Bussysteme am PC

Einleitung

Bussysteme im PC-Bereich haben sich im Wandel der Zeit stark verändert, damit man den immer größer werdenden Anforderungen von Hard- und Softwareherstellern, aber auch den Anwenderkreisen Rechnung tragen konnte. Im Vordergrund stand dabei immer die Kompatibilität zu Vorgängermodellen, damit man bestehende Karten weiterverwenden konnte.

Man benötigt ein Bussystem immer dort, wo zwei oder mehr Komponenten im Computer miteinander kommunizieren sollen. Es dient also dazu, eine geeignete Verbindung zwischen Nachrichtensender und Nachrichtenempfänger aufzubauen, wobei einige Randbedingungen physikalischer Natur wie etwa Spannungspegel bzw. Dauer von Signalen eingehalten werden müssen.

Im PC gibt es eine Unzahl verschiedener Komponenten wie z.B.: Soundkarten, Festplatten, Floppys, Grafikkarten und Scanner um hier nur einige wenige zu nennen. Daher ist es auch wichtig, diesen peripheren Geräten eindeutige Nummern zuzuweisen, damit man sie eindeutig ansprechen kann.

In dieser Ausarbeitung werde ich nun die im Inhaltsverzeichnis ersichtlichen und im PC-Bereich weit verbreitetsten Bussystem vorstellen, wobei ich das Hauptaugenmerk auf den Vesa Local Bus und vor allem auf den PCI Bus gelegt habe, da sie in der heutigen Zeit eine gewisse Vormachtstellung am Markt haben.

Begriffsklärung

"Synchronbus"

Synchronbusse haben eine vorgegebene Taktfrequenz, was bedeutet, dass die Signale synchron zu dieser Taktfrequenz gesendet werden. Jeder Einheit wird ein Zeichen gegeben, wann sie ihre Daten versenden kann. Daraus ist aber auch der Nachteil ersichtlich, dass jede Komponente eine Bus Interface Unit benötigt, die die lokalen Signale in den Zeitraster des Busses umsetzt. Vorteil dieses Bussystemes ist, dass das Protokoll auf dem Bus leicht zu implementieren und dennoch leistungsfähig ist.

"Asynchronbus"

Nun zu den Asynchronbussen. Sie sind nicht an eine fixe Taktfrequenz gebunden, es besteht also keine feste zeitliche Beziehung zwischen den Signalen und dem Takt. Den Komponenten wird ein gewisses Ausmaß an Zeit (z.B.: 250 ns) zugebilligt, um ihre Daten oder Signale an den Mann zubringen. Daher benötigen Asynchronbusse auch zusätzliche Meldeleitungen, mit deren Hilfe die Gültigkeit von Adressen und Daten überprüft werden kann.

"Single-Master-System"

Single-Master-Systeme erlauben zu jedem Zeitpunkt immer nur einen aktiven Nachrichtensender und einen oder mehrere Nachrichtenempfänger. Die Aktivierung der Komponenten als Empfänger oder Sender wird von Controller für jede Einheit individuell durchgeführt.

PC-Bus (8 Bit ISA Bus)

Der PC-Bus wurde Anfang der achtziger Jahre von IBM entworfen und war für damalige Verhältnisse relativ schnell und flexibel. Der Hauptgrund aber, warum er sich durchsetze war, dass IBM jedem Hersteller von Peripheriekarten die Spezifikationen des Bussystemes zur Verfügung stellte.

Die Erweiterungskarten, der Hauptspeicher und die CPU wurden alle durch den gleichen Bus miteinander verbunden. Der Datenbus hat eine Breite von 8 Bit. Es war somit möglich, ein Byte in einem Zyklus zu übertragen. Will man ein Datenwort übertragen, so muss dieses in zwei Teile geteilt werden. Der Adressbus wiederum hatte eine Breite von 20 Bit, somit ergibt sich ein maximaler adressierbarer Speicherbereich von 1 MB.

Effektive Datentransferraten von 1,5 MB/s waren schon sehr gut, realistisch sind aber eher Werte um 1,0 MB/s. Die Kartenhersteller stießen aber schon bald an die Grenzen des PC-Busses und IBM begann sich eine schnellere Variante für die neuen Prozessoren zu überlegen.

16 Bit ISA Bus

Ein neues Buskonzept musste zu seinem Vorgänger, dem PC-Bus, völlig kompatibel sein, um die volle Funktionalität der am Markt zahlreich vorhandenen Steckkarten zu gewährleisten. IBM löste dieses Problem 1985, indem man einfach einen Stecker hinter dem des PC-Busses hinzufügte. Der ISA-Bus setzte sich aber nur kurz durch, da er schon für 286er Computer ein Flaschenhals war, von den Performanceeinbußen bei den 486er-Geräten ganz zu schweigen.

