DE10322039A1 - Modular erweiterbarer PC - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kompakten PC mit den Gehäuseabmessungen vergleichbar einem aktuellen externen Gehäuse für ein 5 1/4 Zoll-Laufwerk, welches über eine Steckverbindung an der Gehäuseoberseite kabelfrei mit Erweiterungsgehäuse im passenden Formfaktor und Design auch vom Laien erweitert werden kann, wobei die Erweiterungsgehäuse wahlfrei stapelbar sind und ihrerseits mit Laufwerken, Peripheriebaugruppen oder Grafikbaugruppen mit IDE-ATA/ATAPI, SCSI, PCI-, PCI-Express oder AGP-Bus o. ä. bestückt sind. DOLLAR A Die Schnittstelle zwischen den Gehäusen basiert aus Gründen der Softwarekompatibilität auf standardisierten Schnittstellen, wie USB 2.0, IEEE 1394b, PCI Express o. ä. und zusätzlichen Verbindungen, die dazu geeignet sind, dass das Erkennen der Erweiterungsbaugruppen, deren Anschaltung am Bus, etwaige Busterminierung und die Geräteadressvergabe sowie die Konfiguration der Erweiterungsgehäuse mit eingebauten Erweiterungen automatisch erfolgt. Der Anwender ist damit von allen Schnittstellen-, Stecker-Terminierungs- und Kabelproblemen befreit. Eine Treibersoftware sorgt dafür, dass die vorhanden Treibersoftware für interne Laufwerke und Steckbaugruppen weiter verwendet werden kann und der Betrieb über die Erweiterungsbusse transparent erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konstruktiven Gestaltung eines Personal Computers (PC) in Verbindung mit schaltungstechnischen Zusätzen, deren kombinierte Ausführung dazu geeignet ist, dass der PC durch einfaches externes Hinzufügen (in der Regel Aufstecken) modularer Gehäuseeinheiten mit beliebigen Speichermedien (Laufwerke) und/oder Grafik- und Peripheriebaugruppen (beispielsweise PCI-Bus-Karten) etc. extern erweitert werden kann.
Stand der Technik, Probleme u. Nachteile
• Personal Computer werden heute in unterschiedlichen Bauformen für spezifische Anwendungsfälle hergestellt und vertrieben:
  
