Bus-Systeme

Wie funktioniert ein Bus-System?

Grundlegende Elemente des Bus-Systems

Ein Bus-System besteht aus mehreren Leitungen, die Daten, Adressen und Steuersignale zwischen den Komponenten eines Computers übertragen. Der Datenbus transportiert die eigentlichen Informationen (z. B. Textdateien, Bilder oder Programmcode). Der Adressbus legt fest, von welcher Speicheradresse Daten gelesen oder wohin sie geschrieben werden sollen. Der Steuerbus koordiniert den gesamten Ablauf und gibt Signalbefehle wie „Lesen“, „Schreiben“ oder „Bereit“. Stell dir vor, du überträgst ein Foto von deinem Smartphone auf den Computer: Während der Adressbus entscheidet, wo im Arbeitsspeicher das Foto landet, regelt der Steuerbus, wann die Übertragung beginnt und endet, und der Datenbus bringt die Bildinformationen an ihr Ziel.

Adressierung und Speicherzugriff

Die Breite des Adressbusses, also die Anzahl der Leitungen, bestimmt die maximal adressierbare Speichermenge. Bei einem 32-Bit-Adressbus lassen sich 2³² (rund 4 GiB) verschiedene Speicheradressen ansprechen, mit 64-Bit sogar 2⁶⁴ – theoretisch also ein Vielfaches mehr. