Computerhardware: Hauptplatine
Elektronische Bauelemente werden auf Leiterplatten montiert. Eine Leiterplatte besteht aus einer etwa 1 mm dicken Trägerplatte aus Isoliermaterial. Auf der Oberfläche der Platte sind Leiterzüge aus Kupfer angeordnet. Zur besseren Leitfähigkeit wird das Kupfer meist versilbert oder vergoldet. Wenn die Trägerplatte auf beiden Seiten Leiterzüge hat, wird die Leiterplatte zweilagig genannt. Für komplexe Schaltungen werden mehrere sehr dünne Leiterplatten aufeinandergeklebt, was vier- und zehnlagige Leiterplatten ergibt. Die Platte wird gebohrt und die Bohrlöcher werden innen verzinnt, um die Leiterebenen miteinander zu verbinden. Zum Abschluss werden Widerstände, Kondensatoren und elektronische Bauelemente in die Bohrungen gesteckt und verlötet. Damit ist eine Platine (englisch: board) entstanden - so nennt man eine Leiterplatte mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen.
Die größte Platine im Computer (etwa 18 × 30 cm) nennt man Hauptplatine (englisch: Mainboard oder Motherboard). Meist ist sie achtlagig, um die vielen Leiterzüge auf einer möglichst kleinen Fläche unterzubringen. Dadurch können die Schaltkreise näher zusammenrücken, was einen Geschwindigkeitsvorteil ergibt: In einer drittel Nanosekunde (so lange dauert ein Takt einer 3-GHz-CPU) legt ein elektrisches Signal nur 10 cm zurück. Die Hauptplatine wird mit Abstandsbolzen im Gehäuse befestigt. Die Position der Befestigungspunkte ist durch den so genannten Formfaktor definiert. Die Hauptplatine ist Träger für zahlreiche Steckplätze, Schaltkreisfassungen, externe und interne Anschlüsse und elektronische Baugruppen.
Auf der Hauptplatine befindet sich ein Schaltkreis-Sockel (englisch: Socket), in den der Prozessor gesteckt wird. Das Bild zeigt den „Sockel 1155“ sowie eine CPU mit 1155 Anschlusskontakten. Um eine CPU mit so vielen Anschlüssen ohne Risiko einsetzen zu können, werden ZIF-Sockels (Zero Insertion Force, auf Deutsch etwa: Null-Kraft-Sockel) verwendet, die mit einem Schwenkhebel (im Bild: unten) ausgestattet sind. „Null Kraft“ ist allerdings etwas übertrieben, und das Einsetzen des Prozessors erfordert einiges Geschick.
Weil die Prozessoren immer mehr Anschlusskontakte brauchen, gibt es zahlreiche Sockeltypen. Das nebenstehende Bild zeigt links eine (veraltete) Intel Dual-Core-CPU D925 (3 GHz) von unten, rechts ist ein Stück der Hauptplatine mit dem Sockel 775 zu sehen. Die Andruckplatte ist hochgeklappt (im Bild: unten), und im oberen Teil der Prozessorfassung ist der Ansatz des Verriegelungshebels zu sehen. Die Pentium 4 CPUs hatten 478 Kontaktstifte. Die nächste CPU-Generation von Intel hatte 775 Kontakte. Der neueste Sockel von AMD ist der SP4 mit 4094 Kontakten. Die neuesten Intel-CPUs haben 989, 1155, 1156, 1366, 2011 oder 2066 Kontakte.
Die Bestandteile der Hauptplatine Bearbeiten
Einige hier vorkommende Fachbegriffe und Abkürzungen werden erst in späteren Kapiteln ausführlich erläutert.
Chipsatz, Northbridge und Southbridge Bearbeiten
Die Northbridge ist ein Schaltkreis, der die CPU mit dem Arbeitsspeicher, der Grafikkarte und der Southbridge verbindet. Manchmal ist eine einfache Grafikkarte in die Northbridge integriert. Weil sie große Datenmengen schnell transportieren muss, wird sie heiß und muss meist gekühlt werden. Um die Datenwege kurz zu halten, ist sie nahe an CPU, Arbeitsspeicher und Grafiksteckplatz platziert. Die Datenverbindung zur CPU heißt Front Side Bus, abgekürzt FSB.
Für die Peripherie-Anschlüsse (Tastatur, Maus, USB usw.), Massenspeicher, Netzwerk, Steckplätze und weitere Geräte mit geringerem Datendurchsatz ist die Southbridge zuständig. Sie ist nicht direkt mit der CPU verbunden, sondern kommuniziert mit der Northbridge. Manchmal kommt sie ohne Kühlkörper aus.