• 1. Notizbücher (Notebooks),
• 2. Server
  Einschubserver (mit 1, 2, . . . etc. Höheneinheiten als wagerechtes Einschubgerät in 19 Zoll Systemschränke)
  Blattserver (sog. Blade-Server als senkrechte Einschubbaugruppe in 19 Zoll Systemschränke)
  Dedizierte Server
• 3. Tisch-PC (Desktop oder Tower)
• Mobile Nutzer bevorzugen das Notebook, welches herstellerspezifisch ausgestattet und ausgeführt ist. In der Regel kann dabei meist die Festplatte ausgetauscht und RAM-Speicher erweitert werden. Schaltungserweiterungen mit zusätzlichen Baugruppen (AGP-, ISA- oder PCI-Bus o. ä.) sind hier nicht möglich. Für die stationäre Anwendung bieten einige Hersteller sog. Docking Station (Ansteckeinrichtungen). Hierbei handelt es sich in der Regel um ansteckbare Vorrichtungen, die wiederum den Anschluss von typisch Tastatur, Monitor, Maus, Drucker und Netzteil ermöglichen. Die gesamte Anschlussverkabelung kann bei diesem Verfahren bei einer Entnahme des Notebook an der Docking Station erhalten bleiben. Hierdurch entfällt wiederkehrender Verkabelungsaufwand. Teilweise enthalten solche Docking Station auch die Möglichkeit zum optionalen Einstecken einer oder zwei PCI- Baugruppen. Nachteilig bei Docking Station ist, dass es keinerlei Normierung der Schnittstelle zum Notebook gibt. So sind die Docking Station nicht nur zwischen allen Herstellern, sondern auch meist bei den einzelnen Herstellern selbst von Notebook-Baureihe zu Notebook-Baureihe unterschiedlich.
• Einschubserver und Blattserver werden im häuslichen Bereich sowie im Bürobereich nicht eingesetzt. Diese PC's sind als bauliche Einheit meist mit der Möglichkeit zum Ausrüsten mit ein bis zwei Festplatten und einer oder zwei PCI-Baugruppen ausgerüstet. Diese Bauform wird in betrieblichen EDV-Zentralen oder Service-Providern (Internet Service Provider o. ä.) in 19 Zoll-Systemschränken (Euro-Schränke) verbaut. Hierdurch kann eine relativ große Menge an PC's auf geringer Fläche untergebracht werden. Die verwendeten Komponenten (Basisplatine, Speicher, Laufwerke etc.) sind in der Regel identisch zur aktuellen PC-Technik, wie sie im Tisch-PC zum Einsatz kommt.
• Dedizierte Server sind spezielle Servereinrichtungen mit meist hohem technischen Schaltungsaufwand. Sie basieren meist ebenfalls auf standardisierter PC-Technik, sind aber mit mehr Speicher, Festplatten, zum Teil mit mehreren Mikroprozessoren und häufig insbesondere mit redundanten Komponenten zur Vergrößerung der Ausfallsicherheit ausgerüstet. Solche Server sind meist teuer und kommen in der betrieblichen EDV zentral zum Einsatz.
• Der Tisch-PC ist das Gerät mit der universellsten Einsatzmöglichkeit und der höchsten Verbreitung (ca. 30 Millionen Geräte weltweit/Jahr). Es wird als Tisch oder Stand-PC sowohl im privaten Bereich, als auch im betrieblichen Bürobereich sowie aus Kostengründen oft auch im Serverbereich und selbst in sog. Server-Farmen bei Service Providern eingesetzt, s. Fachzeitschrift c't 2002, Heft 26, S. 170-175 Internet-Server für wenig Geld.
• Der Name Tisch-PC (Desktop) rührt daher, dass diese Bauform früher auf dem Schreibtisch liegend untergebracht wurde. Später ging man dazu über, mehr Raum für interne Erweiterungen vorzusehen und den PC als Stand-PC (Turm oder Tower) neben den Schreibtisch oder darunter zu stellen. Diese Geräte sind oft sogar bis auf die Anordnung der Beschriftung identisch. Abgesehen von ggf. vorhandenen speziellen Standfüßen eines Tower PC, kann dieser auch wagerecht auf den Schreibtisch gelegt werden und umgekehrt der Tisch PC aufrecht unter den Schreibtisch gestellt werden. Die Elektronik erfordert in der Regel keine spezielle Lagerung. Die Standardisierung ist bei diesen Geräten weit fortgeschritten, wodurch sowohl Geräte, als auch Erweiterungsmöglichkeiten kostengünstig angeboten werden.
• Die unterschiedlichen PC-Bauformen dieser Anwendungsklasse werden im vorliegenden Text zur Vereinfachung unter der Bezeichnung "PC" zusammengefasst. Es sind damit alle Bauformen und Anwendungsgebiete umfasst, die mit den herkömmlichen Desktop- und Tower-PC's möglich sind.
• Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist für alle Einsatzfälle des PC vorteilhaft anwendbar und kann darüber hinaus auch im Server-Bereich als anreihbarer Server mit optimaler Raumausnutzung betrieben werden.
• Der Standard PC kann heute komplett vorgefertigt bezogen oder alternativ aus Einzelteilen aufgebaut werden. Ein PC besteht meist aus einem Turmgehäuse (Tower Gehäuse), dem eingebauten Netzteil, der Grundplatine (Mainboard) und zusätzlichen Laufwerken (Floppy Disk, Festplatte, CD-ROM etc.). Je größer das Gehäuse, um so mehr Erweiterungen sind möglich.
• Das Mainboard enthält meist zusätzliche Steckmöglichkeiten für Grafikkarten (z. B. Accelerated Graphics Port Technology AGP; Bezeichnung der Firma Intel) sowie Peripheriebaugruppen (z. B. PCI- Bus Periphal Component Interconnect, oder ISA-Bus Industry Standard Archirecture-, beides Bezeichnung der Firma Intel).
• In der Regel enthält das Mainboard direkte Anschlussmöglichkeiten (über Flachbandkabel) für Floppy- Laufwerke und zwei ATA/ATAPI-Schnittstelle für IDE-Laufwerke (Integrated Device Electronics Interface, auch E-IDE extended IDE). Die ATA/ATAPI-Schnittstelle (Advanced Technolgy Attachments/Attachment Packet Interface, s.auch www.ata/atapi.com, neuste Version ATA/ATAPI-5) beschreibt das Signalverhalten und das Protokoll für das IDE-Bussystem. Es existieren mehrere unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten mit 40, 44 oder 80 Leitungen und zahlreiche Protokollvarianten. Die Details der Varianten sind für das erfindungsgemäße Verfahren an dieser Stelle ohne wesentliche Bedeutung, bis auf die Tatsache, dass sie die konventionelle Erweiterung von PC's verkomplizieren. Der komplette Bus, bestehend aus Hardware und Software, wird im folgenden vereinfacht und zusammengefasst als "IDE-Bus" bezeichnet. Pro IDE-Bus können zwei Laufwerke in je einer Master- und einer Slave-Konfiguration angeschaltet werden.
• Weitere Laufwerke benötigen zum Anschluss eine zusätzliche Peripheriebaugruppe, die dann in einen der PCI-Steckplätze gesteckt wird.
• Extern sind ebenfalls Erweiterungen über normierte Verbindungen möglich. So bieten Universal Serial Bus USB, oder Firewire IEEE 1394 die Möglichkeit zum externen Anschluss von Druckern, Scannern, Videoanwendungen, Laufwerken etc. Im Profibereich (Geschäftsbereich oder Serverbereich) werden anstelle der integrierten kostengünstigen IDE-Schnittstelle oft Small Computer System Interfaces SCSI verwendet. Die SCSI-Schnittstelle wird dabei in der Regel mittels einer speziellen Peripheriebaugruppe, einer sog. Kontroller-Karte, erzeugt, die in einen PCI-Steckplatz gesteckt wird.
• Eine repräsentative Übersicht typischer Ausführung von PC's ist in der Zeitschrift c't 2003, Heft 3, Seiten 94-101 dargestellt.
• In c't 2003, Heft 4, Seite 160-168 werden beispielsweise 10 Mainboards der neusten Technologie mit Intel Pentium 4 Prozessor miteinander verglichen und näher erläutert.
• In c't 2003, Heft 5, Seite 160-167 werden mehrere Mainboards mit Prozessoren des Herstellers AMD beschrieben.
• Beide Berichte geben eine gute Übersicht über aktuelle Mainboard-Technik mit den entsprechenden Schnittstellen.
• Eine Übersicht über standardisierte und vorgeschlagene PC-Schnittstellen findet sich in c't 2003, Heft 2, Seiten 88 bis 90.
• Eine Beschreibung der geometrischen Abmessungen von Mainboards mit deren Anschlussmöglichkeiten findet sich in der ATX-Spezifikation, Aktuelle Version 2.1 der Firma Intel. Dort sind auch kleinere Leiterplattenformate, wie miniATX und microATX beschrieben. Der wesentliche Unterschied der Formate besteht in einer skalierbaren Leiterplattenbreite. Während ein ATX- Mainboard im Vollformat gemäß Intel-Vorschlag mit 304,8 × 243,84 mm (Breite x Tiefe) noch über 4 Industriestandard Steckplätze ISA sowie 3 PCI-Steckplätze verfügt, verfügt ein microATX Mainboard nach der gleichen Spezifikation mit 244 × 244 mm lediglich noch über 2 ISA und PCI-Steckplätze - bei sonst gleicher Anordnung der elektronischen Bauteile.
• Neben dem üblichen Verfahren der großen erweiterbaren PC-Gehäuse gibt es auch sog. Barebone PC's.
• C't 2003, Heft 3, S. 102-107 zeigt verschiedene Ausführungen von Barebone-Gehäusen. C't 2003, Heft 4, Seite 78 befasst sich ebenfalls mit solch einem System.
• Barebone PC's sind PC's mit geringer oder keiner internen Erweiterbarkeit. Sie besitzen meist ein micro- oder mini ATX-Mainboard oder ein Mainboard der Firma VIA (VIA Mini-ITX-Mainboard), oft nur einen einzigen PCI-Steckplatz sowie nur einen Einbauplatz für eine Festplatte und ggf. ein CD-Rom- Laufwerk.
• Während ein typischer Desktop-PC Abmessungen von ca. 45-65 × 20 × 47 cm (Höhe x Breite x Tiefe) besitzt, misst ein Barebone PC z. T. nur 20 × 20 × 30 cm und ist damit wesentlich kleiner - aber auch deutlich weniger ausbaubar. Ein wesentlicher Vorteil des Barebone PC für eine bestimmte Käuferschicht ist der Umstand, dass diese Bauform wegen der kaum vorhandenen Erweiterbarkeit über relativ leise Lüfter mit geringer Leistung verfügen kann und somit weniger Lärm verursacht, als seine voll erweiterbaren Brüder.
• Es handelt sich beim Barebone demnach um ein kompaktes System mit sehr eingeschränkter Erweiterbarkeit. VIA-Mainboards verfügen z. B. auch nicht über eine AGP-Schnittstelle zum Anschluss leistungsstarker Grafikbaugruppen, wie dies bei ATX-Mainboards der Fall ist. Damit sind Grafikintensive oder erweiterungsbedürftige Einsatzgebiete für Barebone-Systeme (grafische 3D- Arbeitsplätze, Multimedia-Arbeitsplätze, Laborarbeitsplätze, Serveranwendungen etc.) prinzipiell nicht geeignet.
• PC's besitzen heute unterschiedliche Nachteile. Die Bauform ist bei erweiterbaren PC's sehr groß, es müssen eine große Standfläche vorgehalten werden, teure mechanische und elektronische Komponenten vorgerüstet werden und ein leistungsstarkes Netzteil vorhanden sein, damit spätere umfangreiche Erweiterungen betrieben werden können.
• Die Gerätegröße wirkt sich neben der örtlichen Unterbringung am Arbeitsplatz ungünstig auf Produktion, Lagerhaltung, Versandt und Logistik aus und verursacht zudem erhebliche Lärmbelästigung. Die vorgehaltene Erweiterbarkeit ist Kosten- Material- und Raumintensiv, zudem beinhaltet sie erhebliche Probleme für die tatsächliche spätere Erweiterung, die mit erheblichen technischen Kenntnissen durchgeführt werden muss und recht arbeitsintensiv ist, s. u.
• Die vorliegenden Bauformen führen zudem zu erheblichen Problemen bei der Abfuhr der entstehenden Verlustwärme der elektrischen und elektronischen Komponenten. Der mechanische Aufbau aus Grundplatine und aufsteckbaren Erweiterungsbaugruppen bildet ein System, dass weder von Konvektionsströmungen, noch von Ventilatoren effizient umströmt werden kann. Es werden große Kühlkörper für bestimmte Bauelemente, wie z. B. den Prozessor eingebaut.
• Einsteckbaugruppen (Peripheriebaugruppen oder Grafikadapter) tragen z. T. eigene Lüfter. Der mechanische Aufwand für die Kühlung ist sehr groß.
• Details der Belüftungsprobleme können beispielsweise im Dokument Micro ATX Small System Thermal/Acoustic Design Guide Version 1.0 der Firma Intel eingesehen werden. Die akustischen Probleme und Störungen am Arbeitsplatz resultieren aus den eingesetzten Lüftern.
• In c't 2003, Heft 10 sind unter dem Titel "PC richtig kühlen" zahlreiche thermische und akustische Probleme beschrieben, die insbesondere durch die intern erweiterbaren großen PC's verursacht werden.
• Die interne Erweiterungsfähigkeit der großen und teuer vorgerüsteten PC's ist zudem in der Praxis aus unterschiedlichen technischen Gründen oft leider nicht nutzbar. Im privaten Bereich sind nur in den wenigsten Fällen die entsprechenden Fachkenntnisse verfügbar, um tatsächlich zusätzliche Laufwerke oder Steckplatinen zu erweitern. Der Artikel PC-System-Check in c't 2002, Heft 26 ab Seite 102 führt unter anderem BIOS-Probleme (Basic Input Output System), Chip-Satz Probleme des Mainboard, Betriebssystem-Probleme, Jumper-Probleme auf den Laufwerken (je nach Ausführung und Kombination der Laufwerke müssen unterschiedliche Steckbrücken verbunden werden), unterschiedliche Laufwerkgeschwindigkeiten, Kombinations-und Performance-Probleme, gegenseitiges Blockieren der Geräte, Master-Slave-Konfigurationsvarianten, Stecker- und Kabelalternativen etc. auf.
