Bussystem

Bus-System

Prinzip und Elemente von Bussystemen. Der Vorteil von Bussystemen ist die einfache Integration in bestehende Gebäudestrukturen. mw-headline" id="EtymologieEtymologie[="mw-editsection-visualeditor" href="/w/index.php ? php?

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Bisherige Sammelschienen waren eigentlich nur Parallelschienen mit mehreren Verbindungen. Eine Busleitung setzt sich im Prinzip aus mehreren parallel zueinander laufenden Signalleitungen zusammen, auf denen synchron Daten gesendet werden können und an die mehrere Bauteile angebunden sind. Man spricht auch von der Busbreite - sie entspricht in der Regel der Zahl der Bit, die ein Kanal simultan ausgeben kann.

Ein paralleler Sammelschienenbus hat mehrere Leitungen, z.B. 8, so dass immer ein Infopaket (hier z.B. 1 Byte) mitgesendet wird. Auch die an einen Sammelschienenbus angebundenen Bauteile werden als Teilnehmer oder Teilnehmer des Sammelschienenverkehrs betrachtet. Nodes, die selbstständig einen Kommunikationsprozess auf dem Datenbus auslösen können (unerwünschte Nachrichten an andere Teilnehmer senden), werden als aktiver Teilnehmer oder Meister oder als passiver Teilnehmer oder Slaves betrachtet - diese Teilnehmer können nur auf Anforderungen reagieren.

Als Multimasterbus bezeichnet man einen Masterbus, der mehrere Masterknoten zulässt. Das ist nötig, weil zeitgleiche Schreibzugriffe auf den Datenbus nicht nur zu Datenverlust führen, sondern auch die gesamte Elektronik beschädigen können. Der Teilnehmer, der den Buszugriff einleitet, wird als Auslöser bezeichnet, das eigentliche Angriffsziel (Lese- oder Schreibzugriff) als Zielpunkt.

Bei manchen Bussen gibt es eine separate Leitung für die Slaveknoten, auf der ein Busteilnehmer dem Busteilnehmer ein Signalbit aussenden kann. Die sehr hochfrequenten elektrischen Impulse, die oft auf Bus-Systemen gesendet werden, dürfen nicht außer Acht gelassen werden; sie können dazu beitragen, dass die Impulse an einigen Punkten durch Störungen aufgehoben werden und somit zu Fehlfunktionen des Gesamtsystems kommen.

Die beiden Baugruppen werden hintereinander in zwei Phasen übertragen: in der einen und in der anderen Seite werden die beiden Busse über die gleichen Linien (Multiplex-Bus) übertragen. Bei der Rechnerarchitektur ist ein Bussystem ein Subsystem, das zwischen Rechnerkomponenten innerhalb eines Rechners oder zwischen unterschiedlichen Rechnern Strom oder Wärme austauscht.

Im Gegensatz zu einer Verbindung, bei der ein Endgerät über eine oder mehrere Linien mit einem anderen Endgerät in Verbindung steht (Punkt-zu-Punkt-Verbindung), kann ein Autobus mehrere Geräte über den selben Leitungssatz ankoppeln. Wo in der aktuellen Netzwerktopologie der Buslinie alle Busteilnehmer aneinandergereiht sind, können die Busteilnehmer über entsprechende Kontakte kettenförmig aneinandergereiht werden.

Bei den meisten Rechnern gibt es sowohl einen internen als auch einen internen Bussystem. Solch ein innerer Datenbus wird auch als Lokalbus genannt, weil er dazu bestimmt ist, ein Gerät im Rechner selbst zu betreiben, nicht mit Geräten in anderen Rechnern oder mit anderen. Über einen internen Anschluss werden die Peripheriegeräte an die Grundplatine angeschlossen.

Historisch bedingt werden die internen Anschlusssysteme heute manchmal auch als "Bussysteme" ohne topologische Busstruktur beschrieben - in der Regel weil die Vorgängersysteme noch reale Bussysteme waren. So wird PCIe oft als Bussystem beschrieben (PCI war ein richtiger Bus), obwohl es sich um ein topologisches Punkt-zu-Punkt-System handelt. Das Bussystem ist immer so aufgebaut, dass nur ein einziger Teilnehmer zu einem gewissen Termin eine Datenausgabe auf den Datenbus vornimmt (oder auch gleichzeitige Schreibprobleme behoben werden).

Meistens sollen die gesammelten Informationen zu einem anderen Teilnehmer übertragen und dort verarbeitet werden. Nur in Ausnahmefällen nutzen mehrere Empfänger die übertragenen Informationen simultan, z.B. in den CAN-Bussen eines Autos oder in Broadcast-Nachrichten. Die Adressierung der einzelnen Teilnehmer ist unterschiedlich. Es gibt eine Anzahl von typischen Prozeduren für Parallel- und Seriellbusse.