Die beiden hochintegrierten Bausteine zusammen werden als Chipsatz bezeichnet. Der Chipsatz ist als „zentrale Datenverteilerstelle“ für die Gesamtleistung und Stabilität des PC-Systems in viel höherem Maße verantwortlich, als die meisten Menschen glauben.
Seit einigen Jahren hat sich die Arbeitsteilung geändert. Grafikchip und Speichersteuerung sind von der Northbridge zurück in die CPU gewandert. Netzwerk-, USB- und Massenspeicher sind an der Northbridge angeschlossen. Der Chipsatz wird auch als „Platform Controller Hub“ bezeichnet. Der PCH ist mit einer PCI-Express-Verbindung PCIe x4 (Erklärung für „PCI Express folgt) mit der CPU verbunden, die 3940 MByte/s bei 8 GHz in beide Richtungen gleichzeitig transportieren kann.
Steckplätze Bearbeiten
Eine spezielle Gruppe von Platinen der Abmessung von etwa 10 × 18 Zentimetern nennt man „Erweiterungskarte“ oder nur „Karte“. Es gibt je nach Funktion Grafikkarten, Soundkarten, ISDN-Karten, Netzwerkkarten, Fernsehkarten und viele mehr. Die Steckplätze der Hauptplatine, wohinein die Erweiterungskarten gesteckt werden, heißen „Slots“. Die Erweiterungskarten stecken senkrecht auf der Hauptplatine. Eine typische Hauptplatine hat drei bis sieben Steckplätze (Slots) für Erweiterungskarten. Die Slots sind nach Abmessung, Anzahl und Anordnung der Kontakte unterschiedlich.
Auf dem Bild „Hauptplatine für Pentium III Prozessor“ sehen Sie eine ältere, relativ übersichtliche Hauptplatine mit sieben Slots. Ganz rechts auf der Platine befinden sich zwei schwarze ISA Steckplätze (Industrie Standard Architektur), die auf modernen Hauptplatinen nicht mehr verwendet werden. Links davon befinden sich vier weiße PCI-Steckplätze (Peripheral Component Interface). PCI wurde 1992 für den Pentium entwickelt und kann 533 MByte/s transportieren.
Für Grafikkarten ist PCI zu langsam, deshalb wurde speziell für Grafikkarten der AGP-Steckplatz (Accelerated Graphics Port = beschleunigter Grafikkarten-Anschluss) entwickelt, der bis zu 2133 MByte/s transportieren kann. Im Bild befindet sich der braune AGP-Steckplatz links von den PCI-Steckplätzen. Mittlerweile ist auch AGP veraltet und wurde vollständig durch PCIe abgelöst.
Auf aktuellen Hauptplatinen gibt es hauptsächlich PCIe-Steckplätze, manchmal einen oder zwei PCI-Slots zusätzlich. PCI-Express gibt es seit 2003. PCI Express, abgekürzt PCIe, ist eine Weiterentwicklung von PCI. PCIe benutzt eine variable Anzahl von unabhängigen Datenkanälen („Lane“), die in Gruppen von 2, 4, 8, 16 oder 32 gebündelt werden können. Die kurzen PCIe x1 Steckplätze benutzen nur einen Kanal und können damit in Ein- und Ausgaberichtung gleichzeitig je 250 MByte/s (in Version 1.0) transportieren. Das ist für Netzwerkkarten, USB 2.0-Karten und Soundkarten ausreichend.
| Steckplatz | Länge | Version 1.0 | Version 2.0 | Version 3.0 | Version 4.0 |
|---|---|---|---|---|---|
| Takt | 2,5 GHz | 5 GHz | 8 GHz | 16 GHz | |
| PCIe x1 | 25 mm | 250 MB/s | 500 MB/s | 985 MB/s | 1969 MB/s |
| PCIe x2 | 500 MB/s | 1000 MB/s | 1970 MB/s | ||
| PCIe x4 | 39 mm | 1000 MB/s | 2000 MB/s | 3940 MB/s | 7880 MB/s |
| PCIe x8 | 56 mm | 2000 MB/s | 4000 MB/s | 7880 MB/s | 15750 MB/s |
| PCIe x16 | 89 mm | 4000 MB/s | 8000 MB/s | 15760 MB/s | 31500 MB/s |
| PCIe x32 | 8000 MB/s | 16000 MB/s | 31520 MB/s | 63000 MB/s |
PCIe x16 bündelt 16 Kanäle und wird vor allem für Grafikkarten verwendet. PCIe-x16 Version 1.0 kann 250 × 16 = 4000 MByte/s transportieren. Weil AGP dem PCI-Express in der Datenübertragungsrate hoffnungslos unterlegen ist, werden etwa seit 2007 Mainboards mit AGP-Steckplatz nicht mehr hergestellt, und auch AGP-Grafikkarten werden nicht mehr produziert. In der Tabelle sind die Kenndaten von PCIe Schnittstellen aufgeführt. Auf handelsüblichen Hauptplatinen kommen PCIe-x1 und PCIe-x16 zum Einsatz. In Servern werden auch PCIe-x4, PCIe-x8 und PCIe-x32 Karten verwendet. Man kann kürzere Karten in längere Slots stecken. Die Bauform mancher Steckplätze erlaubt das Einstecken von längeren Karten in kürzere Steckplätze.
