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Schnittstellen, Schnittstellen, Schnittstellen
Im ASIC-Bereich wird man häufig mit den unterschiedlichsten elektrischen, optischen und inzwischen auch drahtlosen Schnittstellen konfrontiert. Die Anzahl scheinen nahezu endlos und jedes Jahr kommen neue dazu. Alle diese Schnittstellen haben dennoch ihre Berechtigung im Hinblick auf die Anwendung, Datenrate, die Umgebung in der sie eingesetzt werden und die Services die über sie übertragen werden. Auch der Preis einer Schnittstelle spielt eine sehr große Rolle.
- Anwendungen unterschiedlicher Art finden sich im täglichen Leben im Bereich der Telefonie (Voice), Video und Datenübertragung (File-Transfer, FTP). Viele kennen die Schnittstellen, die ein PC standardmäßig besitzt. Jede hat ihre ganz spezielle Anwendung. Auch im ASIC-Bereich gibt es für unterschiedliche Ziele spezielle Schnittstellen. Beispiele hierfür sind Übertragung von puren Daten (Bytes oder 16/32/64Bit-Worte) oder komplexe Datenpakete oder Frames.
- Datenrate: Je nach der Menge der anfallenden Daten steigen die Anforderungen an die Bandbreite der benutzten Schnittstelle. Diese reichen von einigen 1000 Bit/s (oder gar weniger) bis hin zu Gigabit/s (1.000.000.000 Bit/s) in inzwischen unterschiedlichsten High-Speed Netzwerken. Auf speziellen optischen Netzen sind auch Terabit schon keine Zukunftsmusik mehr.
- Umgebung: Die Umgebung, in der Daten übertragen werden sollen, hat einen sehr großen Einfluß auf die Ausprägung der Schnittstelle. Beispiele unterschiedlicher Umgebungen sind ASIC-interne, ASIC-to-ASIC, Board-to-Board, System-to-System, LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network), WLAN (Wireless LAN), Automobile, Industriebereich, ... Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist meist ausschlaggebend, ob eine parallele Schnittstelle für kurze Strecken oder eine serielle Schnittstelle für größere und störanfällige Entfernungen benutzt werden soll. Ebenso spielt die Clock-Struktur in einem System eine entscheidende Rolle. Werden Datensender und -empfänger mit unterschiedlichen Clocks betrieben, muß als gemeinsame Schnittstelle eine asynchrone gewählt werden, oder man wählt eine Schnittstelle, bei der neben den Daten auch der Takt mitübertragen wird.
- Services in Zusammenhang mit Datenübertragung werden (mehr oder minder) durch den Zusammenschluß verschiedener Parameter und deren Verhalten definiert, wie z.B. Datenrate (fest definiert oder flexibel), zeitliches Verhalten (realtime oder non-realtime), wird nur ein Datentyp übertragen oder mehrere (z.B. nur Voice oder gar Multimedia).
- Preis: Der Preis einer Schnittstelle wird bei ASICs im Wesentlichen durch die Anzahl der nötigen Pins bestimmt. Das spricht zunächst einmal für eine serielle Schnittstelle, wobei hierfür ein höherer Aufwand für eine Serialisierung/De-Serialisierung der Daten den Vorteil relativieren. Hinzukommen kommt u.U. ein zusätzlicher Aufwand für die Clock-Recovery (mit welchem Takt wird der serielle Bitstrom gesendet?), das Wort-Alignment (wo bitte fängt im seriellen Bitstrom das Byte oder das Wort an?) und eine Framer/De-Framerstruktur, wenn nicht einzelne Daten sondern komplette Datenpakete übertragen werden. Bei großen zu überbrückenden Entfernungen zwischen Sender und Empfänger werden trotz des großen Logikaufwandes bei den Schaltungen ausschließlich serielle Schnittstellen eingesetzt. Diese zeigen alleine bei den benötigten Verbindungsmaterialien wie Kabeln und Steckverbindungen, deren Verlegung und Wartung, einen unschlagbaren Preisvorteil. Zusätzliche Vorteile bieten serielle Schnittstellen durch eine geringere Störanfälligkeit.
Übersicht
Auf den folgenden Seiten finden sich Übersichten und Kurzbeschreibungen von Buffer-Typen, Interfaces und Netzwerken, die bei dem Umgang mit ASICs je nach Applikation mehr oder minder häufig anzutreffen
sind. Manchmal können Namen nicht eindeutig einer der Gruppen zugeordnet werden, da sie z.B. manchmal als Netzwerk und manchmal als Interface verstanden werden, oder Netzwerke werden den
Protokollen zugeordnet. Um die Übersicht zu vervollständigen sind weitere Informationen über gängige Datenraten verschiedener Schnittstellen und Netzwerke und verschiedene Protokolle, die in Netzwerken
Anwendung finden, hinzugefügt.
