Controller (Hardware)

Definition und Bedeutung

Ein Controller (deutsch: Steuereinheit oder Steuerbaustein) ist eine integrierte Schaltung (IC) beziehungsweise ein speziell für Computer entwickelter Mikroelektronik-Chip. Er steuert bestimmte elektronische Vorgänge, übernimmt Aufgaben der physikalischen Datenverarbeitung und dient als Kommunikationsschnittstelle zwischen Komponenten. Controller sind in der Regel den Schichten 1 und 2 des OSI-Modells zuzuordnen.

Sie steuern beispielsweise Festplattenzugriffe, verarbeiten Unterbrechungsanforderungen bei Tastatureingaben oder ermöglichen Geräten den direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher. Dieser direkte Speicherzugriff heißt Direct Memory Access (DMA). Weitere Controller steuern Elektromotoren oder wandeln elektrische Leistung um.

Aufgaben und Schnittstellen

Controller verbinden einen Computer mit internen oder externen Geräten und regeln dabei den Datenaustausch. Für zahlreiche Protokolle, Bussysteme und Feldbusse gibt es eigene Controllerbausteine, darunter CAN, Ethernet, IEEE 1394, PCI/PCI Express, RS-232, RS-485 und USB.

Ein Netzwerkcontroller verbindet einen Personal Computer (PC) mit einem Netzwerk. Der für das Senden (TX) und Empfangen (RX) zuständige Teil einer Netzwerkkarte wird Transceiver genannt. Controller, die Geräte an ein Computersystem anbinden, werden auch als Host-Bus-Adapter bezeichnet.

Ein Grafikcontroller verbindet den PC mit einem Bildausgabegerät wie einem Monitor oder Display. In modernen PCs ist er entweder zusammen mit dem Grafikprozessor (GPU) in den Mikroprozessor (CPU) integriert oder befindet sich als separate Grafikkarte mit GPU in einem PCI-Express-Steckplatz.

Bauformen und besondere Arten

Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet „Controller“ meist ein elektronisches Gerät. Als Computerbauteil wird eine entsprechende Komponente teilweise auch Adapter genannt; damit ist häufig eine Steckkarte gemeint.

In eingebetteten Systemen werden Mikrocontroller (MPU) teilweise verkürzt als Controller bezeichnet. Ein historisches Beispiel sind die Bausteine der Intel-82xx-Serie. Viele Controller sind applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC). Das sind Chips, die für eine bestimmte Anwendung entwickelt werden. Solche Lösungen sind häufig nötig, weil vor allem die Halbleiterhersteller die hardwarenahen Einzelheiten der jeweiligen Geräte kennen.

Für einzelne Aufgaben gibt es spezialisierte Einheiten, etwa den Programmable Interrupt Controller zur Bearbeitung von Unterbrechungsanforderungen und den Speichercontroller zur Steuerung von Speicherzugriffen.

Technische Entwicklung

Historisch waren Controller häufig auf separaten Steckkarten untergebracht. Heute befinden sie sich meist auf der Hauptplatine oder direkt in den gesteuerten Geräten, beispielsweise in Solid State Drives. Separate Zusatzkarten mit Controllern werden weiterhin für Nachrüstungen oder besondere Hardwareanforderungen angeboten, etwa als Soundkarten.

Der Tastatur-Controller saß früher stets auf der Hauptplatine. Seit den 2010er Jahren läuft die Kommunikation mit Tastaturen beinahe vollständig über den USB-Bus und einen entsprechenden USB-Controller.

Festplattencontroller im eigentlichen Sinne sind seit der Verbreitung von Integrated Drive Electronics (IDE) in den 1980er Jahren direkt in die Festplatte eingebaut. Bei SCSI-Festplatten war der Controller von Anfang an dort integriert; die häufig als SCSI-Controller bezeichnete Computerkomponente ist genauer ein Host-Bus-Adapter. Seit den 2010er Jahren wurden IDE und SCSI größtenteils durch Serial ATA und integrierte SATA-Controller abgelöst. Diese Controller können als eigene IC-Bausteine neben den halbleiterbasierten Speicherbausteinen ausgeführt oder unmittelbar in die Halbleiterspeicher-Bausteine integriert sein.

Typische Beispiele

Ein historischer MFM-Controller kann als ISA-Bus-Steckkarte ausgeführt sein; die Anschlüsse für Festplatten und Diskettenlaufwerke liegen dabei am Rand der Karte. Weitere historische Beispiele sind ein Tastatur-Controller auf einer AT-Hauptplatine und ein SCSI-3-Host-Bus-Adapter mit 50-Pin-Kabel.

Controller kommen auch in Unterhaltungselektronik und Speichermedien vor. Auf der Hauptplatine eines Apple TV der 1. Generation befindet sich beispielsweise eine FlashFlex51-MCU von Silicon Storage Technology (SST), ein mit dem 8051 kompatibler 8-Bit-Mikrocontroller. Ein 128-Megabyte-(MB)-Memory-Stick von Sony enthält einen Controller- und Kommunikationschip von Sony sowie einen getrennten Speicherchip von Toshiba. Der Rohm BD6753KV ist ein 6-Kanal-System-Objektivtreiber, der etwa in der Digitalkamera Canon PowerShot S45 eingesetzt wird.