Die PCIe-Spezifikation wurde weiterentwickelt in Richtung höherer Taktfrequenzen. Version 1.0 begann mit einem Takt von 2,5 GHz. Die Version 2.0 von PCIe verdoppelte den Takt auf 5 GHz und die Datenrate von PCIe-x1 auf 500 MB/s, Version 3.0 mit 8 GHz kommt auf 985 MB/s pro Lane (Kanal), bei PCIe-x16 sind das beeindruckende 15 754 MB/s. Die aktuelle PCIe-Version ist 3.0. Version 4.0 ist auf einigen AMD-Boards schon im Einsatz.
Weiterhin findet man auf der Hauptplatine zwei bis acht Steckplätze für RAM (Arbeitsspeicher). Auf dem Foto (Hauptplatine für Pentium III Prozessor) sind es drei, welche oberhalb des CPU-Sockels angeordnet sind. Direkt auf der Hauptplatine sind der Taktgeber, die Uhr, der Chipsatz und andere Bauteile aufgelötet.
BIOS-ROM, CMOS-RAM, Uhr und Batterie Bearbeiten
BIOS-ROM Bearbeiten
ROM bedeutet Read Only Memory = „Nur-Lese-Speicher", oft als Festwertspeicher bezeichnet. Seine wichtigste Besonderheit: Ein ROM-Speicher verliert seine Daten nicht, wenn der PC ausgeschaltet wird.
Darum werden ROM-Bausteine in mehreren PC-Komponenten verwendet, um deren jeweiliges Startprogramm bereitzuhalten. Dass die Festplatte, die Grafikkarte und der Brenner einen derartigen Festwertspeicher benötigen, ist wenig bekannt. Viel bekannter ist der „BIOS-ROM“. Mit dem darin gespeicherten Programm startet der PC nach dem Einschalten. Ein „BIOS-Update“ kann diesen Speicher auf den neuesten Stand bringen („up to date“). Auch andere ROMs, z. B. im DVD-Brenner, können „upgedated“ werden.
CMOS-RAM und Uhr Bearbeiten
CMOS ist eine Technologie, um extrem stromsparende Halbleiter herzustellen. Mit dieser Technologie werden die Computeruhr (RTC = Real-Time-Clock) und ein kleiner Parameterspeicher (der CMOS-RAM) gefertigt. Speicher und Uhr befinden sich im selben Chip. In diesem Speicher sind die Parameter der Festplatten, der parallelen und der seriellen Ports sowie weitere Angaben über die Hardware des PCs gespeichert. Das BIOS ermittelt die meisten Werte automatisch während des Systemstarts. Der Händler oder der Benutzer kann einige Werte optimieren bzw. anpassen. Das Betriebssystem und andere Software fragen diese Daten bei Bedarf ab.
Batterie Bearbeiten
Solange der PC eingeschaltet ist, werden die Uhr und das CMOS-RAM vom Netzteil mit Strom versorgt. Bei ausgeschaltetem PC übernimmt das eine Batterie. Diese reicht etwa drei bis acht Jahre. In der Taskleiste wird eine völlig falsche Uhrzeit angezeigt? Sie haben im BIOS oder in Windows das Datum und die Uhrzeit eingestellt und am nächsten Tag hat der PC erneut Datum und Uhrzeit vergessen? Vermutlich muss nur die Batterie ausgewechselt werden. Das können Sie selbst erledigen. Drücken Sie die Haltefeder (im Bild 2.12 oben) nach außen und die Batterie springt heraus. Eine neue Batterie bekommen Sie im Fachhandel oder beim Uhrmacher.
Es ist keine Bagatelle, wenn der PC mit falschem Datum läuft. Updates und Installationen können scheitern, weil Windows nicht zwischen älteren und neueren Dateien unterscheiden kann. Der Zugriff auf Internet-Dienste, z. B. E-Mail, kann unmöglich sein, weil Sicherheitszertifikate abgelaufen sein können oder für den PC, dessen Uhr vielleicht noch im Jahr 2000 verweilt, in der fernen Zukunft liegen.