- Buffer sind die Bauelemente am Ausgang eines Chips, die eine einzelne Leitung mit ihrem spezifischen physikalischen Verhalten treibt
- Interface ist eine Ansammlung von einzelnen getriebenen Leitungen, die in wiederum in bestimmten Gruppen zu Bussen zusammengefaßt sind (z.B. Adress-, Daten- und Steuerbus) und einer bestimmten Aufgabe des Interfaces zugeordnet sind.
- Ein Network ist ein Zusammenschluß von mehreren Teilnehmern, die gemeinsam an einem “Medium” angeschlossen sind und sich darüber miteinander auf eine bestimmte Art und Weise “unterhalten” können. Die IEEE 802.x Netzwerke sind weit verbreitet - mit steigender Tendenz - und wohl deshalb auch die bekanntesten. Ein Medium kann eine gemeinsames elektrisches oder optisches Leitungsgeflecht (das auch durch aktive Komponenten in mehrere Abschnitte unterteilt sein kann) oder bei den drahtlosen Netzwerken die gemeinsame Luftumgebung sein.
- Ein Protokoll definiert die Art und Weise, wie über ein Interface oder in einem Netzwerk Daten ausgetauscht werden oder wie ein Teilnehmer A den Teilnehmer B an einem anderen Ende der Leitung anspricht.
- Die Data Rate bestimmt die Geschwindigkeit in Bits pro Sekunde, mit der die Daten auf der Leitung ausgetauscht werden. Neben der Geschwindigkeit können weitere Dinge spezifiziert sein, in der eine Datenleitung betrieben wird:
- Manche Leitungen können aufrund physikalischer Eigenschaften nicht direkt die originalen Bitmuster übertragen. Der Line Code definiert, wie der Bitstrom übersetzt wird, bevor er auf die Übertragungsleitung gelangt.
- Bestimmte physikalische Medien können nicht direkt einen Bitstrom übertragen, da sie nur in einem anderen höheren Frequenzband funktionieren. Die Modulation sorgt dafür, daß der Datenstrom auf das passende Frequenzband gebracht wird, in dem der Datenstrom übertragen werden kann.
- Teilen sich mehr ein Teilnehmer ein Medium, sorgt das Multiplexing dafür, daß die gemeinsame Kommunikation auf eine wohl geordnete Art und Weise über das gemeinsame Medium stattfinden kann. Als Multiplex-Ebenen bieten sich die Zeit, Frequenz, Code aber auch getrennte Verbreitungswege bzw. -gebiete an.
- Mit Encryption/Decryption Methoden und entsprechenden Schlüsseln werden Daten auf Leitungen bzw. im Netzwerk ver- bzw. entschlüsselt, um die Daten vor dem Zugriff von außen zu schützen. Einfachere Varianten können auch zur Fehlererkennung eingesetzt werden.
Bei dieser groben Übersicht als auch in der Realität ist es nicht zwangsläufig so, daß es z.B. für ein bestimmtes Interface ein passendes Netzwerk gibt.
Analoge Schnittstellen möchte ich aus dieser Übersicht einmal ausklammern und sind dementsprechend nicht aufgeführt.
Ziel
Ziel auf den folgenden Seiten ist ganz klar `nur einen Überblick´ der einzelnen Schnittstellen und
verwandten Themen zu geben, ohne dabei zu tief in die Details hinein zu tauchen oder gar deren Spezifikation zu wiederholen. Dieses würde ohnehin den Rahmen dieser Website sprengen und mehr
Zeit benötigen als ich habe. Für ein darüber hinaus gehendes Interesse sollte eine Recherche im Internet, in Fachliteratur oder anderswo durchgeführt werden. Erste Hinweise gibt es bei den zum jeweiligen
Thema hinzugefügten Links.
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Beschreibungen
Die einzelnen Beschreibungen bestehen aus möglichst treffend beschriebenen Textblöcken aus
Fachliteratur und dem Internet. Diese sind von mir an der einen oder anderen Stelle komprimiert, erweitert und passend aneinandergefügt worden. Ergänzt werden diese z.T. durch Parameter, auf die ich
in meiner Suche gestoßen bin. Diese Sammlung entsprechend meiner Funde stetig erweitert ...
Da im Internet in diesen Bereichen nahezu ausschließlich Beschreibungen in englischer Sprache
zu finden sind, habe ich beschlossen mir Arbeit zu sparen und diese in Englisch belassen. Für diejenigen, die sich mit ASICs oder themennahen Dingen beschäftigen, dürfte dieses kein Hindernis darstellen.
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