Computerbusse: Aufbau, Funktionen und Typen

Der Computerbus: Grundlagen der Datenübertragung

Der Begriff Bus stammt aus dem Englischen und bezeichnet in der Computerarchitektur ein System zur Datenübertragung. Ein Bus im Computer ermöglicht es, mehrere Peripheriegeräte logisch über denselben Satz von Leitungen zu verbinden. In der Computerarchitektur wird ein Bus mit der Idee des internen Datentransfers in Verbindung gebracht, der während des Betriebs eines Computers stattfindet.

Ein Bus ist demnach als eine Reihe von elektrischen Anschlüssen in Form von Leiterbahnen auf der Hauptplatine des Computers definiert, über die Signale entsprechend der binären Maschinensprache, die der Mikroprozessor verarbeitet, übertragen werden.

Busfunktionen und -rollen

Die Hauptfunktion eines Busses ist die Übertragung von Informationen zwischen verschiedenen Computereinheiten. Das Gerät, das die Übertragung initiiert und steuert, wird als Master bezeichnet, und das Gerät, auf dem die Übertragung stattfindet, ist als Slave bekannt. Die Rollen von Master und Slave sind dynamisch, sodass ein einziges Gerät in verschiedenen Funktionen agieren kann.

Die grundlegenden Informationswege, die vom Master zur Definition der wichtigsten Elemente für eine Übertragung genutzt werden, sind in verschiedene Gruppen unterteilt:

Arten von Busleitungen

• Adressleitungen: Bestimmen das Gerät oder den Speicherbereich, an den die Übertragung gerichtet ist.
• Datenleitungen: Führen die eigentliche Datenübertragung durch.
• Steuerleitungen: Übertragen Befehle und steuern den Ablauf der Datenübertragung. Sie synchronisieren die Signale auf dem Bus. Wichtige Funktionen sind beispielsweise Speicherzugriff (Lesen/Schreiben) und E/A-Operationen.
• Synchronisationsleitungen: Dienen der zeitlichen Abstimmung, z.B. Übertragungsbestätigung, Takt- und Reset-Signale.
• Arbitrierungsleitungen: Regeln den Zugriff mehrerer Geräte auf den Bus und legen Prioritäten fest. Beispiele hierfür sind Bus-Anfrage oder Bus-Freigabe.

Busleitungen werden auch nach ihrer Richtung klassifiziert: unidirektionale Leitungen (die nur in eine Richtung übertragen, z.B. von einem einfachen Sender oder zu mehreren Empfängern) und bidirektionale Leitungen (die Daten in beide Richtungen übertragen können).

Bus-Standards und Typen

Lokalbus

Ein Lokalbus befindet sich typischerweise zwischen der CPU, dem Speicher und den Peripheriegeräten. Er ermöglicht den Zugriff auf Chips über interne 32-Bit-Pfade und kann für einzelne oder mehrere Ziele konfiguriert werden.

Bus-Standard

Ein Bus-Standard definiert eine Reihe von Leitungen auf einer Leiterplatte (PCB), die nach bestimmten Normen für mechanische, elektrische, logische, Synchronisations- und Arbitrierungsaspekte konzipiert sind.

E/A-Bus (Input/Output-Bus)

Wie der Name andeutet, ist dieser Bus für die Ein- und Ausgabe von Daten im gesamten System verantwortlich. Er verbindet über Adapter den Prozessor mit dem Speicherbus.

Hauptkomponenten eines Systembusses

Der Systembus, oft einfach als "Bus" bezeichnet, besteht typischerweise aus drei Hauptkomponenten:

• Adressbus: Dieser Bus ist dafür zuständig, die Speicheradresse oder das Gerät zu identifizieren, mit dem kommuniziert werden soll.
• Steuerbus: Der Steuerbus sendet Signale zur Koordination und Steuerung des Datenflusses zwischen den Geräten.
• Datenbus: Der Datenbus überträgt die eigentlichen Datenbits. Seine Breite (z.B. 8, 16, 32, 64 Bit) bestimmt, wie viele Bits gleichzeitig übertragen werden können.

Speicheradressierung

Speicheradressen können aus zwei Perspektiven betrachtet werden: physisch und logisch.

• Die physische Adresse bezieht sich auf die tatsächliche elektronische Position im Speicher, die vom Computer verwendet wird, um auf verschiedene Speicherbereiche zuzugreifen.
• Die logische Adresse hingegen beschreibt, wie Programme und das Betriebssystem auf diese Adressen zugreifen und sie verwalten.

Real-Modus (x86-Architektur)

Der Real-Modus ist ein Betriebsmodus von x86-kompatiblen CPUs (ab dem 8086). Er ist durch einen 20-Bit-segmentierten Adressraum gekennzeichnet, was bedeutet, dass maximal 1 MB Speicher adressiert werden kann. Dieser Modus ermöglicht direkten Zugriff auf BIOS-Software-Routinen und Hardware-Peripherie. Zudem bietet er kein Konzept von Speicherschutz oder Multitasking auf Hardware-Ebene.