Die externen (rückwärtigen) Anschlüsse der Hauptplatine Bearbeiten
Am hinteren Rand der Hauptplatine befinden sich die Anschlüsse für die Peripherie: Tastatur, Maus, Drucker, Modem, USB, Lautsprecher, Netzwerk und andere. Anzahl und Typ der Anschlüsse sind bei jeder Hauptplatine anders. Deshalb liegt jeder Hauptplatine eine Blende mit passenden Öffnungen für die rückwärtigen Anschlüsse bei. Die Außenmaße aller Blenden sind identisch, damit sie in jedes Gehäuse passen.
Die Hauptplatinen haben mehr Anschlüsse, als sich in der rückwärtigen Blende unterbringen lassen. Zusätzliche Anschlüsse werden an der Frontseite oder an der Rückseite herausgeführt und mit der Hauptplatine verbunden. Beispielsweise haben die meisten Computergehäuse zusätzliche USB- und Audioanschlüsse an der Vorderseite, die mit der Hauptplatine mit Kabeln verbunden werden.
Tastaturbuchse und Mausbuchse Bearbeiten
Die Buchsen werden in Dokumentationen als „PS/2“ bezeichnet. Die Bezeichnung „PS/2“ wurde vom IBM-Konzern eingeführt. IBM hatte eine neue Rechnergeneration herausgebracht mit dem Namen Personal System 2, wo die kleineren Stecker erstmals verwendet wurden. Diese Stecker werden direkt von der Rückseite des PC auf die Hauptplatine aufgesteckt. Diese Anschlüsse sind nicht verwechslungssicher! Wenn Sie die Beschriftung und die Farbmarkierung beachten (Tastatur violett, Maus grün), kann nichts schief gehen. Wenn keine Markierung zu finden ist: Der Anschluss, welcher der Hauptplatine näher liegt, ist der Tastaturanschluss. Liegen die Anschlüsse nebeneinander (gleich weit von der Hauptplatine entfernt), liegt der Mausanschluss weiter außen (oben). Wenn Sie die Stecker trotz allem verwechseln, brennt zumindest nichts durch. Wichtig: Sie müssen Tastatur und Maus vor dem Einschalten des Computers angesteckt haben, sonst erkennt und benutzt er sie nicht.
Eine Zeit lang wurden Hauptplatinen nicht mehr mit PS/2-Anschlüssen ausgestattet, weil sie als veraltet galten. Neue Hauptplatinen haben oft wieder einen Anschluss, meist als Kombianschluss mit grün-violetter Kennzeichnung. Im Unterschied zu USB-Eingabegeräten hat PS/2 den Vorteil, immer zu funktionieren, ohne Treiberinstallation. Falls eine USB-Tastatur Probleme mit den USB-Treibern hat, kann man mit einer PS/2-Tastatur das Problem beheben. Bei Notebooks gibt es keine PS/2-Anschlüsse mehr, Tablets und Smartphones hatten nie einen.
Parallel-Port Bearbeiten
Parallel bedeutet, dass alle Bits eines Zeichens gleichzeitig über ein dickes Kabel übertragen werden. Dieser Anschluss wurde und wird hauptsächlich für Drucker verwendet. Weil neuere Drucker meist einen USB-Anschluss haben, wurde der Parallelport überflüssig. Die 25-polige Buchse benötigt zu viel Platz. Höherwertige ältere Laserdrucker haben manchmal einen parallelen Druckeranschluss zusätzlich zum USB-Anschluss.
Serielle Anschlüsse Bearbeiten
25 Jahre lang waren serielle Anschlüsse (COM1 und COM2) an jedem PC vorhanden. Diese Schnittstellen wurden für langsame Geräte verwendet, wie zum Beispiel Maus, externes Modem, Rechnerkopplung und für die Programmierung von Telefonanlagen und anderen Geräten. Zunehmend werden Geräte, die früher mit seriellen Anschlüssen ausgestattet waren, auf USB umgestellt. Es gibt noch einige wenige hochpreisige Hauptplatinen mit einer seriellen Schnittstelle. Bei neueren Notebooks fehlen die seriellen Anschlüsse ganz.
USB-Anschlüsse Bearbeiten
Frühere PCs hatten eine Vielzahl von großen Anschlusssteckern: Seriell, Parallel, Joystick, PS/2 und andere. Intel wollte langfristig diese Vielfalt ersetzen und schuf 1996 den „universellen seriellen Anschluss“ USB (Universal Serial Bus).
USB-Geräte kann man an den Computer anstecken, während er eingeschaltet ist. Der USB-Controller im PC (der „Master“) erkennt das angeschlossene Gerät und dessen Eigenschaften automatisch und stellt die höchste Übertragungsgeschwindigkeit ein, zu der beide Seiten fähig sind. Jeder USB-Teilnehmer kann außer seiner Höchstgeschwindigkeit auch alle niedrigeren Geschwindigkeiten nutzen.
