Um einen einheitlichen Standard für Steckkarten im mobilen Umfeld zu entwickeln, formierte sich 1989 eine Vielzahl von IT-Firmen zum PCMCIA-Konsortium (Personal Computer Memory Card International Association). Ein Jahr später veröffentlichte die PCMCIA den 1.0-Standard.
Er definierte die Grundfunktionen für die Kommunikation zwischen einer PCMCIA-Karte und der entsprechenden Schnittstelle, die elektrischen Anschlüsse und die Abmessungen der Einschubkarte. Vorerst galten die Spezifikationen ausschließlich für Memory-Cards mit einer Datenbusbreite von 8/16-Bit und einem festgelegten Formfaktor von 54 x 85,6 x 3 mm (Typ I) und 54 x 85,6 x 5 mm (Typ II). Der 16-Bit-Datenbus dieser Karten erreicht eine maximale Datenbandbreite von 20 MByte/s. Erst 1991 mit der Vorstellung der Version 2.0 erweiterte das Konsortium die so genannte PCMCIA-Card um eine I/O-Funktionalität, die zum Beispiel für Netzwerk- SCSI- oder Fax-/Modemadapter sowie ISDN-Karten notwendig ist.
Einen weiteren Formfaktor führte das 1992 durchgeführte Update der PCMCIA-Spezifikation auf die Version 2.01 ein. Die Höhe der Einschubkarten änderte sich mit dem Typ-III-Faktor auf 10,5 mm. Letzterer ermöglicht nun die Aufnahme von Minifestplatten.
PC-Card-Evolution
Die PC-Card löste durch die Weiterentwicklung der PCMCIA-Spezifikationen 1995 die PCMCIA-Karte ab. Die Grundlage des PC-Card-Standards Version 5.0 bildet die 32 Bit breite Cardbus-Schnittstelle mit busmasterfähiger PCI-Bus-Anbindung. Sie erreicht mit einer Taktfrequenz von 33 MHz eine maximale theoretische Datenübertragungsrate von 132 MByte/s (Basis 1000).
Sowohl die PCMCIA- als auch die PC-Card-Schnittstelle verfügt über insgesamt 68 Anschlusspins. Darüber hinaus sind die Einschubkarten Hot-Plug-fähig, so dass das System sie beim Einstecken im laufenden Betrieb automatisch erkennt und konfiguriert. Ebenso einfach lassen sich die Karten beim Entnehmen im Betrieb deinstallieren. Die PC-Card ist zum PCMCIA-Slot nicht abwärts kompatibel, umgekehrt funktioniert aber eine 16-Bit-PCMCIA-Karte in einem 32-Bit-PC-Card-Slot einwandfrei.
ExpressCard ist die nächste Evolution des PC-Card-Standards (letzte Version: 8.1) auf Basis von PCI Express. Die PCMCIA Trade Association verabschiedete die unter dem Codenamen NEWCARD entwickelte ExpressCard-Spezifikation 1.0 im September 2003. Der ExpressCard-Standard löst mit höherer Performance und kleinerem Formfaktor die bisherigen PC Cards in Notebooks ab und soll auch in PCs zum Einsatz kommen. Ein gravierender Nachteil der ExpressCard-Technologie: Sie ist zum Vorgänger nicht kompatibel.
ExpressCard-Technologie
Eine hohe Datenbandbreite garantiert beim ExpressCard-Standard 1.0 die PCI-Express-Technologie. Wahlweise kommt USB 2.0 zum Einsatz und zu Kontrollzwecken der SMBus. Die ExpressCard-Architektur vereint alle drei Bussysteme zu einem standardisierten universellen 26-poligen Interface - die PC-Card dagegen verfügt über 68 Pins. Der integrierte x1-PCI-Express-Link erreicht eine rechnerische Bandbreite von 2,5 Gbit/s je Richtung. Bedingt durch das 8B/10B-Kodierverfahren entspricht das einer nominalen Transferleistung von 250 MByte/s pro Richtung. Dagegen arbeitet das optional nutzbare USB-2.0-Interface mit einer theoretischen Bandbreite von 480 Mbit/s. Die maximale Stromaufnahme der 3,3- und 1,5-Volt-Leitungen beträgt 1750 mA.
Künftige Notebooks oder PCs benötigen keinen zusätzlichen Controller für die Ansteuerung der ExpressCard: PCI Express und USB 2.0 zählen dann zu den Standard-Features der Systemchipsätze. Notebooks mit PC-Card-Steckplätzen müssen noch einen eigenen PC-Card-Controller nutzen - der zusätzliche Kosten verursacht.