Dann werden die Istdaten über einen eigenen Bus verschickt. Hat jede der angeschlossenen Komponenten einen eigenen Adressdecoder, kann anstelle von n{\displaystyle n} eine "Slave-Gerätenummer" übermittelt werden, für die nur ld(n) {\displaystyle \lceil ld(n)\rceil } Zeilen benötigt werden. Beispiel: Für n = 32 verschiedene Bausteine wären statt bisher nur 5 Adreßleitungen nötig, da 25 = 33 Ein anderes Verfahren ohne eigene Adreßleitungen funktioniert.

Gemäß dem oben gezeigten Multiplexing wird die Anschrift zunächst über die Linien gesendet. Jetzt (wie oben beschrieben) kann z.B. die Adressdecodierung erfolgen - dabei müssen sich die betroffenen Teilnehmer nun daran erinnern, ob sie adressiert sind, da die Leitung nach Beendigung der Adressphase an anderer Stelle für die Datenübermittlung genutzt wird - und damit nicht mehr die Anschrift auf dem Datenbus verfügbar ist.

Diese Vorgehensweisen können auch untereinander beliebig kombinierbar sein. In einem Rechnersystem werden z.B. in der Regel unterschiedliche Bus-Typen zu einer Bus-Hierarchie verknüpft, die sich in der Adressierungsart unterscheidet und über Bridges untereinander verkoppelt sind. Bei den auf seriellem Bus gesendeten Informationen handelt es sich um in mehrere Bereiche unterteilte Pakete (oder Telegramme).

In einem Datenpaket sind zumindest die Empfängeradresse und die zu übermittelnden Informationen enthalten. Ist das Busmastering nicht auf den Bus auf der CPU eines Rechners begrenzt, gibt es im Umfeld von Rechnernetzen andere Möglichkeiten der Busarbitierung: Beim Tokenpassing besitzt der aktuelle Bus-Master einen sogenannten Tokens, der nicht mehr als ein Flag ist.

Weitere Bussysteme ( "CAN" oder "Ethernet") sind von Anfang an auf Zusammenstöße zwischen mehreren Teilnehmern ausgelegt, die simultan zu übertragen sind. Gedächtnis und andere Vorrichtungen sind zum Bus in den selben Anschlüssen und in den Datenpins angeschlossen worden, die von der CPU selbst, durch parallele Schnittstelle verwendet werden. Der Datenaustausch wurde von der CPU kontrolliert, die sowohl aus dem Gerät als auch aus dem Arbeitsspeicher ausliest.

Die angeschlossenen Endgeräte haben der CPU gezeigt, dass sie über andere CPU-Pins Signale versenden oder erhalten wollen, meist durch eine Art Unterbruch. Beispielsweise signalisierte ein Antriebsregler (siehe Controller) der CPU, dass neue Werte zum Lesen bereitstehen, woraufhin die CPU die Werte durch Lesen des Speichers auf dem dem dem Antrieb entsprechenden Port verschiebt.

Die " erste Busgeneration " hatte jedoch den schwerwiegenden Vorteil, dass alles auf dem Bussystem mit der selben Drehzahl läuft und sich alle Teilnehmer eine einzige Uhr zuteilen. Es war nicht leicht, die CPU zu beschleunigen, da auch die Geschwindigkeiten aller angeschlossener Endgeräte erhöht werden mussten. Daraus ergab sich die seltsame Tatsache, dass sehr schnell arbeitende Prozessoren zur Kommunikation mit anderen Rechnern drosselt wurden.

In der Praxis waren diese Frühbussysteme nur schwer zu montieren, da sie viele Steckbrücken zur Einstellung der unterschiedlichen Parameter benötigten. Um einige dieser Problemstellungen zu lösen, wurden die" Bus-Systeme der zweiten Generation" wie NuBus entwickelt. In der Regel teilen sie den Rechner in zwei "Welten", die CPU und den Arbeitsspeicher auf der einen und die zu verbindenden Endgeräte auf der anderen und dazwischen einen BUS-Controller.

Das entlastet auch das Ein- und Auslagern von Informationen von der CPU und den Baugruppen, da die Teilnehmer über den gesamten Datenbus kommunizieren können, ohne die CPU einzuschalten. Dies hat zu einer wesentlich besseren tatsächlichen Performance in der Anwendung geführt, aber auch eine wesentlich größere Kompliziertheit der im Rechner eingebauten Komponenten erfordert.

Auch dieses Bussystem löst das Problem der Geschwindigkeiten, indem es lediglich einen grösseren Datenübertragungsweg wählt und von 8-Bit-Parallelbussen der ersten auf 16-Bit- oder 32-Bit-Busse der zweiten Busgeneration wechselt. Durch die Isolierung der CPU und die problemlose Erhöhung ihrer Drehzahl stiegen die Arbeitsgeschwindigkeiten der CPU und des Arbeitsspeichers kontinuierlich deutlich an.

