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Zwischen den Komponenten der von Neumann
Maschine (siehe
Abbildung) werden Daten und Signale
ausgetauscht. Prinzipiell könnten alle Komponenten
durch eigene Leitungen miteinander verbunden sein:
Um die Anzahl der Verbindungsleitungen klein zu halten,
werden gemeinsame Verbindungsleitungen, der
sogenannte Bus (Binary Unit System),
zwischen den
Rechnerkomponenten verwendet.
Ein Bus ist
also eine Sammelleitung zur Übertragung von
Daten oder Signalen zwischen verschiedenen Komponenten:
Vorteile eines Bussystems:
- Übersichtlichkeit durch nur eine
Verbindungsleitung.
- Erweiterbarkeit: Neue Komponenten können
einfach an den Bus angehängt werden. Diese
haben dann eine Verbindung zu allen anderen
Rechnerkomponenten.
- Flexibilität: Die Konfiguration des
Systems kann durch die einfache
Erweiterbarkeit und Unabhängigkeit
der Komponenten
leicht geändert werden.
Nachteile eines Bussystems:
- Da alle Komponenten die gleiche Verbindungsleitung
benutzen, muss dafür gesorgt werden, dass die einzelnen
Komponenten nicht gleichzeitig über den Bus senden.
- Da die Komponenten nicht gleichzeitig Daten
übertragen können, verringert sich die
Übertragungsgeschwindigkeit.
- Da alle Komponenten alle Daten sehen, müssen sie
wissen, welche Daten für sie bestimmt sind und welche
nicht. Dies verlangt einen größeren
Verwaltungsaufwand.
- Die Übertragungsgeschwindigkeit des Bussystems
darf nicht größer sein als die der langsamsten
Komponente.
Trotz der Nachteile der Busstruktur überwiegen die
Vorteile. Daher werden die meisten
Verbindungen in Computern über Busse realisiert.
Dabei unterscheidet man zwischen
- Unidirektionalen Bussen. Bei diesen
erfolgt die Übertragung immer nur in eine Richtung.
- Bidirektionalen Bussen, bei denen eine Übertragung
in beide Richtungen erfolgen kann.
Außerdem werden sie in der Anzahl der Leitungen
unterschieden.
- Serielle Busse besitzen nur eine
Leitung für die Datenübertragung, d.h. zu
einem Zeitpunkt kann nur ein Bit übertragen werden.
Sie sind billiger, aber langsam.
- Parallele Busse dagegen besitzen viele
Datenleitungen über die genausoviele Bits
wie Datenleitungen gleichzeitig übermittelt werden.
Systembus
Der Systembus verbindet die Hauptkomponenten
Prozessor,
Speicher und Ein/Ausgabesysteme.
Dieser besteht nicht aus einem Bus,
sondern aus mehreren, die unterschiedliche Funktion
erfüllen:
- Über den Datenbus werden Daten
zwischen den Komponenten übertragen.
Dieser Bus ist bidirektional, da die Hauptkomponenten
sowohl Daten empfangen als auch senden müssen,
z.B. wird in Speicherzellen gelesen und
geschrieben.
- Über den Adressbus
werden die Bausteine, die an den Systembus
angeschlossen sind, und die
Adressen der Speicherzellen oder
Register auf diesem Baustein ausgewählt.
Sie können dann somit direkt verändert
werden. Gibt es n Leitungen auf dem
Adressbus so können 2n
Speicherzellen adressiert werden.
- Der Steuerbus dient zur Übertragung der
Steuersignale und ist teilweise unidirektional
und bidirektional.
Das Zusammenspiel zwischen diesen drei Bus-Typen wird
durch folgendes Beispiel erläutert:
Es soll der Inhalt einer Adresse ausgelesen werden.
Daher wird über den Steuerbus (vom Prozessor)
ein Signal angelegt, welches dem entsprechenden
Speicherbaustein
signalisiert, dass eine Speicherzelle ausgelesen
werden soll. Auf dem Adressbus wird
die entsprechende Adresse der Speicherzelle
angelegt.
Der Inhalt der Adresse wird dann
über den Datenbus vom
Speicher zum Prozessor übertragen.
Busarbitrierung
Bausteine, die an einen Bus selbstständig
Signale anlegen dürfen, werden als
Busmaster bezeichnet. Konket bedeutet dies,
dass ein Busmaster eine Adresse auf den Adressbus
anlegen darf, um eine andere Komponente
für den Datenaustausch auszuwählen.