USB 1.1 kennt zwei Geschwindigkeiten: Low-Speed 1,5 Mbit/s und Full-Speed 12 Mbit/s. Beides reicht für Maus, Tastatur und Drucker. Externe Festplatten und Brenner kann man an einem USB-1.1-Anschluss nicht sinnvoll betreiben. Deshalb wurde im Jahr 2000 mit USB 2.0 ein High-Speed-Modus mit 480 Mbit/s eingeführt, der für USB-Speichersticks und Festplatten einigermaßen ausreicht. Zum Vergleich: 480 Mbit/s entsprechen etwa 60 MByte/s. Am internen Festplattenanschluss des PCs werden 600 MByte/s erreicht, deshalb kann das Füllen einer größeren Festplatte über USB 2.0 einige Stunden dauern.
Zudem werden diese Geschwindigkeiten in der Praxis nicht erreicht, realistisch sind zwei Drittel davon.
| MByte/s | Mbit/s | Bezeichnung (ursprünglich) | Bezeichnung (neu) | seit |
|---|---|---|---|---|
| 0,2 | 1,5 | USB 1.1 Low Speed | 1996 | |
| 1,5 | 12 | USB 1.1 Full Speed | 1996 | |
| 60 | 480 | USB 2.0 High Speed | 2000 | |
| 625 | 5000 | USB 3.0 Superspeed | USB 3.1 Gen. 1 | 2008 |
| 1250 | 10000 | USB 3.1 Superspeed Plus | USB 3.1 Gen. 2 | 2014 |
| 2500 | 20000 | USB 3.2 20 Gbps | USB 3.1 Gen. 3 | 2017 |
| 5000 | 40000 | USB 4.0 40 Gbps | 2020 |
Mit dem Nachfolger USB 3.0 kam der „SuperSpeed“ Modus dazu. Die Geschwindigkeit reicht nun auch für große Festplatten. Das Kabel ist jetzt neunpolig statt vierpolig. Doch alte und neue Stecker und Buchsen sind kompatibel: Man kann die USB 2.0-Geräte am USB 3.0-Anschluss betreiben und umgekehrt. Meistens jedenfalls. Mäuse und Tastaturen funktionieren nicht immer am USB 3.0-Anschluss. Manche sehr alte PCs kommen nicht mit USB 3.0-Speichersticks zurecht.
Um die Geschwindigkeit von 5 Gbit/s nutzen zu können, müssen beide Geräte USB 3.0 beherrschen und mit einem 9-poligen USB 3.0-Kabel verbunden sein. Vielleicht müssen Sie ein Treiberupdate durchführen.
USB 3.0 ist weit verbreitet. Die meisten Hauptplatinen haben sowohl USB 3.0 als auch USB 2.0 Anschlüsse. Externe Festplatten werden fast ausnahmslos mit USB 3.0 Anschluss gefertigt, USB-Speichersticks meistens.
2014 wurde die Spezifikation USB 3.1 veröffentlicht. „USB SuperSpeed Plus“ hat zwei Kanäle: Der eine kann 5 oder 10 Gbit/s übertragen und der zweite ist ein USB 2.0 Kanal. Es gibt schon einige Geräte, welche die hohe USB 3.1 Datenrate nutzen können.
USB 3.2 wurde nur für interne Verbindungen geschaffen, bei einer Leitungslänge von maximal 10 cm. Um die USB-Bezeichnungen eindeutiger zu machen, wurden neue Bezeichnungen eingeführt. Der Standard für USB 4.0 ist fertig, erste Geräte soll es frühestens Ende 2020 geben. Über USB 4.0 können mehrere Datenströme in gleicher oder entgegengesetzter Richtung gleichzeitig gesendet werden, wobei die 40 Gbit/s ausreichen, um hochauflösende Videos in 4k-Auflösung (3840 × 2160) zu übertragen.
USB-Kabel und Stecker Bearbeiten
Die USB-Kabel sind nicht symmetrisch: Der Stecker auf Seite des PCs ist vom Typ A, am externen Gerät ist er quadratisch mit zwei abgeschrägten Ecken (Typ B). Für den Anschluss kleiner Geräte werden Mini- und Micro-USB-Stecker verwendet. Wenn das USB-Kabel zu Tastatur, Maus oder Drucker zu kurz ist, gibt es Verlängerungen. Doch die Gesamtlänge von Kabel plus Verlängerung sollte fünf Meter nicht überschreiten. Kabel für USB 3.1 Generation 2 (10 Gbit/s) dürfen laut Spezifikation nicht länger als ein Meter sein.