• Weitere Probleme bestehen im Anschluss von Laufwerken mit analoger Musikwiedergabe. Schließt man beispielsweise ein CD-ROM-Laufwerk an und möchte analoge Übertragung nutzen, so muss zusätzlich ein abgeschirmtes Leitungspaar mit der Audiokarte verbunden werden. Hierzu ist in aller Regel keine detaillierte Dokumentation vorhanden. Möchte man gar mehrere derartige Laufwerke ergänzen, ist dies mangels zusätzlicher Audioeingänge selten möglich, in der Regel existiert maximal ein interner analoger Eingang.
• Bei PCI-Steckplätzen gibt es ebenfalls unterschiedliche Ausführungen mit 32 und 64 Bit Busbreite, Spannungsprobleme und ggf. Probleme mit der Interruptverwaltung der CPU (Central Processing Unit = Prozessor). Auch spielt häufig die Reihenfolge gesteckter Karten auf dem Bus eine Rolle. Es handelt sich um ein Parallel-Bus-System, so dass sich alle gesteckten Baugruppen die Bus-Ressourcen teilen - so kommt es teilweise zu gegenseitigen Beeinflussungen.
• ISA-Steckkarten sind technologische Vorläufer der PCI-Steckkarten. Beide sind jedoch nicht kompatibel zueinander. Es existieren ebenfalls unterschiedliche Versionen mit 8 und 16 Bit Busbreite und unterschiedlichen Taktraten.
• Diese Baugruppen sind vielfach im Feld noch vorhanden und werden beispielsweise im Industrie- und Laborbereich gerne eingesetzt, wenn PC's für Mess-, Steuer- und Regelzwecke verwendet werden und vorgeleistete Investitionen in Peripheriebaugruppen und insbesondere darauf basierende Software gesichert bleiben sollen.
• Die internen Busse des Mainboards, wie AGP- IDE-, ISA- und PCI-Busse etc. können alle samt nicht im laufenden Betrieb gesteckt oder gezogen werden. Hierdurch würden elektrische Bauteile auf Dauer zerstört werden. Ein Stecken und Ziehen im Betrieb (hot plug bzw. hot swap ist demnach in der Software (Betriebssystem und oder im Basic Input/Output-System BIOS) auch nicht vorgesehen und würde neben den elektrischen Problemen zum sog. Absturz des Rechners führen. Eine Erweiterung mit diesen Baugruppen bedingt somit in jedem Fall einen Eingriff in die innere Hardware und einen Systemausfall.
• Neben diesen grundsätzlichen technischen Problemen kommt in der Praxis die Gefahr hinzu, dass durch das Hantieren an der internen Hardware unbeabsichtigte Berührungen von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen stattfinden oder Verbindungskabeln, Steckbrücken, Baugruppen oder Steckern gelöst werden, wodurch Komponenten auf Dauer zerstört, oder zumindest außer Funktion gesetzt werden. Daher werden PC's im privaten Bereich intern nur selten nachgerüstet. Für die notwendige Erweiterung von Steckkarten bemüht man in der Regel einen sachkundigen Bekannten, oder man transportiert das Gerät (oft mehrmals, oft teuer) zum Servicetechniker oder Fachgeschäft. Laufwerke werden meist extern erweitert. Die teuren internen Vorleistungen werden nur sehr begrenzt genutzt. Nicht selten wird im Fall einer notwendigen Erweiterung aus Verlegenheit oder infolge Zuraten der Verkäufer gleich ein kompletter neuer PC gekauft, obwohl dies technisch nicht notwendig ist.
• Vergleichbares findet sich aber auch bei den EDV-Fachabteilungen der meisten Firmen. Bei internen Erweiterungen ist eine längere Unterbrechung am Arbeitsplatz erforderlich, da diese Erweiterungen nicht im laufenden Betrieb durchgeführt werden können. Weiterhin ist die Gefahr einer Zerstörung oder langer Ausfallzeiten am Arbeitsplatz, die durch eine Öffnung des PC's verursacht werden könnten in der Regel so groß, dass hierauf meist verzichtet wird. Zudem müsste hierfür sehr qualifiziertes Personal mit Hardware- und Softwarekenntnissen und diversen Werkzeugen und Erdungsmaßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen zum Einsatz kommen, was meist kaum zur Verfügung steht. Aus diesem Grund werden firmenintern genutzte PC's meist in einer einheitlichen Grundkonfiguration an die Arbeitsplätze ausgeliefert. Sind Erweiterungen erforderlich, wird soweit dies nur irgend möglich ist, extern erweitert. Das schließt jedoch die Erweiterung mit Steckbaugruppen aus. Ist eine solche Erweiterung unabdingbar, muss sie in der Regel durch PC-Austausch und Konfiguration im EDV-Labor durchgeführt werden.
• Diese Erweiterungs-Strategien sind sehr aufwendig in Bearbeitungszeit, Kosten und Material. Sie führen häufig dazu, dass PC's unnötig stark in der Grundkonfiguration ausgebaut werden, um spätere Erweiterungen zu vermeiden. Das PC-Grundkonzept mit Basisplatine, die durch Aufstecken von Baugruppen bei geöffnetem Gehäuse erweitert werden muss, ist ein fehleranfälliges und mit hohen Folgekosten behaftetes Relikt aus der Zeit vor 1975, in der die ersten PC's in amerikanischen Garagen gebastelt wurden (beispielsweise Commodore PET, oder Altair 8800 mit S100-Leiterplatten-Bus).
• Externe Erweiterungen sind ebenfalls nicht ohne Probleme möglich. Steckbaugruppen sind extern überhaupt nicht erweiterbar, da der AGP-, ISA- oder PCI-Bus aus technischen Gründen nicht aus dem Gehäuse herausgeführt werden kann.
• Zusätzliche Festplatten, CD-ROM oder andere Laufwerke werden heute häufig mittels Universal Serial Bus USB angeschlossen. Diese Verfahrensweise wird als sehr einfach dargestellt, besitzt aber auch seine Tücken:
  Hierbei ist zunächst die Bus-Version zu beachten USB 2.0 ist die aktuelle Version mit bis zu 400 Mbit/sek (www.usb.org). USB 1.1 kann nur 10 Mbit/sek übertragen und ist in den meisten älteren PC's vorhanden - falls überhaupt ein USB-Anschluß vorhanden ist. Mit dieser Geschwindigkeit wird man bei einer externen Festplatte, einem DVD-Laufwerk oder auch einem CD-ROM-Laufwerk oder -Brenner wenig begeistert sein. Hierzu muss eine USB 2.0-Steckkarte am internen PCI-Bus eingebaut werden.
• Eine externe Erweiterung bedingt wie hier gezeigt nicht selten als Voraussetzung eine interne Erweiterung (mit all den beschriebenen Problemen).
• Das USB-Kabel darf extern nur eine bestimmte Länge haben. Die USB-Schnittstelle kann einen bestimmten Strom liefern (Speisestrom), die Höhe kann jedoch je nach Hersteller des PC's oder der Schnittstellenkarte unterschiedlich sein.
• Das externe Gerät benötigt in der Regel eine zusätzliche Versorgungsspannung und besitzt ein eingebautes Netzteil, oder ein Steckernetzteil. Sog. Mini-Gehäuse für 2,5 Zoll-Festplatten verfügen meist über ein Steckernetzteil, aber keinen Netzschalter. Zum fehlerfreien Betrieb ohne extern angeschaltete Festplatte muss dabei in der Regel sowohl das USB-Kabel, als auch das Steckernetzteil gezogen sein, da sonst parasitäre Speiseprobleme der USB-Schnittstelle erfolgen. Dieses Verfahren ist sehr umständlich. Hinzu kommt, dass einige Hersteller sich das externe Steckernetzteil sparen und den Kunden anweisen, ein solches zu beschaffen, falls die USB-Spannungsversorgung nicht ausreicht. Steckernetzteile sind jedoch weder hinsichtlich Spannungshöhe, Wechselspannungsanteil, Gehäusestecker, noch in der Polarisierung ihrer Gehäusestecker genormt so dass eine separate Beschaffung riskant ist.
• USB-Geräte werden vom Betriebssystem meist nur dann erkannt, wenn sie nach dem Hochfahren des Betriebssystemes eingeschaltet werden (SCSI-Laufwerken müssen hingegen meist vor dem Einschalten des PC bereits eingeschaltet sein).
• Weiterhin muss das externe Gehäuse über eine sog. USB-IDE-Bridge verfügen, ein Schnittstellenwandler zwischen USB-Bus und dem IDE-Laufwerk. Dieser Baustein muss kompatibel zum USB-Chipsatz des PC und zu dessen Betriebssystem sein, sonst ist eine reibungslose Funktion nicht möglich.
• Bei einem im externen Gehäuse eingebauten Laufwerk muss die richtige Konfiguration der Steckbrücken (Jumper) eingestellt sein. Hier ist in der Regel die Master-Konfiguration zu konfigurieren. Sollen mehr als ein Laufwerk angeschlossen werden, sind auch mehrere USB-Schnittstellen am PC erforderlich, oder ein externer sog. HUB als Kabelverteiler und/oder -verstärker. Es gibt elektrisch aktive HUBs mit Zusatznetzteil und passive HUBs ohne Netzteil. Letztere reduzieren natürlich den verfügbaren Strom der USB-Schnittstellenspeisung pro angeschaltetem Gerät. Wie oben erkennbar, kann somit die Erweiterung eines neuen zusätzlichen Gerätes am USB-Bus bereits wegen der Stromversorgung zu Störungen vorhandener Geräte führen.
• An einem USB-Strang angeschaltete Geräte können sich auch in der Geschwindigkeit gegenseitig beeinflussen bzw. stören, wenn die Gesamtperformanz des Busses für den unabhängigen Betrieb mehrer Einzelgeräte nicht ausreicht.
• Vergleichbares gilt bei Verwendung einer IEEE 1394-Schnittstelle (FireWire). Die aktuelle Variante IEEE 1394b erlaubt einen Betrieb mit 800 Mbit/s (c't 2003, Heft 10, S. 166-168, bzw. www.1394ta.org).
• Das externe Gehäuse passt meist vom Design und Formfaktor nicht zum PC. Kauft man mehrere externe Laufwerke zu unterschiedlichen Zeiten, oder bei unterschiedlichen Händlern, sind diese in der Regel in Schaltungstechnik sowie Design ebenfalls unterschiedlich, was neben der optischen Störung auch zu Problemen mit unterschiedlich erforderlicher Treiber-Software führen kann.
• Neben dem ganzen Kabelsalat und den zahlreichen Netzsteckern/Steckernetzteilen muss noch beachtet werden, dass analoge Signale eines CD-ROM oder DVD-Laufwerkes nicht in den vorhandenen Bussen integriert sind und somit separat zum PC geführt werden müssen. Sind überhaupt Eingangsbuchsen für externe analoge Signale vorhanden, dann meist nicht doppelt. Schließt man demnach zwei externe Laufwerke an, muss bei jedem Abspielvorgang umgestöpselt werden. Das gleiche ist bereits bei einem externen Laufwerk der Fall, wenn der verfügbare PC- Eingang an die HiFi-Anlage angeschaltet ist.
• Im professionellen Bereich wird häufig eine Erweiterung mittels externem SCSI-Bus verwendet, zumal hochperformante serielle Schnittstellen der o. g. Art erst seit kurzer Zeit existieren. Zum Anschluss von SCSI-Komponenten sind erhebliche Kenntnisse erforderlich, da die zusätzlich erforderlichen internen PCI-Schnittstellenbaugruppe zum Erzielen der besten Performance zur Technologie der zu erweiternden Laufwerke passen muss (c't 2003, Heft 1, S. 134-137). Hier gibt es z. Z. die Versionen SCSI, Ultra SCSI. Wide SCSI und Ultra Wide SCSI, die sich in Kabelart, Stecker und maximaler Kabellänge unterscheiden. Zusätzlich müssen die externen Laufwerke per Steckbrücke in sinnvoller Reihenfolge durchnumeriert werden, wobei der PCI-Baugruppe meist die Adresse Null fest zugeordnet ist. Eine doppelte Nummernvergabe führt zu Fehlern. Weiterhin müssen alle angeschlossenen Geräte, bis auf das letzte am Kabelende, ohne Terminierung der SCSI-Leitungen ausgeführt sein. Das letzte Gerät muss hingegen aktiv oder passiv terminiert sein, ebenso die Schnittstellenkarte im PC. Beim Austausch externer Laufwerke oder beispielsweise beim zeitweise Zuschalten eines Scanners ist sorgfältig auf diese Verfahrensweise zu achten. Entsprechende Anpassungen sind dann zum technisch reibungslosen Betrieb bei jeder einzelnen Konfigurationsänderung erforderlich, sonst ist kein störungsfreier Betrieb möglich. Bei einer aktiven Terminierung im letzten Gerät muss häufig darauf geachtet werden, dass die Stromversorgung hier nicht abgeschaltet werden darf. Scanner können teilweise herstellerbedingt nur als letztes Gerät angeschaltet werden. Die Probleme ließen sich weiter fortsetzen. Diese Verfahrensweise mit SCSI-Bus ist für den privaten Bereich kaum gebräuchlich und neben der technischen Komplexität sehr teuer. SCSI-Festplatten besitzen häufig eine verminderte Störanfälligkeit, bzw. längere Lebensdauer, da sie für den Einsatz in dedizierten Servern im professionellen Anwendungsbereich vorgesehen sind. Somit entstehen zusätzliche Kosten im Bürobereich, wo diese Anforderungen gar nicht vorhanden sind.
• Neben den beschrieben Schnittstellen- und Erweiterungsproblemen kämpft der leidgeplagte Nutzer auch noch zusätzlich mit Problemen des Betriebssystemes, mit Treiberprogrammen für die zusätzliche Hardware (Peripheriebaugruppen, Laufwerke, externe Gehäusen sowie HUB-Komponenten und Schnittstellenumsetzern/Bridges).
• Limitierungen, Fehler und Varianten der Betriebssysteme verschärfen die Situation zusätzlich.
• Wenn in diesem komplexen Gesamtumfeld einer Erweiterung beliebige Fehler vorhanden sind, so hat der unerfahrene Nutzer (zuweilen auch der erfahrene Spezialist) oft keine Chance mehr, oder zumindest eine sehr zeitraubende und damit kostenintensive Arbeit vor sich.
• Fig. 1 zeigt exemplarisch einen konventionellen PC mit externer Erweiterung. Es handelt sich dabei um eine Festplatte, ein CD-ROM-Laufwerk (z. B. Brenner) sowie ein DVD-Laufwerk. Dargestellt ist eine Anschaltung mittels USB-Schnittstelle. Von der Performance her ist hierzu USB 2.0 erforderlich, weshalb der PC (1.0) in der Regel zunächst mit einer internen USB 2.0-Schnittstellenkarte (1.13) am PCI-Bus aufgerüstet werden muss.
