Zurück zum Inhaltsverzeichnis

Bus

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.


Zurück zum Inhaltsverzeichnis

Home Klick hier!



Copyright (C) 2005 Christian Herta. Alle Rechte vorbehalten! All rights reserved!