Damit das Kabel schön flexibel ist, sind die Adern in vielen Verlängerungskabeln dünn. Wenn man eine Festplatte oder ein anderes Gerät mit hohem Strombedarf anschließt, könnte der Spannungsabfall im Kabel und an der Steckerkupplung zu groß sein. Kaufen Sie besser ein langes Anschlusskabel statt mit einer Verlängerung eine Verbindung zusammenzustückeln.
Mit dem Standard USB 3.1 wurde ein Stecker Typ C eingeführt: Mit dem Querschnitt von nur 8,4 × 2,6 mm passt er auch in die flachsten Smartphones. Überdies gibt es keine Ober- und Unterseite: Man braucht nicht mehr fummeln, um festzustellen, wie herum der Stecker in die Buchse passt. Es gibt Adapter zum Steckertyp Typ A und B. Der Anschluss liefert 2 Ampere. Achtung: Die Bezeichnung „USB 3.1“ garantiert weder die Geschwindigkeit von 10 Gbit/s noch eine Stromstärke von 5 A. Wenn der Anschluss mit „USB 3.1 Generation 1“ bezeichnet ist, heißt das: Übertragungsrate ist „nur“ 5 Gbit/s wie bei USB 3.0. Die vollen 10 Gbit/s erhalten Sie nur von einem Anschluss, der mit „USB 3.1 Gen. 2“ bezeichnet ist. Und natürlich müssen auch USB-Kabel, eventuelle Adapter und Hubs für USB 3.1 Gen. 2 zertifiziert sein.
USB 3.1 (Generation 1 und 2) kann wahlweise den Steckertyp C oder die für USB 3.0 eingeführten Stecker (mit blauem Einsatz) nutzen. USB 4.0 benutzt ausschließlich den Steckertyp C.
Stromversorgung Bearbeiten
USB-Geräte mit geringem Strombedarf können auf ein eigenes Netzteil verzichten. Solche Geräte ohne eigenes Netzteil nennt man „Bus-powered“. Sie melden ihren Strombedarf beim Anstecken und der USB-Controller im PC entscheidet, ob er den Strom bereitstellen kann. Jeder USB 2.0-Port kann 0,5 Ampere bei 5 Volt Spannung liefern, USB 3.0 stellt bis zu 0,9 A bereit. USB 3.1 kann über Standardkabel 2 Ampere liefern. Mit speziellen Kabeln (mit Elektronik in beiden Steckern) können aus einem USB 3.1 Anschluss Stromstärken bis zu 5 Ampere bei Spannungen von 5, 12 und 20 Volt entnommen werden. Bei 20 Volt sind das 100 Watt, das reicht sogar für die Stromversorgung von großen Notebooks aus. Doch nicht jede Hauptplatine kann die Ströme und Spannungen liefern, die USB 3.1 zu transportieren bereit ist.
Externe USB-Festplatten in 2,5" Größe benötigen im Anlaufmoment 500 bis 1100 mA, dann sollte der Strombedarf auf 250 bis 400 mA fallen. Die meisten USB 2.0 Anschlüsse tolerieren diese kurzzeitige Überlastung. Wenn ein USB 2.0-Gerät ständig mehr als 500 mA Strom benötigt, greifen die Hersteller zu einem Trick (der nicht standardkonform ist): Ein Kabel mit zwei USB-A-Steckern. Das Gerät kann dadurch den benötigten Strom aus zwei Schnittstellen saugen. Der Typ-B-Stecker kommt ins Gerät und die beiden Typ-A-Stecker steckt man in den Computer. Der eine Stecker (mit dem dünnen Kabel) ist nur für den Stromanschluss zuständig und stellt keine Datenverbindung her. Dadurch kann das Gerät aus zwei USB-Anschlüssen je 0,5 A beziehen. Stecken Sie unbedingt beide Stecker ein (zuerst denjenigen, der nur den Strom überträgt), sonst kann es wegen Unterspannung zu Fehlfunktionen und sogar zu Datenverlust kommen. Besser: Benutzen Sie einen USB 3.1 Anschluss, der kann mindestens 900 mA liefern, und benutzen Sie nur einen der A-Stecker.
Hub Bearbeiten
Wenn die USB-Anschlüsse am PC nicht ausreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:
- Man steckt eine Erweiterungskarte in den PC, welcher weniger als 20€ kostet. Der Einbau ist unproblematisch. Je nach Ausführung bekommt man zwei bis vier zusätzliche USB-Anschlüsse. Bei einem Notebook ist diese Nachrüstung leider nicht möglich.
- Man verwendet Verteiler, sogenannte „Hubs“. Theoretisch können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Es gibt Regeln und Einschränkungen, wie das zu geschehen hat. Besonders wichtig: Ein USB-Kabel darf nicht länger als fünf Meter sein.
