der Universal Serial Bus ist die eierlegende Wollmilchsau unter den Schnittstellen: An ihr können Mäuse, Tastaturen, Drucker, Scanner, Speichersticks, alle Arten von Laufwerken und auch Geräte wie TV-Empfänger, Soundboxen, Headsets Anschluss finden. Neben der großen USB-Buchse existieren noch Mini- und Micro-USB. Sie werden bei Smartphones, Tablets und einigen Ultrabooks eingesetzt.

Mit USB 3.0 ist die Schnittstelle auch schnell genug für externe SSDs, im SuperSpeed-Modus wird eine Nettodatenrate von 300 MByte/s erreicht. USB 2.0 reicht mit 35 MByte/s dagegen nicht einmal für schnelle herkömmliche HDDs aus. Bei USB 3.0 ist die real erreichbare Performance aber vom Controller und dessen Anbindung abhängig. Ein Vorteil von USB 3.0 ist die Kabellänge von bis zu drei Metern. Bei eSATA ist man auf zwei Meter limitiert.

Thunderbolt: Die Zukunft

Intel hat im vergangenen Jahr mit Thunderbolt eine weitere externe Highspeed-Schnittstelle vorgestellt. In der ersten Evolutionsstufe arbeitet die serielle Thunderbolt-Schnittstelle mit einer bidirektionalen Übertragungsrate von 10 GBit/s und ist damit deutlich schneller als USB 3.0.

Zunächst wurde Thunderbolt nur von Apple eingesetzt, nun hält es auch bei Windows-Rechnern Einzug. Asus, MSI und Gigabyte haben Mainboards mit Thunderbolt-Port entwickelt, Acer bringt mit dem Aspire S5 ein Ultrabook mit der neuen Intel-Schnittstelle auf den Markt, das Asus G75V verfügt bereits über die neue Schnittstelle.

Sechs Geräte in Reihenschaltung

Für die Übertragung werden zunächst Kupferkabel mit einer maximalen Länge von drei Metern verwendet, mit optischen Kabeln sollen später bis zu 10 Meter möglich sein. Zudem können bis zu sechs externe Thunderbolt-Geräte in einer Kette verbunden werden, Voraussetzung ist dabei eine eigene Spannungsversorgung. Geräte, die über das Thunderbolt-Kabel mit Energie versorgt werden, können nur das Ende der Kette bilden.

Für den Anschluss nutzt Intel eine modifizierte Mini-DisplayPort-Buchse, die auch Bild- und Audioinformationen überträgt. Damit bietet sich Thunderbolt auch für Monitore an, die gleichzeitig als Docking-Station dienen. Ein Beispiel ist das Apple Thunderbolt Display.

Technisch ist Thunderbolt USB 3.0 klar überlegen. Aber die neue Schnittstelle hat derzeit einen entscheidenden Nachteil: Sie ist teuer. Das gilt nicht nur für den Thunderbolt-Chip von Intel, sondern auch für die Kabel. Die hohe Datenrate erfordert aktive Transceiver-Chips in den Steckern, die für einen Preis von mehr als 40 Euro verantworlich sind.

Wege zum Monitor: VGA, HDMI & Co

Für den Anschluss eines Flachbildschirms sind digitale Schnittstellen wie DVI, HDMI oder DisplayPort mittlerweile tonangebend. Denn hier ist die Bildqualität besser, da die überflüssige Wandlung von digital zu analog und wieder zurück zu digital wegfällt.

Moderne Grafikschnittstellen wie HDMI oder DisplayPort übertragen nicht nur digitale Bildinformationen vom Rechner zum Monitor, sondern auch Audiodaten. Über HDMI 1.4a ist auch der Anschluss von TV-Geräten mit 3D-Display möglich, um so etwa 3D-Blu-rays wiederzugeben. AMD-Radeon-Karten der 7000er-Serie unterstützen bereits offiziell die 4K-Auflösung mit 4096 x 2160 Bildpunkten, Nvidia nur inoffiziell.

DisplayPort ist ein lizenzfreier Konkurrenzstandard zu HDMI. Er unterstützt seit der Version 1.1 auch den bei HDMI üblichen Kopierschutz HDCP, mit der neuen Version 1.2 kommen 3D und 4K-Support und sowie die Reihenschaltung mehrerer Displays als Features hinzu.