Das ISA-Bussystem hatte einen Adressraum von 24 Bit, also 16 MB und eine Datenbusbreite von 16 Bit, also 2 Bytes. Die Datentransferraten lagen zwischen 2,5 MB/s und 4 MB/s. Der entscheidende Nachteil des ISA-Busses war aber, dass er zu spät (erst mit dem Entwickeln des EISA-Busses) spezifiziert wurde.

EISA-Bus

Nach dem ISA-Bus wurde es längere Zeit still. INTEL aber produzierte immer bessere Prozessoren und immer schnellere Grafikkarten und alles jammerte über den langsamen ISA-Bus. Daher schlossen sich einige Fremdanbieter von Zusatzkarten zusammen und versuchten das Dilemma zu lösen (u.a. Compaq, EISA-Konsortium). EISA stellt einen leider nicht ganz gelungenen Schritt in die 32 Bit Zukunft dar. Er sollte zum ISA-Bus kompatibel, selbstkonfigurierend und schneller sein.

Der EISA-Bus wurde aus Kompatibiltätsgründen mit 8 Mhz betrieben. Die zusätzlichen Leistungen für die EISA-Karten befinden sich in den Zwischenräumen der Zinken der ISA-Karten. Der EISA-Bus bietet erstmals einen Burst-Mode. Es werden Daten erstmals nicht bei jeder Sendung mit einer Adresse versehen, sondern diese wird für eine Sendung vereinbart und danach folgen mehrere Datenworte. Dies hat den erheblichen Vorteil, dass bei längeren Sendungen nicht jedes Mal der Bestimmungsort angegeben werden muss.

Die Autokonfiguration funktionierte aber nicht ganz. Man muss die IRQ's und DMA-Kanäle selbst mit einem Konfigurationsprogramm einstellen, und dass ist nicht das, was man sich unter "Plug and Play" vorstellt. Die Datentransferraten des Busses lagen zwischen 20 MB/s und 33 MB/s. Die Breite des Daten- und des Adressbusses betrug 32 Bit.

Aufgrund der hohen Datentransferrate und der Möglichkeit, Erweiterungskarten mit Eigenintelligenz einzusetzen, sind die typischen Einsatzbereiche Netzwerkarten und SCSI-Interfaces.

MCA-Bus

Der Micro Channel Bus wurde von IBM entwickelt, um ein leistungsfähigeres Bussystem als den AT-Bus zu schaffen. Der MCA-Bus versprach sehr viel und hatte auch einige herausragende Eigenschaften:

neuer einheitlicher Standard Multiprozessorsysteme werden ermöglicht Videokarten verfügen über eigene Signale auf dem Bus an die Audio-Möglichkeiten wurde bereits gedacht die Konfiguration der Erweiterungskarten erfolgt per Software sehr hohe Datentransferrate

Da IBM aber extrem hohe Lizenzgebühren für Hersteller von MCA-Karten oder Motherboards verlangte, und der Bus nicht zum ISA-Bus kompatibel war, setzte sich der MCA-Bus kaum bis gar nicht durch.

VESA Local Bus

In der Zwischenzeit wurde der ISA-Bus immer mehr zu einer Bremse. Man musste eine schnelle und billige Lösung für diesen Flaschenhals finden. Am schnellsten reagierte das VESA-Komitee, an dem alle wichtigen Grafikkartenhersteller beteiligt sind und brachte 1992 den VESA Local Bus heraus. Es wurde wiederum ein Stecker hinter den ISA-Bus gefügt und so ein Schritt in die 32 Bit Zukunft getan.

Der VLB ist ein synchrones Bussystem, das sich fest auf die Zyklen der CPU bezieht. Dies macht zwar das Mainboard und dessen Komponenten günstiger, erschwert aber das Design von Erweiterungskarten, da diese immer über einen weiten Frequenzbereich stabil funktionieren müssen. Im wesentlichen stellt der VLB aber eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen der CPU und den VLB-Komponenten dar. Hier einige technische Daten:

Der VLB kann mit seinem 32 Bit Adressbus 4 Gigabyte Speicher adressieren und mit einem Zyklus 4 Bytes übertragen. Wenn wir uns die Zahlen zum Datentransfer ansehen, so muss hinzugefügt werden, dass diese Werte nie wirklich erreicht werden können. Denn wenn ein Prozessor schneller als mit 33 Mhz getaktet wird, muss der VLB ein extra Wait einschieben, und somit ist das System nicht mehr so schnell.