Es gibt aktive USB-Hubs (mit eigenem Netzteil) und passive USB-Hubs (die den Strom vom PC beziehen und auf die angeschlossenen Geräte verteilen, siehe im Kapitel „Mobilcomputer“ den Abschnitt „USB“). Viele aktive USB-Hubs kann man mit oder ohne Netzteil betreiben, im letzten Fall arbeiten sie passiv.
Wenn Sie mehrere Geräte mit hohem Stromverbrauch wie einen USB-Brenner, eine USB-Festplatte und einen externen TV-Empfänger an einen passiven Hub anschließen, der nicht mehr als maximal 0,5 A bzw. 0,9 A vom PC bekommen kann, reicht der Strom vielleicht nicht für alle. Im günstigsten Falle wird der PC abschalten. In extremen Fällen kann ein minderwertiges PC-Netzteil überlastet und sogar zerstört werden! Wenn Sie die Geräte mit höherem Strombedarf direkt an den PC oder an einen USB-Hub mit eigenem Netzteil stecken, schützen Sie Ihren PC. Manche stromhungrige USB-Geräte haben einen Anschluss für ein externes Steckernetzteil, den Sie dann auch nutzen sollten, um das PC-Netzteil zu entlasten.
Treiber Bearbeiten
USB-Massenspeicher werden von Windows zuverlässig erkannt. Bei anderen USB-Geräten kann es Komplikationen geben. Wenn Sie z. B. einen neuen Drucker anstecken, installiert Windows möglicherweise einen veralteten Treiber oder einen Universaltreiber, mit dem Ihr Gerät vielleicht nicht funktioniert und der sich mitunter nur schwer entfernen lässt, auch nicht durch Installation der mitgelieferten Treiber-CD.
Lesen Sie die Installationsanleitung! Wenn Sie keine haben, sollten Sie zuerst die Treiber-CD einlegen und die Treiber installieren. Das neue Gerät stecken Sie erst nach Abschluss der Installation an bzw. wenn Sie vom Installationsprogramm dazu aufgefordert werden.
USB-Geräte sind „Hot-Plug“-fähig, das bedeutet: Hinzufügen oder Entfernen von Komponenten ist möglich, sogar wenn PC und Gerät eingeschaltet sind − sofern die Software nicht darauf zugreift. Damit das klappt, sind die äußeren Kontakte im USB-Stecker (die Stromversorgung) 2 mm länger als die inneren. Dadurch ist das USB-Gerät betriebsbereit, noch bevor die inneren Kontakte die Datenverbindung herstellen.
FireWire Bearbeiten
| Datenrate | Standard | seit |
|---|---|---|
| 400 Mbit/s | IEEE 1394a | 1995 |
| 800 Mbit/s | IEEE 1394b | 2002 |
| 3200 Mbit/s | IEEE 1394b S3200 | 2008 |
Dieser Anschluss wurde ursprünglich vorzugsweise für den Anschluss von Filmkameras verwendet. Weil FireWire deutlich schneller als USB 2.0 ist, gab es viele Geräte mit diesem Anschluss, z. B. externe Festplatten. Die Geräte wählen automatisch die höchste Übertragungsrate aus, die von allen angeschlossenen Geräten beherrscht wird. Die maximalen Übertragungsraten sind in der Tabelle aufgeführt.
Im Vergleich zu USB hat Firewire einige Vorteile:
- Es verursacht weniger CPU-Belastung.
- Mehrere Geräte können untereinander kommunizieren, auch wenn kein PC angeschlossen ist.
- Angeschlossene Geräte können bis zu 1,5 A Strom über das Kabel beziehen (zum Vergleich: USB 2.0 kann maximal 0,5 A bereitstellen, USB 3.0 maximal 0,9 A, USB 3.1 von 2 A bis 5 A).
FireWire war USB viele Jahre klar überlegen. FireWire wurde 2008 von USB 3.0 überholt, seitdem kommt es in Neugeräten nicht mehr vor. Thunderbolt, der Nachfolger von FireWire, ist erneut schneller als USB.
Thunderbolt Bearbeiten
(deutsch: Donnerkeil) ist ein universaler Anschluss für den Transfer von großen Datenmengen in beide Richtungen. Mit zwei Kanälen von je 10 GBit/s ist es viermal schneller als USB 3.0. Das reicht sogar für hochauflösende Bildschirme. Wenn die Monitore einen Thunderbolt-Eingang und einen Ausgang haben, ist die Kaskadierung von Geräten möglich: über einen einzigen Anschluss können mehrere Monitore hintereinander gehängt werden. Theoretisch können bis zu acht Geräte hintereinander geschaltet werden.