• Je nach Anzahl der verfügbaren USB-Schnittstellen werden die langsameren Laufwerke über einen USB-HUB (Schnittstellenvervielfacher 1.4) gemeinsam angeschaltet. Im Bild sind dies das CD- Laufwerk 1.2 sowie das DVD-Laufwerk 1.3. Die Festplatte 1.5 ist separat angeschaltet, um hier die größte Zugriffsgeschwindigkeit zu erzielen.
• Werden beispielsweise zwei Festplatten, oder eine Festplatte und ein CD-Brenner an einem USB-Bus angeschaltet, so kann dies zur gegenseitigen Verringerung der Datenübertragungsrate führen. Auch USB 2.0 ist mit 400 Mbit/s bereits zu langsam für schnelle Festplatten. Die Laufwerke verfügen jeweils über eigene Stecker, bzw. Steckernetzteile (1.6-1.8). Diese sind zusammen mit der PC- Stromversorgung (1.1) mit einer Steckerleiste (1.9) verbunden. Die analogen Ausgänge (1.10 u. 1.11) der optischen Audiolaufwerke sind wahlweise mit dem analogen Eingang (1.12) des PC zu verbinden, der ebenfalls zum Anschluss der HiFi-Anlage dient. Möchte man permanentes Umstecken vermeiden, so ist eine zusätzliche interne Peripheriebaugruppen (1.14) mit mehreren analogen Eingangskanälen als PCI-Baugruppe erforderlich (in diesem Fall drei Eingangskanäle).
• Es kann resümiert werden, dass die Erweiterung von PC's mit erheblichen Problemen behaftet ist. Im privaten Bereich kommt es häufig vor, dass neue Erweiterungen gar nicht, oder nur unzureichend funktionieren. Im Geschäftlichen Bereich werden neue Erweiterungen meist aufwändig in der EDV- Abteilung auf Kompatibilität untersucht und für eine firmeninterne Nutzung qualifiziert, bevor sie zur internen Verwendung freigegeben werden. In der Regel beschränkt man sich auf möglichst wenige PC- und Erweiterungsvarianten, um die Service-Kosten im Rahmen zu halten. Interne Erweiterungen werden, soweit vermeidbar, nicht vorgenommen. Externe Erweiterungen sind ebenfalls problembehaftet und arbeitsaufwändig. Es ist in jedem Fall eine hohe Expertise für Erweiterungen erforderlich. Teure und raumaufwendige Grundleistungen der erweiterbaren PC's sind meist nicht nutzbar und daher sinnlos. Erweiterungen führen in der Regel zu längeren Unterbrechungen am Arbeitsplatz und erfordern einen EDV-Experten vor Ort. Teilweise muss die Erweiterung im EDV-Labor durchgeführt werden. Möchte man den Arbeitsausfall zeitlich begrenzen, so müssen gleichartige Pool- PC's als Austauschgeräte vorgehalten werden. Entsprechend sind geeignete Backup-Strategien erforderlich, damit die Arbeit vor Ort mit den vorhandenen Datensätzen und möglichst wenig Arbeitszeitverlust weitergeführt werden kann.
• Die genannten Ausführungen lassen erkennen, dass sowohl interne als auch externe PC- Erweiterungen heute mit erheblichen Problemen behaftet sind, was sich letztendlich in erheblichen Kosten niederschlägt. Eine Optimierung der Erweiterungsfähigkeit würde entsprechend Kosten einsparen.
Erfindungsgemäße Aufgabe
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, auf dessen Basis eine verbesserte Erweiterbarkeit bzw. Servicefreundlichkeit von Desktop-PC's im privaten Bereich sowie im geschäftlichen Bereich (Bürobereich) realisierbar ist. Optimal wäre in diesem Zusammenhang auch eine Verbesserung der Geräuschbelästigung durch den PC am Arbeitsplatz.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Erläuterung
• Die Erfindung wird unter Verwendung von Zeichnungsfiguren, die hier lediglich eine mögliche Ausführungsart in schematischer Darstellung beschreiben, erläutert, wobei sich anhand der Zeichnungsfiguren weitere Anwendungsgebiete und Ansprüche ergeben.
• Fig. 2 zeigt eine typische Konfiguration des erfindungsgemäß modular erweiterbaren PC's. Ein kompakt aufgebauter PC (2.0), der in seinen geometrischen Abmessungen auf ein vergleichbares Maß herkömmlicher Erweiterungsgehäuse für externe 51/4-Zoll-Laufwerke reduziert ist (z. B. 7 × 19 × 25 cm/ Höhe × Breite × Tiefe), besitzt die für einen PC üblichen Komponenten, wie Stromversorgung (hier Steckernetzteil (2.1), Netzschalter (2.2), Floppy-Laufwerk (2.3), DVD/CD-Kombinationslaufwerk (2.4), Speicherkartenleser (2.5), Audio-Schnittstellen (2.6), ext. Erweiterungsschnittstellen wie beispielsweise USB 2 (2.7) und Cardbus-Interface (2.8). Abb). Ein optischer oder elektromagnetischen Sensor dient der Fernsteuerung von PC bzw. dem Datenaustausch zwischen PC und Drucker oder anderen PC's oder externen Einrichtungen (2.9).
• Festplatte, Arbeitsspeicher und Grafikadapter sind intern vorhanden und nicht gesondert dargestellt. Ebenso befinden sich auf der Rückseite die üblichen Schnittstellen für Drucker, Netzwerk, Serielle u. Parallele Schnittstellen, Tastatur und Monitor/Flachbildschirm sowie ext. Erweiterungsschnittstellen für Firmen-Netz (LAN), USB, IEEE 1394 o. ä. In diesem beschrieben Umfang entspricht der PC einem sehr kompakten gut ausgebauten Barebone-System.
• Im Unterschied zu diesem sowie zu allen vorhandenen PC-Lösungen verfügt der erfindungsgemäß modular erweiterbare PC zusätzlich über zumindest eine Erweiterungsschnittstelle (2.10) sowie über geeignete einrastbare Halterungen (2.11), an die zumindest ein Erweiterungsgehäuse (2.20) im passenden Design und Formfaktor mit wahlweise zusätzlichen Laufwerken oder zusätzlichen Erweiterungsbaugruppen adaptiert werden kann, wobei die Adaption bei einer besonders bevorzugten Variante durch Aufstecken auf die Gehäuseoberseite erfolgt und darüber hinaus keine zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Verbindungen erforderlich sind. Das Erweiterungsgehäuse (2.20) verfügt demgemäß über einen geeigneten Gegenstecker auf der Gehäuseunterseite (2.21, (in der Abbildung nicht sichtbar) und seinerseits über einen gleichartigen Erweiterungsstecker (2.22) wie das Grundgerät, wodurch mehrere Erweiterungsgehäuse in beliebiger Reihenfolge steckbar bzw. anreihbar oder stapelbar sind.
• Der erfindungsgemäße modular erweiterbare PC verfügt zur optimalen Wärmeabfuhr optional über seitliche Kühlkörper (2.12). Das gleiche gilt für das Erweiterungsgehäuse (2.23).
• Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Grundgerät (3.0) mit Stromversorgung (3.1) und drei adaptierten Erweiterungsgehäusen (3.2-3.4). Diese Konfiguration entspricht im bisher beschriebenen Funktionsumfang einem herkömmlichen Aufbau gemäß Fig. 1.
• Die sichtbaren Vorteile durch Einsparung von umbautem Raum, Stellfläche, Kabeln und Netzversorgung sind deutlich erkennbar. Die Gerätekombination benötigt in dieser Konfiguration insgesamt nur rnd. R des Volumen eines Tower-Gehäuses, ohne sonstige Erweiterungen und ohne jegliche Verkabelung zwischen den Komponenten.
• Zudem beinhaltet die erfindungsgemäße Verfahrensweise zusätzliche Vorteile, die eine Erweiterung mit weniger notwendiger fachlicher Expertise (Laien-Installation) und damit weniger technischem Risiko sowie mit geringerer Ausfallzeit am Arbeitsplatz ermöglichen. Diese Kriterien sind nachfolgend beschrieben.
• Zur Minderung der Geräuschbelästigung am Arbeitsplatz ist der modular erweiterbare PC optional mit einem passiven Kühlkörper 2.12 ausgerüstet (hier exemplarisch an der Gehäuseseite dargestellt). Dies ermöglicht auch beim Einsatz leistungsstarker Prozessoren und Zusatzbauteile mit hohem Stromverbrauch den lüfterlosen Betrieb, bzw. den Betrieb mit leistungschwachen leisen Lüftern. Die Komponenten mit der wesentlichen Verlustleistung werden hierzu direkt am Kühlkörper oder in räumlicher Nähe zum Kühlkörper montiert, wobei die Wärmeleitung unmittelbar zum Kühlkörper übergeht, bzw. bei räumlich naher Montage mit geeigneten Wärmeleitern (z. B. Kupfer- oder Alu- Winkel) oder mit wärmetransportierenden Verbindungen (Bauteileadapter mit Kühlwassertransportsystem oder Heatpipe) erfolgt. Diese Technologie wird bisweilen serienmäßig nur im Notebook-Bereich eingesetzt.
• Modellrechnungen anhand der Ausführungen in Micro ATX Small System Thermal/Accoustic Design Guide - Version 1.0 sowie durchgeführte Messungen zeigen, dass die Verlustleistung innerhalb des Gehäuses bei der in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Verfahrensweise bei gleicher Prozessor-Technologie im Vergleich zu einem Towergehäuse in etwa halbiert werden kann, was entsprechende Vorteile einer geräuscharmen Kühlung mit sich bringt.
• Die Stromversorgung der Erweiterungsgehäuse erfolgt optional über die Steckverbindungen aus dem Grundgerät.
• Die Erweiterungsgehäuse sind zur Aufnahme von standardmäßig erhältlichen Laufwerken mit beispielsweise IDE- oder SCSI-Schnittstelle oder zur Aufnahme standardmäßig erhältlicher Peripheriebaugruppen mit beispielsweise ISA-, PCI- oder AGP-Bus geeignet (hier allerdings mit Gehäuse-spezifisch begrenzter Einbaulänge, was in der Praxis jedoch ausreicht). Hierdurch steht der gesamte Markt an standardisierten Komponenten zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen erweiterbaren PC offen.
• Die Erweiterungsgehäuse verfügen über einen entsprechenden Formfaktor sowie zumindest ähnliche gestalterische Merkmale (Design) wie das Grundgerät, so dass die Kombination aus Grundgerät und Erweiterungsbaugruppen auch eine optisch-visuelle zusammengehörige Einheit bildet. Demgemäß sind die Gehäuse anreihbar oder stapelbar.
• Abb. 4 zeigt schematisch die Verbindung eines Grundgerätes (4.0) mit zwei Erweiterungsgehäusen (4.1 und 4.2). Die Verbindung erfolgt mittels Stecksystem 4.3 (vorzugsweise durch direktes kabelloses Stecken). Das Grundgerät besitzt hierzu eine geeignete Interfaceschaltung 4.4 zur Bereitstellung der Versorgungsspannung der Erweiterungsgehäuse, der erforderlichen Schnittstellensignale sowie der erforderlichen Kontrollfunktionen zur automatischen Konfiguration und Erkennung der Erweiterungsgehäuse, so dass keine manuelle Zusatzkonfiguration der Erweiterungsgehäuse erforderlich ist.
• Das Erweiterungsgehäuse 4.1 enthält ebenfalls eine Interfaceschaltung (4.5). Sie bildet die Schnittstelle zwischen Grundgerät, eingebauter Peripheriebaugruppe (4.7) und dem Stecker zum nächsten Erweiterungsgehäuse (4.3). In diesem Zusammenhang stellt sie alle erforderliche Versorgungsspannungen zur Verfügung, führt die Signalleitungen und Steuerleitungen durch, bzw. konvertiert diese in geeigneter Weise und enthält die Schaltungsanteile zur automatischen Erkennung und Konfiguration der eingebauten Erweiterungsbaugruppe.
• Zur Adaption der Peripheriebaugruppe 4.7 stellt das Interface eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise einen PCI-Bus zur Verfügung.
• Das Erweiterungsgehäuse 4.2 besitzt die Interface-Schnittstelle 4.6, welche prinzipiell die gleiche Funktionalität wie 4.5 besitzt. Sie unterscheidet sich dahingehend, dass hier keine Steckbaugruppe, sondern ein eingebautes Laufwerk (z. B. eine Festplatte 4.9) mittels IDE-Interface 4.10, Stromversorgung 4.11 und Steckbrückenkonfiguration (Jumper) 4.12 angeschaltet ist.
• Für spezifische Schnittstellen zu Erweiterungsbaugruppen, Laufwerken etc. sind unterschiedliche Erweiterungsbaugruppen, die sich im konkreten Schaltungsausführung der jeweiligen Interfacebaugruppe unterscheiden, erforderlich. Alternativ sind optional multifunktionale Erweiterungsgehäuse realisierbar, die mehrere Schnittstellen, beispielsweise PCI- und IDE- Schnittstellen besitzen.
• Die Erweiterungsgehäuse sind in beliebiger Reihenfolge steckbar.
• Im gesteckten Zustand rasten Verbindungselemente (2.11, Fig. 2) ein, so dass eine mechanisch feste und sichere Geräteverbindung ermöglicht wird. Optional ist eine zusätzliche Verriegelung, wiederum Optional mittels Schloss, vorgesehen.
• Zur Trennung der Geräte muss die Verriegelung zuerst gelöst werden. Hierdurch wird ein vereinfachter Transport der kompletten Vorrichtung, bestehend aus Grundgerät und mehreren Erweiterungsgehäusen ermöglicht sowie eine verbesserte Diebstahlsicherung.
• Fig. 5 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau der Interface-Schaltungen im PC-Grundgerät sowie in einem beliebigen Erweiterungsgehäuse, welches hier an erster Stelle angesteckt ist. Weitere Erweiterungsgehäuse verfügen jeweils über die gleiche Schaltung, mit Ausnahme der IDE-Bridge. Das Erweiterungsgehäuse 1 ist hier mit einem CD-ROM-Laufwerk sowie einer IDE-Brücke ausgestattet. Diese Komponenten können sich wie bereits beschrieben in anderen Erweiterungsgehäusen bedarfsspezifisch unterscheiden.
• Beispielsweise kann für die Bestückung mit einer PCI-Baugruppe alternativ eine PCI-Brücke eingebaut sein. Diese stellt die PCI-Bus-Signale sowie das erforderliche Timing für die PCI-Baugruppen im Erweiterungsgehäuse zur Verfügung und sorgt in Verbindung mit einer entsprechenden im Betriebssystem einzubindenden Treiber-Software dafür, dass die entsprechenden Interrupt-Adress- Daten- und Steuerinformationen zwischen Prozessorschaltung und PCI-Bus innerhalb der Erweiterungsschnittstelle transparent transportiert werden können, so dass die vorhandenen Software- Treiber der Peripheriebaugruppe auch weiterhin so nutzbar sind, als wäre die PCI-Baugruppe unmittelbar auf dem Motherboard gesteckt.