Mit der ExpressCard-Spezifikation bietet die PCMCIA erstmals einen gemeinsamen Standard für Erweiterungskarten an, der für Notebooks und PCs gilt. Die aktuellen PC-Cards haben sich ausschließlich in den mobilen Rechnern durchgesetzt. Ähnlich wie USB 1.1/2.0 soll ExpressCard in Zukunft beide Gattungen verbinden und somit eine höhere Funktionalität bieten. Neben der PCMCIA Trade Organisation unterstützen Intel, Microsoft, Dell, Lexar Media und SCM Microsystems die Entwicklung von ExpressCard. Die Industriegruppen USB-IF und PCI-SIG arbeiten auf Grund ihrer Interfaces ebenfalls am Erweiterungsstandard mit.
ExpressCard-Karten und -Slot
Die ExpressCard-Spezifikation 1.0 definiert zwei Formfaktoren für Einschubkarten: den ExpressCard/34 mit einer Breite von 34 mm und den ExpressCard/54 mit 54 mm Breite. Letztere entspricht der Breite einer herkömmlichen PC-Card und kann beispielsweise entsprechende Festplatten aufnehmen.
Als Steckplätze sind ebenfalls beide Formfaktoren vorgesehen. Allerdings kann der universell einsetzbare ExpressCard/54-Slot auch 34er ExpressCards aufnehmen. Zusätzlich stellt der ExpressCard-Standard einen 68-mm-Slot zur Verfügung. Dieser kann zwei ExpressCards/34 oder wahlweise eine ExpressCard/54 aufnehmen. Die Höhe der ExpressCards beträgt standardmäßig 5 mm bei einer Länge von einheitlich 75 mm.
Je nach benötigter Bandbreite kann der Hersteller eine ExpressCard individuell mit einer USB-2.0- oder PCI-Express-Schnittstelle ausstatten. Das USB-2.0-Interface eignet sich vorwiegend für langsamere Technologien wie Bluetooth- oder Flash-Memory-Karten. Die schnelle PCI-Express-Variante ist prädestiniert für Geräte mit hohen Transferraten wie 1394b- oder Gigabit-Ethernet-Einschubkarten.
ExpressCard-Schnittstelle
Wie bereits bei der PC-Card definiert, verfügt die ExpressCard ebenfalls über eine Hot-Plug-Funktionalität. Sie gilt für die PCI-Express- und die USB-2.0-Schnittstelle. Zusätzlich erlaubt ein ausgeklügeltes Powermanagement den Einschubkarten einen effizienten Umgang mit den begrenzten Energieressourcen eines entsprechenden stromabhängigen Geräts. Dabei ist die maximale Leistungsaufnahme einer ExpressCard/34 auf 1,3 Watt limitiert, dagegen darf die 54er Variante 2,1 Watt nicht überschreiten.
Aus welchen einzelnen Signalleitungen das ExpressCard-Interface besteht, zeigt die folgende Tabelle.
Signal Group | Signal | Direction | Description |
|---|---|---|---|
(Quelle: PCMCIA) | |||
PCI Express | PETp0,PETn0, PERp0, PERn0 | Input / Output | PCI Express x1 data interface: 1 differential transmit pair and 1 differential receive pair |
REFCLK+, REFCLK- | Input | PCI Express differential, spread-spectrum reference clock | |
PWERST# | Input | PCI Express functional reset | |
Universal Serial Bus (USB) | USBD+, USBD- | Input / Output | USB 2.0 serial data interface |
SMBus | SMBDATA, SMBCLK | Input / Output | SMBus management channel |
System auxiliary signals | CPPE# | Output | PCI Express module detection and power control |
CPUSB# | Output | USB module detection and power control | |
CLKREQ# | Output | Used to indicate when REFCLK is needed (PCI Express only) | |
WAKE# | Output | PCI Express function initiated wake event | |
Power and Ground | +3,3 V | Primary voltage source | |
+3,3 V AUX | Auxiliary voltage source | ||
+1,5 V | Secondary voltage source | ||
GND | Return current path |
Fazit und Ausblick
Die grundsätzlichen Vorteile der ExpressCard-Technologie sind die hohen Transferraten, der universelle Einsatz und der günstige Formfaktor. Ein weiterer Pluspunkt des ExpressCard-Standards sind niedrige Kosten durch die geringe Leiterbahnanzahl. Auf der anderen Seite verlangt die Technologie eine neue Verbindungsarchitektur auf den System-Boards und neue Steckkarten, wie die ExpressCard/34 und die ExpressCard/54.
Erste ExpressCard-Devices wird es laut PCMCIA in der zweiten Jahreshälfte 2004 zu kaufen geben. Dann soll auch bereits eine breite Infrastruktur von Systemen mit PCI-Express-Chipsätzen existieren, die ExpressCard-Komponenten direkt unterstützen.
Sicherlich wird es ExpressCard in der Anfangsphase schwer haben, sich gegen die etablierte PC-Card-Busarchitektur und die vorhandene Basis von Steckkarten durchzusetzen. Allerdings sprechen die oben genannten Vorteile für sich und sollten ExpressCard zu einem zügigen Ablösen der herkömmlichen Technologie verhelfen. (hal)