Thunderbolt wurde von Intel und Apple als Nachfolger von FireWire und Displayport entwickelt. Der MacBook Pro war im Februar 2011 das erste Gerät mit dieser Schnittstelle. Zurzeit ist es nicht als Mangel zu betrachten, wenn die neue Hauptplatine keinen Thunderbolt-Anschluss hat. Es gibt noch keine Festplatten oder andere Datenträger im Handel, für welche die Geschwindigkeit eines USB 3.0-Anschlusses nicht ausreichen würde. Thunderbolt kommt fast ausschließlich bei Apple-Geräten zum Einsatz.
Thunderbolt ist rückwärtskompatibel mit DisplayPort: Mini-DisplayPort-Stecker passen in die Thunderbolt-Buchse. Wenn Sie an einen iMac, MacBook Pro oder MacBook Air einen Zweitbildschirm anschließen wollen, geht das mit einem Kabel „Mini-DisplayPort nach Display-Port“. Ein älterer Bildschirm ohne DisplayPort-Anschluss kann über ein Kabel „MiniDisplayPort nach DVI Adapter“ angesteckt werden.
Das neue USB 3.1 ist mit 10 Gbit/s ebenso schnell wie (einer der Kanäle von) Thunderbolt 1. Es gibt schon Thunderbolt 2 mit 20 Gbit/s pro Kanal und Thunderbolt 3 mit 40 Gbit/s pro Kanal. Allerdings haben Thunderbolt 1, 2 und 3 einen Nachteil: Thunderbolt-Stecker sind voluminös und die Kabel sind teuer, weil in jeden Stecker ein Microprozessor eingebaut werden muss. Der Standard USB 4 ermöglicht es, Thunderbolt 3 über USB zu übertragen. Es bleibt den Herstellern überlassen, ob sie das tun. Dem USB4-Anschluss eines Smartphones eine solche Übertragungsleistung zu gönnen wäre kaum sinnvoll und unnötig teuer. Für ein Tablet oder Notebook könnte es sinnvoll sein, externe Monitore über einen kleinen USB-C-Stecker anschließen zu können statt einen großen HDMI-Stecker einzubauen.
Thunderbolt-Kupferkabel dürfen drei Meter lang sein. Bei optischen Kabeln sind zehn Meter möglich. Dazu muss in den Steckern eine Konvertierung der elektrischen Signale in Lichtsignale und zurück erfolgen, damit die Stecker mit Glasfaserleitung verbunden werden können.
Es gibt erste Geräte mit Thunderbolt-Schnittstelle, z. B. externe Festplatten und Displays. Für den Anschluss externer Festplatten ist gegenwärtig USB 3.0 schnell genug.
eSATA und Power eSATA Bearbeiten
SATA ist der aktuelle Standard für den Anschluss von Festplatten und DVD-Laufwerken, doch nur innerhalb eines metallischen Computergehäuses. Das Metallgehäuse als ein faradayscher Käfig schirmt elektrische Störungen ab. „External SATA“ benutzt spezielle Stecker und abgeschirmte Kabel, um SATA-Festplatten auch außerhalb des Computergehäuses zuverlässig betreiben zu können. Ein eSATA-Anschluss ist an vielen neuen PCs und Notebooks vorhanden. Ein Power-eSATA-Anschluss stellt zusätzlich die Versorgungsspannung bereit, damit die externe Festplatte kein eigenes Netzteil braucht. Zwar können auch USB 3.0 und USB 3.1 genug Strom für die Festplatte liefern, doch wenn man keinen solchen USB-Anschluss hat, ist eine externe Festplatte mit Power-eSATA die beste Lösung.
Plug and Play Bearbeiten
In den ersten Jahren der PC-Technik musste der Händler zahlreiche Ressourcen (Unterbrechungsleitungen, Speicherbelegung u. a.) manuell festlegen, damit sich die Komponenten nicht „in die Quere“ kamen. Rechts ist eine alte Netzwerkkarte abgebildet. Bei den vielen roten Vierecken handelt es sich um Steckbrücken, sogenannte Jumper. Sie können sich bestimmt vorstellen, wie kompliziert und fehleranfällig es war, ein halbes Dutzend Komponenten auf diese Art zu konfigurieren.
Windows 95 brachte eine Neuerung: Plug and Play (deutsch etwa „Reinstecken und loslegen“), abgekürzt PnP. Bei diesem Verfahren hat jede nichttriviale Komponente einen eigenen Speicher, in dem deren Anforderungen und Möglichkeiten abgelegt sind. Das BIOS fragt beim Start die Parameter ab, findet eine für alle Komponenten akzeptable Konfiguration und stellt die Komponenten darauf ein. Anfangs funktionierte das so schlecht, dass PnP als „Plug and Pray“ verspottet wurde („Reinstecken und Beten“ dass es klappt). Mittlerweile funktioniert PnP gut und erspart eine Menge Stress.