Busslaves dagegen dürfen selbstständig
keine anderen Komponenten so ansprechen.
Zu einem Zeitpunkt darf auf einem Bus nur ein Baustein
Signale senden, da sich sonst die verschiedenen Signale
überlagen würden und dies zu keiner sinnvollen
Kommunikation führen würde.
Gibt es nun mehrere Busmaster, so muss
gewährleitet sein, dass immer nur einer von ihnen
zu einem Zeitpunkt den Bus belegt. Die Entscheidung
über die Buszuteilung wird als
Busarbitrierung bezeichnet.
Hierfür gibt es verschiedene Verfahren; so kann die
Entscheidung zentral oder verteilt erfolgen.
Bei der zentralen Busarbitrierung gibt es einen
Busarbitrierer, der wie ein Schiedsrichter darüber
entscheidet, welcher Busmaster den Bus zugeteilt
bekommt.
Eine andere Einteilung sind
die folgenden beiden Klassen:
- Statische Busarbitrierung:
Die Zuteilung erfolgt vor dem Buszugriff.
Hierdurch lassen sich feste Antwortzeiten
garantieren (wichtig z.B. bei Echtzeitanwendungen)
- Bei der dynamischen Busarbitrierung wird
erst während der Busbelegung entschieden,
wer dem Bus zugewiesen wird.
Hier kann es zu Kollisionen kommen, wenn
mehrere Master gleichzeitig auf den Bus
zugreifen; diese werden
mit speziellen Mechanismen kontrolliert.
Beipiel: Ethernet-Bus
Systembusse, die multimasterfähig sind, enthalten
neben den drei genannten Unterbussytemen (Addressbus,
Steuerbus und Datenbus)
einen eigenen weiteren Unterbus, den
Arbitrierungsbus. Über diesen werden
Signale zur Busanforderung und Buszuteilung
übertragen.
Beispiele für Bussysteme
In der PC Technik:
- Interner CPU-Bus
- Systembus
- Busse für interne Steckkarten
(wie Netzwerkkarten, Graphikkarten,
Soundkarten etc.):
- PCI-E (PCI-Express):
Nachfolger von AGP und PCI
- AGP (Accelerated Graphics Port):
Graphik-Hochgeschwindigkeitsbus
- PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect).
Nachfolger des VESA- und ISA Busses.
- VESA Local Bus:
Für PCs entwickelter Nachfolger des ISA-Busses,
der nur kurzzeitig aktuell war.
- ISA (Industry Standard Architecture):
altes, fast ausgestorbenes, Bussytem;
Vorgänger des PCI-Busses
- Busse zum Anschluss von Massenspeicher
(Festplatten, CD-ROM, DVD etc.)
- ATA/ATAPI oder IDE-Bus:
Verbreitet in PCs (aufgrund des niedrigen Preises)
- SCSI-Bus:
Aufwendiger (teuer) und schneller als
IDE. Eigentlich von Geräten nicht abhängig.
- Busse für externe Geräte
- USB-Bus (Universal Serial Bus)
- Firewire
- Ethernet-Bus zur Rechnervernetzung.
Bussysteme werden auch eingesetzt, um
eine Vielzahl von Feldgeräten wie Messfühler
(Sensoren), Stellglieder und Antriebe (Aktoren)
mit einem Steuerungsgerät zu verbinden.
Diese werden auch Feldbusse genannt.
Einsatzgebiete sind beispielsweise die
Gebäude- oder Automobiltechnik
Gebäudetechnik:
-
Konnex (KNX)
-
Europäische Installationsbus (EIB)
- Netzwerk Local Operating Network (LON)
- Z-Bus
- LCN-Bus
Automobiltechnik:
- CAN-Bus (Controller Area Network)
- LIN-Bus (Local Interconnect Network)
- FlexRay
- MOST-Bus
Kommunikationsprotokoll
Die Kommunikation zwischen den einzelnen
Bausteinen über den Bus muss nach genau
definierten Regeln funktionieren.
Nur so ist es gewährleistet, dass Bausteine
verschiedener Hersteller miteinander
verbunden werden können. Diese genauen Regeln
werden als Kommunikationsprotokolle bezeichnet.
Bridge
Verbindungen zwischen zwei verschiedenen
Bussystemen werden mit Hilfe von sogenannten
Bridges realisiert. Sie setzen dabei die
physikalischen und logischen
Unterschiede zwischen den
verschiedenen Bussystemen
um.
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