• Das gleiche Verfahren gilt sinngemäß auch entsprechend für andere Bussysteme für Peripheriebaugruppen, Laufwerke sowie für Grafikbaugruppen.
• Das PC-Interface liefert die Adressleitungen (AL1 . . . ALn), welche zur eigenen Adressidentifikation des ersten Erweiterungsgehäuses dient (fortlaufende Gerätenummer). Hier wird die Eingangsadresse (EA) im Adressumsetzer (AU) um eine Einheit erhöht (inkrementiert) und als Ausgangsadresse AA für das nächste Erweiterungsgehäuse zur Verfügung gestellt. Im vorliegenden Beispiel werden anstelle eines parallelen Busses bzw. einer universellen Prozessorschnittstelle, serielle Busse mit dem Vorteil geringerer Leitungsanzahl für die Erweiterungsgehäuse verwendet. Zur Steigerung der Performance werden n Busse (beispielsweise USB 2.0, IEEE 1394b, PCI Express o. ä.) zur Verfügung gestellt, wobei jedes Erweiterungsgehäuse einen dieser Busse gemäß seiner eigenen Adresse (Gerätenummer) über das demgemäß aktive Bus-Auswahlsignal (BA1 . . . BAn) des Adressumsetzer zur Aktivierung des entsprechenden Bus Schalters (BS1 . . . BSn) nutzt, um den (seriellen) Bus zur Interface- Brücke durchzuschalten, wo der serielle Bus zum IDE-Bus konvertiert wird und somit das CD-ROM- Laufwerk betrieben werden kann. Alternativ kann ein einzelner Bus für mehrere Erweiterungsgehäuse oder alle verwendet werden. Letzteres bringt z.Z. noch den Nachteil unzureichender Performanz mit sich, kann bei fortschreitender technologischer Entwicklung jedoch zum uneingeschränkten Betrieb der Erweiterungen insgesamt geeignet sein. Auch ist es denkbar, dass einzelne Erweiterungsgehäuse mit hohen Performanzanforderungen, wie beispielsweise integrierte Grafikkarten, mehrere serielle Busse exklusiv benötigen. Dies kann im AU durch die mehrfache Adressvergabe berücksichtigt sein. Die Eingangs Bus Terminierung EBT1 . . . EBTn dient zum optionalen Terminieren des Busses/ der Busse im Eingangsbereich des Erweiterungsgehäuse. Hier können notwendige physikalische Umwandlungen (optisch/elektrisch, differential/unipolar) oder Pegelumwandlungen etc. Durchgeführt werden.
• Zum Erkennen, ob der PC erweitert ist, dient das Erw-Signal, welches durch Aufstecken eines Erweiterungsgehäuses von Minus auf Plus wechselt. Das Erweiterungsgehäuse verfügt ebenfalls über einen entsprechenden Indikator. Wenn das Erweiterungsgehäuse nicht durch ein weiteres Erweiterungsgehäuse erweitert ist, kann dieses Signal bedarfsweise dazu genutzt werden, einen oder mehrere Busse automatisch zu terminieren (BT1 . . . n). Das Laufwerk-Selekt-Signal (LS) der Brücke wird dazu verwendet, das analoge Signal des CD-ROM-Laufwerkes im aktiven Lesezustand mittels Analog Audio Schalter (AAS) auf den analogen Bus (Abus) zum PC durchzuschalten. Die Laufwerke werden bei dieser Konfiguration immer als Master-Laufwerk per Steckbrücken eingestellt. Da die seriellen Busse in der Regel für mehrere Geräte parallel nutzbar sind, können optional mehr Erweiterungsgehäuse gesteckt werden, als Busse und Adressen vorhanden sind. Die höchst mögliche Adresse wird in diesem Fall nicht weiter inkrementiert, sondern jeweils wiederholt verwendet. Die zusätzlichen (überzähligen) Erweiterungsgehäuse nutzen in diesem Fall alle den Bus des letzten regulären Erweiterungsgehäuses. Je nach Wahl der verwendeten Busse kann am Ort der Terminierungen ABT1 . . . n, bzw. nur bei ABTn, auch alternativ ein HUB (Verstärker), oder Leitungstreiber (differenzielle Leitungstreiber, elektrooptische Wandler ö. ä.) zur Weiterführung des Busses vorgesehen sein.
• Somit werden standardisierte Busse für die Verbindung der Erweiterungsgehäuse verwendet, erweitert um zusätzliche Funktionalitäten über zusätzliche Verbindungen, die zur automatischen Erkennung, Auswahl und Konfiguration der Erweiterungsgehäuse dienen. Innerhalb der Erweiterungsgehäuse werden wiederum standardisierte Schnittstellen zum Anschalten von Laufwerken oder Erweiterungsbaugruppen etc. verwendet, welche mittels geeigneter Brücken aus den Bussen erzeugt werden. Diese Verfahrensweise sichert die Verwendbarkeit am Markt verfügbarer kostengünstiger Komponenten sowie die volle Kompatibilität zu den verfügbaren Betriebsystemen. Wird ein geeigneter Bus zur Erweiterung verwendet, welcher für den Austausch von Komponenten im laufenden Betrieb geeignet ist (hot plug oder hot swap), so kann dieses Verfahren für alle Erweiterungsgehäuse mit beliebiger Erweiterung, also auch PCI-Baugruppen, die bisweilen nicht im Betrieb getauscht werden können, zur Anwendung kommen. Eine Baugruppenerweiterung kann somit entgegen der heute üblichen Verfahrensweise im laufenden Betreib des PC-Systemes erfolgen.
• Eine oder mehrere optionale LAN-Verbindung(en) (LAN) dienen in einer besonderen Ausführungsart zur Kommunikation zwischen Grundgerät und Erweiterungsmodulen, bzw. dazu, dass auch mehrere Grundgeräte steckbar angeordnet werden können, was die gesamte Rechenleistung entsprechend erhöht. Eine optionale Repeater-Schaltung (Rep) ermöglicht die physikalische Verbindung innerhalb des Erweiterungsgehäuses sowie die Durchführung zum nächsten Erweiterungsgehäuse. In diesem Fall ist es optional möglich, die Grundgeräte, zumindest aber den Erweiterungs-PC ebenfalls mit einem bodenseitigen Erweiterungsstecker auszurüsten.
• Wiederum optional werden im Erweiterungsgehäuse mehrere Steckerkontakte als Leitungsverbindung zwischen Eingangsstecker und Ausgangsstecker durchverbunden. Diese Reserveleitungen (RE1 . . . REn) sichern eine Weiterverwendbarkeit der Erweiterungsgehäuse auch in dem Fall, dass durch die technologische Weiterentwicklung zusätzliche, bzw. andere Busverbindungen zwischen "neuen" Generationen von Grundgeräten und Erweiterungsgehäusen verwendet werden. In diesem Fall könnte beispielsweise ein neuer serieller Bus, wie PCIExpress für zukünftige hochperformante Grafikkarten verwendet werden, während vorhandene Erweiterungsgehäuse und weniger performante Erweiterungen einer aktuellen Gerätegeneration mit USB 2.0 angeschlossen werden. Die vorhandenen USB 2.0-Gehäuse können bei dieser Verfahrensweise auch weiterhin an beliebiger Reihenfolge gesteckt werden.
• Als Alternative Ausführung zur automatischen Zuordnung der Geräteadresse in der beschriebenen Weise kann optional auch ein intelligentes Vergabesystem mit einer eigenen Bus-Verbindung zwischen allen Gehäusen auf Basis von LAN-TCP/IP-Technik, USB etc. oder IzC-Bus zur Anwendung kommen (Inter-Integrated Cirquit Control-Bus/Fa. Philips).
• Die PC-Erweiterung erfolgt in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise durch einfaches Anstecken der Erweiterungsgehäuse (Laieninstallation), ohne das der Nutzer über spezifische Kenntnisse der Erweiterungsbusse und Steckkartensysteme sowie deren physikalische Verbindungen und Versionskompatibilitäten Kenntnisse besitzen muss. Die Baugruppentreiber sind in der üblichen Weise innerhalb des Betriebsystemes zu installieren, wobei moderne Betriebssysteme, Microsoft Windows 2000 oder XP, aber auch die meisten LINUX-Derivate über eine automatische Hardwareerkennung und Treiberinstallation verfügen.
• Für das betriebliche Umfeld ergeben sich Vorteile in der Art, dass der PC-Benutzer seine "Hardware" fortan auf einfachste Weise selbst erweitern kann, während der Administrator die Treiber per Fernbedienung (Remote Access) über das Firmennetz (Local Area Network LAN) installiert. Es muss kein Hardware- und Software-Experte vor Ort am Arbeitsplatz sein. Der PC fällt auch nicht für längere Zeit aus, wie bisher.
• Das Motherboard des modular erweiterbaren PC kann neben zahlreiche alternativen Möglichkeiten auch beispielsweise als erweiterte "reduzierte" Variante der ATX-Spezifikation erzeugt werden. Da keine interne ISA- und PCI-Stecker erforderlich sind und optional ebenfalls auf AGP-verzichtet wird, kann unter Beibehaltung der spezifizierten Stecker auf der Gehäuserückseite eine "standardisierte" Leiterplatte von minimal ca. 16 × 24 cm (Breite x Tiefe) entworfen werden. Die genaue Definition der örtlichen Lage verlustreicher Bauelemente, wie z. B. der Mikroprozessor, innerhalb des Gehäuses mit Bezug zur Gehäusewand wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Möglichkeiten der Wärmeabfuhr und damit auf die Lärmbelästigung und Kosten des PC aus.
• Die äußerst kompakte Gestaltung des erfindungsgemäßen PC in Verbindung mit der äußerst einfachen und flexiblen externen Erweiterbarkeit ermöglicht zusätzliche Einsatzgebiete im multimedialen Bereich, wie digitaler Videorekorder, Verwendung als Audioempfänger und -speicher (HiFi-Anlage), als Fersehempfänger etc. In diesem Zusammenhang ist eine Handfernbedienung über Infrarot- oder Funkverbindung vorteilhaft. Auch sind zahlreiche vorteilhafte Anwendungen als Meß- und Laborgerät bzw. im Produktionsprozess zum Steuern und Regeln denkbar. Ebenso eignet sich das Verfahren zum einfachen Aufbau kompakter Server-Pools sowie Server-Farmen, beispielsweise bei Service-Providern.
• Fig. 6 zeigt eine optionale Ausführungsart der Geräteverbindung zwischen einem Grundgerät (6.0) sowie einem Erweiterungsgehäuse (6.3). Das Grundgerät verfügt über eine an der Oberseite rückwärts angeordnete Steckerleiste für den Erweiterungsstecker, in die das Erweiterungsgehäuse mit seiner an der hinteren Geräteunterseite in Vorwärtsrichtung angeordneten Buchsenleiste gesteckt wird, wobei die Gerätevorderseiten über die Gehäuseöffnung (6.2) sowie die gleichsam als Gerätefuß und Abstandshalter wirkende mechanische Verbindung (6.5) arretiert wird.
• Eine ebenfalls optionale Ausführung sieht eine Steckung von oben nach unten vor, d. h. die Erweiterungsgehäuse werden in dieser Ausführung derart adaptiert, dass das Grundgerät stets das oberste Gerät ist. Hierdurch ergibt sich die wärmetechnisch vorteilhafte Möglichkeit der Wärmeabstrahlung über die gesamte PC-Oberfläche, bzw. die Oberseite und beide Seitenteile.
Zeichnungen und Anlagen
• Fig. 1 Konventioneller PC mit Erweiterungen
• Fig. 2 Modular erweiterbarer PC
• Fig. 3 Modular erweiterter PC mit Erweiterungen
• Fig. 4 Prinzipieller Aufbau
• Fig. 5 Schnittstellen
• Fig. 6 Stecksystem Abkürzungen AAS Analog Audio Schalter
  ABT1 . . . n Ausgangs Bus Terminierung 1 bis n
  Abus Analoger Bus
  AGP Accelerated Graphics Port Technology
  AMD Amerikanischer Hersteller elektronischer Schaltungen und Mikroprozessoren
  ATA Advanced Technology Attachments
  ATAPI Advanced Technology Attachment Packet Interface
  ATX-Spezifikation miniATX microATX
  BA1 . . . Ban Bus-Auswahlsignal 1 bis n
  BS1 . . . BSn Bus Schalters 1 bis n
  CD-ROM Compact Disk Read Only Memory (nur lesbar)
  CPU Central Processing Unit = Prozessor
  DVD Digital Video Disk
  EBT1 . . . n Eingangs Bus Terminierung 1 bis n
  EDV Elektronische Datenverarbeitung
  Erw Erweiterung
  FAT32 File Access Table (eines der Dateiformate von Microsoft Windows)
  HUB Kabelverzweiger und Verstärker
  IDE Integrated Device Electronics Interface
  IIC Inter-Integrated Cirquit Control-Bus/Fa. Philips
  INTEL Amerikanischer Hersteller elektronischer Schaltungen und Mikroprozessoren
  ISA Industry Standard Architecture
  LAN Local Area Network
  PC Personal Computer
  PCI Periphal Component Interconnect
  RAM Random Access Memory/ Wahlfreier Speicher
  SCSI Small Computer System Interface (Varianten: Ultra SCSI, Wide SCSI, Ultra Wide SCSI)
  TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol (Internet-Protokollarchitektur)
  USB-Bus Universal Serial Bus
  VIA Taiwanesischer Hersteller elektronischer Schaltungen und Mikroprozessoren
Literatur Fachzeitschriften
• c't 2002, Heft 26 ab Seite 102, PC-System-Check
  c't 2002, Heft 26, Seite 170-175, Internet-Server für wenig Geld.
  c't 2003, Heft 1, Seite 134-137, IDE kontra SCSI
  c't 2003, Heft 2, Seite 88 bis 90, Schnelle serielle Verbindungsverfahren
  c't 2003, Heft 3, Seite 102-107, 300 ≙ PC
  c't 2003, Heft 3, Seite 94-101, 8 300 ≙ PC's
  c't 2003, Heft 4, Seite 160-168, Intel Pentium 4 Mainboards
  c't 2003, Heft 4, Seite 78, Barebone Shuttle XPC
  c't 2003, Heft 5, Seite 160-167, AMD Athlon Mainboards
  c't 2003, Heft 10, Seite 176-185, PC richtig kühlen
  c't 2003, Heft 10, Seite 166-168, FireWire prescht vor Sonstiges Micro ATX Small System Thermal/Acoustic Design Guide Version 1.0 der Firma Intel
  ATX-Spezifikation, Version 2.1 der Firma Intel
  www.ata/ atapi.com
  www.usb.org
  www.1394ta.org

