Von Hans-Jürgen Humbert
Bei Prozessoren setzen die Hersteller inzwischen auf Parallelverarbeitung. Zwei, vier oder acht CPUs teilen sich die Arbeit. Nur so erzielt man höchste Rechenleistungen, ohne die Taktfrequenz erhöhen zu müssen. Zwar ergeben zwei CPUs nicht die doppelte Rechenleistung - ein Teil geht für die Koordination der beiden Prozessoren wieder verloren. Doch diesen Nachteil nimmt man gerne in Kauf, da sich nun die Verlustleistung in Grenzen hält und man bei der Kühlung wieder einsparen kann.
Bei Bus-Systemen dagegen gehen die Hersteller den umgekehrten Weg. Und der führt von der parallelen zur seriellen Übertragung. Die parallele Schnittstelle LPT1 ist bei modernen PCs schon gar nicht mehr vorhanden. Diese Schnittstelle, auch als Centronics-Port bezeichnet, diente in der Vergangenheit hauptsächlich für die Anbindung von Druckern, Plottern oder Scannern an den PC.
Heute dagegen werden für den Datentransport innerhalb und außerhalb des Rechners zunehmend serielle Verbindungen eingesetzt, wie beispielsweise SATA, SAS, USB und IEEE 1394 (Firewire).
Bei einer seriellen Übertragung gelangen die Daten im Gänsemarsch hintereinander zum Empfänger. Der Urvater der seriellen Datenübertragung ist die sogenannte RS-232-Schnittstelle. Diese ist schon seit mehr als 20 Jahren im Einsatz. Zwar erlaubt diese Schnittstelle recht lange Transportwege - mehr als zehn Meter - , ihr größter Nachteil ist jedoch ihre geringe Transferrate. Mehr als 115 KB/s sind ohne Kunstgriffe nicht drin. Um die Vor- und Nachteile eines parallelen Bus-Systems abschätzen zu können, sehen wir uns die Datenübertragung bei der Centronics-Schnittstelle einmal genauer an.
Die Centronics-Schnittstelle
Ihren Namen hat die Centronics-Schnittstelle von einer kleinen amerikanischen Firma, die diese Schnittstelle als Erstes nutzte und auch das Datenprotokoll hierfür entwickelte. Nach wenigen Jahren war diese Firma bereits wieder verschwunden; was bis heute blieb, ist jedoch ihr Name.
Bei der Centronics-Schnittstelle sind acht Leitungen für den Datentransport vorgesehen. Die restlichen Leitungen in dem 36-poligen Kabel dienen der Masseleitung, dem Handshake-Protokoll sowie einigen speziellen Steuerbefehlen, und sie übertragen druckerspezifische Fehlermeldungen, wie beispielsweise "Paper empty".
Uns interessieren zunächst einmal aber nur die Datenleitungen D0 bis D7. Zur Datenübertragung wird auf diese Leitungen ein Steuerzeichen mit acht Bit Breite gelegt. Liegt das Steuerzeichen an, signalisiert der Rechner über eine eigene Steuerleitung "Daten gültig". Der Empfänger übernimmt nun die Bits und sendet auf einer zweiten Steuerleitung, dass die Daten ordnungsgemäß angekommen sind. Dieses Verfahren wird als "Handshake" bezeichnet. Drucker und Rechner kommunizieren dabei nach jedem Steuerzeichen miteinander - sie reichen sich quasi die Hände. Nur so ist ein korrekter Datentransfer ohne Fehler möglich.
Bis zu einer gewissen Taktfrequenz ist diese Übertragungsart sehr gut brauchbar. Erhöht man jetzt allerdings die Transferleistung, muss auch die Taktrate gesteigert werden. Damit wird aber die Zeit, während der die Daten gültig beim Empfänger anliegen, immer kürzer. Und zu allem Überfluss kommen nun auch die hochfrequenten Eigenschaften des Kabels zum Tragen. Beispielsweise werden die Signale an Knicken im Kabel selbst, an den Steckbuchsen wie auch am Ende der Übertragungsstrecke reflektiert. Diese "Geisterdaten" werden vom Empfänger aber ebenfalls interpretiert, und damit steigt die Fehlerrate enorm an.
Weiterhin spielt auch die Länge der einzelnen Kabel bei hohen Datenraten eine große Rolle. In einer Nanosekunde - in der Computertechnik ein geläufiger Wert - legt das elektrische Signal eine Strecke von 30 Zentimetern zurück. Bedenken Sie: Alle acht Datensignale müssen gleichzeitig beim Empfänger anliegen und für eine bestimmte Zeit auch ihre Gültigkeit behalten.
Serielle Übertragung
Sogar im PC selbst, wo die Übertragungsstrecken nur wenige Zentimeter lang sind, gewinnt die serielle Datenübertragung immer mehr an Bedeutung (siehe Grafik). Das beste Beispiel ist hier der Datentransfer von der und zur Festplatte. Aus dem Office- und Consumer-PC wird über kurz oder lang die parallele Schnittstelle verschwinden und durch SATA ersetzt werden, und im Server wird SCSI durch SAS verdrängt.
Neben der höheren Transferrate zeichnen sich die seriellen Übertragungen durch kleine dünne Kabel aus. Die behindern kaum den kühlenden Luftstrom der Ventilatoren, was zudem die Lebensdauer der Komponenten im Rechner erhöht. Außerdem ist die Störsicherheit durch eine spezielle Übertragungstechnik größer. Die letzte Generation der parallelen ATA-Festplatten arbeitete bereits mit 80-poligen Flachbandkabeln an einem 40-poligen Stecker. Die zusätzlichen 40 Leitungen führen dabei nur Massepotenzial, um Störimpulse abzuschirmen.
Bei einer seriellen Übertragung werden die Bytes in einzelne Bits zerlegt und nacheinander über eine einzige Leitung geschickt. Der Empfänger setzt die einzelnen Bits dann wieder zu einem Byte zusammen. Da eine Leitung nur die Bits 0 und 1 (Strom an oder Strom aus) übertragen kann, müssen noch Steuerzeichen, wie Start- und Stopp-Bits, hinzugefügt werden. Schließlich muss der Empfänger ja wissen, wo ein Byte beginnt und wo es endet. Spezielle Kontroll-Bits sorgen zusätzlich für den korrekten Transfer.
Neben der Ersparnis bei der Hardware - nur ein Ausgangstreiber und ein Empfangsbaustein sind notwendig - ergeben sich auch Vorteile bei der Übertragung. Da die Bits nacheinander gesendet werden, kann kein Bit ein anderes "überholen". Dadurch entfällt die Forderung, dass alle acht Datenleitungen für eine bestimmte Zeit ein gültiges Byte anzeigen müssen. Und schließlich kann man auf dünnere und kleinere Kabel zurückgreifen, was die Verdrahtung im PC einfacher macht und die Lüftung nicht behindert.
Einzige Forderung: Es sind sehr schnelle integrierte Schaltungen erforderlich, um die Daten auch mit höchster Geschwindigkeit übertragen zu können. Aber das stellt heute kein Problem mehr dar. Moderne Schaltkreise sind zu moderaten Preisen erhältlich, und sie sind in puncto Geschwindigkeit noch nicht einmal ausgereizt.
Selbst Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auf einer Platine stehen auf dem Prüfstand. Ingenieure vieler Hersteller tüfteln an Lösungen, diese bis heute parallel ausgeführten Lösungen auf serielle Technik umzustellen.