Die Anzahl der zu betreibenden Karten ist jedoch begrenzt (Siehe Tabelle). Das liegt daran, dass die Karten direkt am CPU-Bus liegen. Dadurch treten gewisse Störungen aufgrund des hohen Taktes und der ohmschen Widerstände auf. Je mehr Karten also installiert sind, desto mehr beeinflussen sie sich gegenseitig.

Da der Vesa Local Bus aber kein eigenständiges Bussystem ist, sonder nur ein kurze Erweiterung des Flaschenhalses, hat er (und das hat das letzte Jahr bestätigt) kein Überlebenschance am heutigen Markt. Dazu hat sich auch beigetragen, das VESA den Bus für 5 Volt ausgelegt hat, im Zeitalter der energiesparenden Prozessoren 3,3 Volt aber besser wären.

PCI Bus

Der PCI-Bus wurde 1992 von INTEL entwickelt, stellte den wahren Konkurrenten zum VESA Local Bus dar und setzte sich dann auch durch. Er verwirklicht Autokonfiguration, hohe Datentransferraten und vor allem Prozessorunabhägigkeit. INTEL plante den Bus mit Vorschau auf andere Prozessorvarianten, da es eventuell vorkommen könnte, dass andere Prozessoren beliebter werden als die eigenen.

Der PCI Bus stellt endlich ein neues Bussystem dar, dass trotz seiner komplett anderen und zukunftsorientierten Struktur die Möglichkeit zu anderen Bussystemen bietet (EISA, VLB, ISA und sogar MCA). Eine so genannte Bridge stellt eine PCI Komponente dar, die die Verbindung zum ISA Bus herstellt. So ist es in der Übergangszeit mit ihm möglich, alte ISA- und EISA-Karten zu verwenden und langsam auf PCI umzusteigen.

Die Möglichkeit, andere Prozessoren (z.B.: DEC's Alpha Chip, NexGen/586) zu verwenden, ist dadurch gewährleistet, dass der Bus völlig getrennt vom CPU-Bus arbeitet. Das kann unter anderem bei Serversystemen wichtig sein, und zwar beim Transfer zwischen PCI-Komponenten.

Universal Serial Bus

Doch auch der PCI-Bus ist nur eine Notlösung für den Flaschenhals im PC. Video-Dateien (MPEG) oder Postscript-Drucker verlangen nach immer höheren Übertragungsraten. Eine saubere und vor allem revolutionierende Lösung ist hier der ursprünglich von Phillips entwickelte Univeral Serial Bus. In der Zwischenzeit haben sich auch INTEL und Co. an dieser Innovation beteiligt.

Der USB ist im Prinzip ein Lösung für den Kabelsalat im PC. Heutzutage hat man einen parallelen, seriellen, Tastatur- und Mausanschluss. Das soll beim USB ein einziger Stecker übernehmen. Zugegeben erinnert diese Technik stark an den Geoport eines Apple Computer, bietet aber mehr Komfort.

Der USB hat eine Datendurchsatzrate von 12 Mbit pro Sekunde. Diese Tatsache macht den USB zur idealen Verbindung von Druckern, Scannern, Mäusen, Monitoren, Modems und Lautsprecher. Sogar Telefonanschlüsse sind in die Entwicklung mit eingeschlossen. Ein zusätzlicher Vorteil des USB ist, dass der einzig verwendete Stecker auch sehr billig ist, und deshalb die Kosten nicht sehr hoch sein werden. Doch zunächst ein paar technische Daten.

Ein weiterer und besonderer Vorteil des USB-Bus ist, dass er nicht nur das normale "Plug and Play" beherrscht, und somit autokonfigurierbar ist, sondern auch "hot-plugable" ist. Das bedeutet, man kann diverse Peripheriegeräte während das laufenden PCs austauschen.

Um die hohen Datentransferraten zu ermöglichen, benötigt der USB auch dicke verdrillte Kabel. Damit man aber an der Maus nicht so einen dicken Strick mitziehen muss, sieht die USB Spezifikation auch schmalbandige Unterkanalkabel vor.

Es wird jedoch noch einige Zeit dauern, bis sich dieser Standard durchgesetzt hat, da ja auch noch viele Peripheriegeräte für den USB entwickelt werden müssen.

Firewire und Co.

Der USB ist jedoch nicht die einzige Erneuerung auf dem Bussektor. Sehr viel für die Zukunft versprechen der Accessbus und Firewire. Firewire ist ursprünglich für den APPLE entwickelt worden und weist sehr hohe Übertragungsraten (400 MBit / s = 45fache des USB) auf.