Claims (16)

1. Modular erweiterbarer PC, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompakter PC mit einer oder mehreren Erweiterungsschnittstelle(n) vorzugsweise an der Gehäuseoberseite ausgerüstet ist und hierüber mit in den geometrischen Abmessungen und im äußeren Erscheinungsbild dem Grundgerät angepassten Erweiterungsgehäusen, die mit eingebauten zusätzlichen Laufwerken (beispielsweise mit IDE-ATA/ATAPI-, SATA-, SCSI-Schnittstellen o. ä.) und oder zusätzlichen Baugruppen (beispielsweise Steckbaugruppen für ISA-, PCI-, AGP- oder PCI Express-Bus o. ä.) bestückt ist (sind), wobei die Erweiterungsschnittstelle(n) ebenfalls aus standardisierten PC-Schnittstellen (vorzugsweise hochperformante serielle Schnittstellen, wie USB 2, IEEE 1394b, PCI Express, TCP/IP-Ethernet o. ä.) und optional zusätzlichen Verbindungen und Schaltungsteilen besteht, die dafür Sorge tragen, dass das oder die Erweiterungsgehäuse ohne zusätzlich manuelle Konfiguration und Busterminierung in ihrer angeschlossenen wahlfreien Reihenfolge automatisch erkannt und konfiguriert werden und die standardisierte(n) PC-Schnittstelle(n) innerhalb der Erweiterungsschnittstelle automatisch schaltungstechnisch korrekt mittels einer jeweiligen Interfaceeinrichtung in den Erweiterungsgehäusen (Brücke/Bridge) den eingebauten Laufwerken und Zusatzbaugruppen derart zugeordnet werden, dass diese im Verbund mit dem PC ohne manuelle Konfiguration automatisch mit der entsprechenden Treiber- und Betriebssystem-Software im Grundgerät (PC) betrieben werden können. Die Erweiterungsschnittstelle beinhalte ebenfalls die Stromversorgung der Erweiterungsbaugruppen sowie etwaige zusätzlich erforderliche Verbindungen zu den dort eingebauten Komponenten, wie beispielsweise analoge Audioverbindungen, welche ebenfalls dem Audiobaustein auf dem Motherboard des PC automatisch zugeordnet werden, so dass außer der Erweiterungsschnittstelle keine zusätzlichen Verbindungen zu den Erweiterungsbaugruppen erforderlich sind.