Die Folge war, dass die Busgeschwindigkeit jetzt viel geringer war als für ein heutiges Gerät notwendig, und die Geräte waren hungrig nach Informationen, weil sie viel rascher funktionierten, als die Informationen hin und her befördert werden konnten. Besonders typisch für dieses Phänomen war, dass Grafikkarten gar rasch von den neuen Bus-Systemen wie PCI wegliefen.

In dieser Zeit begannen immer mehr Fremdgeräte mit eigenen Bussystemen zu kommunizieren. Es gibt heute etwa fünf verschiedene Bus-Systeme in einem handelsüblichen Auswertegerät. Erstere beziehen sich auf Bus-Systeme, die für den Betrieb mit Innengeräten wie z.B. Graphikkarten ausgelegt sind, letztere für den Anschluss externer Endgeräte wie z.B. Scanner.

Die dritte Busgeneration ist auf dem Vormarsch, darunter die Modelle InfiniBand und SuperTransport. Typischerweise haben sie die Fähigkeit, mit sehr hoher Geschwindigkeit zu arbeiten, die für die Unterstützung von Speicherkarten und Grafikkarten erforderlich ist, während geringere Drehzahlen auch für die Unterstützung der Verbindung mit langsamen Einheiten, wie z.B. Antrieben, möglich sind. Außerdem sind sie sehr anpassungsfähig in Bezug auf ihre physischen Verbindungen und können sowohl als interner Bus als auch zur Verbindung verschiedener Computer untereinander verwendet werden.

Generell sehen Omnibusse der dritten Busgeneration eher wie ein Netz aus als ein Omnibus (im herkömmlichen Sinne), mit einem höheren Informationsbedarf als bisherige Systeme und der Tatsache, dass unterschiedliche Endgeräte den Omnibus mitbenutzen. Datenbusse übertragen Informationen zwischen Computerkomponenten innerhalb eines Rechners oder zwischen Computer.

Im Gegensatz zu einer Verbindung, bei der ein Teilnehmer über eine oder mehrere Linien mit einem anderen Teilnehmer in Verbindung steht, kann ein Teilnehmer mehrere Geräte über den selben Leitungssatz ankoppeln. In den meisten Fällen ist der innere Datenweg so weit wie der äußere des Busses. Hier ist der innere Datenweg 16 bits und der äußere nur 8 bits groß.

Die Steuerbusse (unidirektional) sind Teil des Systems (bidirektional), das die Ansteuerung des Systems übernimmt. Dazu gehören die Linien für Lese-/Schreibsteuerung (Richtung auf dem Datenbus), Interruptsteuerung, Buszugriffskontrolle, Clocking (wenn ein Busttakt benötigt wird), Reset und Zustandsleitungen. Welcher der Linien in einem Autobus verwendet wird, hängt von der Bauart und dem Aufbau des Autobusses ab.

Über den internen CPU-Bus werden Prozessor(en), (L2)-Cache, Speicher und Peripheriebus-Schnittstelle, auch Frontside-Bus (FSB) oder auch nur mit dem Chipset (oder dessen Nordbrücke) verbunden, an dem diese beiden äußeren Bauelemente hängen. Mit diesen Bussen werden Bauteile innerhalb eines Computers verbunden, z.B. die CPU mit der Graphikkarte und mit verschiedenen Ein-/Ausgabekomponenten.

Über diese Busses wird der Computer mit externer Peripherie verbunden. Dies bezieht sich nur auf Interfaces, die wirklich Buscharakter haben, d.h. den gleichzeitigen Anschluß mehrerer externer Geräte, z.B. des SCSI-Busses, ermöglichen. Bus-Systeme werden vor allem innerhalb von Rechnern und zur Anbindung von Rechnern an Peripheriegeräte, aber auch in der Steuerung von Anlagen (Feldbusse) eingesetzt.

Auch in der Haustechnik werden zunehmend Bus-Systeme eingesetzt, z.B. der European Installation Bus (EIB). Das Bussystem kann zur Ansteuerung von Licht, Fenster- und Türenüberwachung, Heizung, Klimaanlage und anderen Geräten in einem Gebäude eingesetzt werden. 4] Die Installation eines Bus-Systems sollte so früh wie möglich bei der Bauplanung in Betracht gezogen werden, da das Gesamtsystem viel Raum beansprucht, insbesondere die erforderlichen Verkabelungen und Linien.

Eine nachträgliche Installation kann mit umfangreichen Baumaßnahmen einhergehen. Auch in der Gebäude- und Tür-Kommunikation sind Bus-Systeme seit der Mitte der 90er Jahre immer häufiger anzutreffen. Bildverlag EINS, 2008, ISBN 978-3-8237-1140-7, S. 57-61 Werner Zimmermann und Ralf Schmidgall: Bus-Systeme im Automobilbau - Protokoll, Standard und Software-Architektur.

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