Firewire oder auch IEEE 1394 kann ebenfalls 63 Geräte zugleich verwalten, hat aber zusätzlich eine maximale Kabellänge von 4,5 m. Die hohen Datenraten sind aber zum Teil noch Zukunftsmusik, da sie jetzt nur selten ausgenutzt werden. Firewire ist Plug und Play fähig, dass heißt, im Idealfall braucht der Anwender nichts zu konfigurieren.

Man kann an den Firewire zusätzlich zu den schon beim USB erwähnten Geräten auch noch Videorecorder, digitale Kameras und einige andere Schmankerl anschließen. Einsatzbereiche des Firewire sind sicherlich Multimedia-Anwendungen und Programme, die eine hohe und trotzdem gleich bleibende Datentransferrate benötigen.

Die Zielgruppe des Firewire liegt aber sicherlich nicht im Low-Cost Bereich.

Der Accessbus wurde von Abig und Vesa gemeinsam entwickelt und weist eine Datentransferrate von 100 KBit/s auf. Dieser Bus setzt vor allem auf die maximale Anzahl von anschließbaren Geräten, nämlich 125, und auf die hohe Verbindungslänge von 8 m.

Anschließbar an den Accessbus werden Maus, Tastatur, Joystick, Monitor und sonstige Peripheriegeräte sein. Anwendungsgebiet ist wiederum der High-End-Grafikbereich, doch die Erfolgsaussichten des Accessbus sind eher gering.

Resümee

Insgesamt

Über ISA und EISA braucht man in der heutigen Zeit nicht mehr reden. EISA kommt gerade noch ab und zu im Serverbereich vor, ISA sieht man fast gar nicht mehr. Der PCI Bus hat den Vesa Local Bus verdrängt und wird auch noch einige Zeit den Markt beherrschen. Durch eine geänderte Lizenzpolitik ist auch IBM's Micro Channel wieder am Markt, kann sich aber natürlich nicht durchsetzen.

Zukünftig wird jedoch der USB alles revolutionieren, da diese Architektur dringend nötig und auch die Ansprüche der Software ein solches Bussystem fordern. Es wird zwar noch 1 bis 2 Jahre dauern bis sich der USB durchgesetzt hat, aber dann wird er den Markt erobern.

Firewire ist zwar ein sehr gutes und ausgereiftes Produkt, aber wie die Geschichte der EDV schon oftmals bewiesen hat, setzen sich gute Produkte nur selten durch. Deshalb werden es Firewire und der Access. Bus in Zukunft sehr schwer haben, sich zu behaupten.

Bussysteme bei Festplatten

Als Bussysteme bei Festplatten haben sich vor allem (IDE oder EIDE) bzw. SCSI etabliert. Bis jetzt werden zwar noch die EIDE am Markt voran liegen, aber SCSI ist die zukunftsweisender Technologie und wir sich auch wahrscheinlich durchsetzen Hierzu eine kurze Erklärung der beiden Systeme:

SCSI

Es gibt mehrere Varianten von SCSI Adaptern, wie SCSI-2, Fast SCSI, Wide SCSI und Ultra SCSI. Jeder dieser Varianten hat eine herausragende Eigenschaft. Wide SCSI kann bis zu 14 Geräte verwalten, Fast SCSI ist wiederum sehr schnell und Ultra SCSI hat eine enorm hohe Übertragungsrate. Der Vorteil von SCSI ist, das man nicht nur Festplatten, Diskettenlaufwerke und CD-Rom Laufwerke, sonder auch Scanner und MO-Laufwerke anschließen kann. An den normalen SCSI-Controller können bis zu sieben Geräte angeschlossen werden, Übertragungsraten bis zu 6 MB/s sind möglich.

IDE (oder auch AT-Bus)

Das IDE-System ermöglichte es verschiedene Platten unter allen PC-Betriebssystemen verwenden zu können. Dabei integrierten die Festplattenhersteller ihre Controller auf die Hardware der Platte. Somit war es möglich, dass die Hersteller Cachebausteine integrierten und verschiedene Aufzeichnungsverfahren verwenden konnten.

Die Datentransferrate von ISA IDE-Controller bewegt sich zwischen 1 und 3 MB/s. Die Entwicklung des VLB verhalf auch den IDE-Controllern auf die Sprünge. So wurde der Enhanced IDE Standard definiert, der heute Übertragungen von bis zu 11 MB/s ermöglicht. Neu ist dabei auch, dass 4 Festplatten, davon auch CD-ROM Laufwerke und andere Datenträger angeschlossen werden können

Abkürzungen

ISA: Industrial Standard Architecture EISA: Enhanced Industrial Standard Architecture MCA: Micro Channel Architecture VLB: VESA Local Bus PCI: Peripheral Component Interconnect USB: Universal Serial Bus

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