2. Modular erweiterbarer PC gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsgehäuse optional stapelbar ausgeführt sind und zu diesem Zweck auf ihrer Unterseite und Oberseite entsprechende mechanische Vorkehrungen tragen, um gestapelte Gerätekombinationen standfest und verschiebungssicher zu verbinden, wobei wiederum optional eine Einrastfunktion mit manuellem Auslösemechanismus sowie wiederum optional eine Schlossfunktion (Diebstahlsicherung) zwischen den Gehäuseeinheiten vorhanden ist.

3. Modular erweiterbarer PC gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsgehäuse optional stapelbar ausgeführt sind und zu diesem Zweck über je eine Steckverbindung zum unteren und zum oberen Erweiterungsgehäuse aufweisen, was die Verkabelung zum Grundgerät vereinfacht.

4. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Verfahren zum Anschluss externer Laufwerke in einem externen Gehäuse mittels Interfaceschaltung (sog. Brücke/Bridge) erfindungsgemäß optional auch periphere Erweiterungsbaugruppen für standardisierte parallele Schnittstellen auf Mainboards, wie ISA und PCI o. ä., sowie deren zukünftige parallele und serielle Nachfolger, wie PCI Express etc. durch Einbau in externe Erweiterungsgehäuse und Ansteuerung über eine spezifische Interfaceschaltung (Bridge) zur externen Erweiterung von PC's genutzt werden können und in dieser Konfiguration optional auch im laufenden Betrieb des PC- Systems gesteckt werden können (hot plug) und wiederum optional auch während dem laufenden Betrieb getrennt werden können (hot swap).

5. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erweiterungsgehäuse optional für die Bestückung mit einer Peripheriebaugruppe, beispielsweise mit einer PCI-Baugruppe innerhalb der Interfaceschaltung mit einer entsprechenden Brücke (hier eine PCI-Brücke) ausgerüstet ist, welche erfindungsgemäß alle erforderlichen die PCI-Bus-Signale sowie das erforderliche Timing für die PCI-Baugruppen im Erweiterungsgehäuse zur Verfügung stellt und in Verbindung mit einer entsprechenden im Betriebssystem einzubindenden Treiber-Software dafür sorgt, dass die entsprechenden Interrupt-Adress-Daten- und Steuerinformationen zwischen Prozessorschaltung (inklusive der üblicher Peripherie, wie North- und Southbridge auf dem Motherboard) und peripherem PCI-Bus innerhalb der Erweiterungsschnittstelle transparent transportiert werden können, so dass die vorhandenen Software-Treiber der Peripheriebaugruppe auch weiterhin so nutzbar sind, als wäre die PCI-Baugruppe unmittelbar auf dem Motherboard gesteckt.

6. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erläuterte Verfahrensweise zum Einsatz externer Peripheriebaugruppen in sinngemäßer Weise optional auch für andere Steckbaugruppen zum Einsatz kommt, wie beispielsweise Grafikkarten, die z. Z. technisch üblich mit AGP-Bus- System unmittelbar auf das Motherboard gesteckt werden.

7. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erläuterte Verfahrensweise zum Einsatz externer Peripheriebaugruppen in sinngemäßer Weise optional auch für andere Steckbaugruppen zum Einsatz kommt, wie beispielsweise Grafikkarten, die z. Z. technisch üblich mit AGP-Bus- System unmittelbar auf das Motherboard gesteckt werden, wobei die externe Erweiterbarkeit auch zukünftige parallele und serielle technologische Weiterentwicklungen der bekannten Grafikschnittstellen umfasst.

8. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsstecker voreilende spannungsführende Kontakte besitzen, damit optional ein Stecken und oder Ziehen während dem Betrieb des PC mit etwaig bereits gesteckten Erweiterungsbaugruppen möglich ist (hot plug und oder hot swap).

9. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsgehäuse jeweils schaltungstechnisch über eine Anlaufstrombegrenzung verfügen, damit ein Stecken des betreffenden Gehäuses im laufenden Betrieb nur einen begrenzten Stromanstieg verursacht, der vom Netzteil des PC noch einwandfrei nachgeregelt werden kann, ohne dass die Stromversorgung für das bestehende System zusammenbricht.

10. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle erforderlichen Betriebsspannungen eines Erweiterungsgehäuses samt eingebauter Erweiterung über die Erweiterungsschnittstelle geliefert werden müssen, sondern bedarfsweise zusätzliche Versorgungsspannungen innerhalb der Erweiterungsgehäuse aus den vorhandenen Spannungen generiert werden.

11. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsschnittstelle zwischen den Gehäusen optional über zusätzliche freie Kontakte verfügt, die zwischen beiden Erweiterungssteckern eines Erweiterungsgehäuses elektrisch durchverbunden sind und dazu dienen, dass das betreffende Gehäuse samt schaltungstechnischer Erweiterung auch noch in späteren Systemen mit technologisch neueren Bussen betrieben werden kann, indem die technologisch neueren Busse über die derzeit als Reserve vorgehaltenen Kontakte betrieben werden.

12. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsschnittstelle auch mehrere, z. T. auch unterschiedliche standardisierte Schnittstellen (Busse) enthalten kann, die innerhalb der Erweiterungsgehäuse schaltungsspezifisch ausgewählt und für die entsprechende Erweiterung adaptiert werden, und parallel, oder wenn sie innerhalb des Erweiterungsgehäuses nicht benötigt werden, über die externe Schnittstelle dem nächsten Erweiterungsgehäuse zur Verfügung gestellt werden, wobei technologieabhängig Schaltungsmaßnahmen, wie Signalumwandlungen oder - verstärkungen durchgeführt werden.

13. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungsschnittstelle nicht über die Erweiterungsgehäuse geführt wird, sondern in einer alternativen Ausführung für jedes Erweiterungsgehäuse sternförmig vom Grundgerät mit jeweils zumindest einer separaten Kabelverbindung zugeteilt wird.

14. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungssystem zwischen PC und Erweiterungsgehäusen optional derart ausgeführt ist, dass der PC stets das oberste Gehäuseelement darstellt. Dies ist insbesondere für die optimale Abstrahlung der Verlustleistung über großflächige Kühlkörper auch an der Gehäuseoberseite vorteilhaft und reduziert zusätzlich Lüftergeräusche, bzw. ermöglicht den lüfterlosen Betrieb.

15. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teil der Interfaceschaltung der Erweiterungsgehäuse, der für eine einwandfreie Funktion weiterer adaptierter Erweiterungsgehäuse erforderlich ist, aus dem Netzteil des PC gespeist wird und nicht über den Netzschalter des Erweiterungsgehäuses abgeschaltet werden kann. Dies dient dazu, dass beliebige Erweiterungsgehäuse, die nicht permanent benötigt werden, über individuell eingebaute Netzschalter abschaltbar sind.

16. Modular erweiterbarer PC gemäß zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional und alternativ zum PC-Grundgerät ein Grundgerät derart schaltungstechnisch ausgerüstet ist, dass es als Docking-Station für Notebooks verwendbar ist, demgemäß über eine schnelle serielle oder parallele Verbindung zu einem Notebook verfügt (vorzugsweise über eine standardisierte Verbindung, wie USB 2.0, IEEE 1394b, PCI Express, eine schnelle TCP/IP-Verbindung bzw. einen CardBus-Adapter o. ä.), Anschlüsse für zumindest Monitor, Maus, Drucker und Netzteil besitzt und über die entsprechenden Interfaceschaltungen, Schnittstellenumsetzer und Erweiterungsschnittstellen verfügt, so dass die erfindungsgemäßen Erweiterungsgehäuse auch im Zusammenhang mit einer derartigen universellen Docking-Station für breite Notebook-Anwendungen verwendbar sind.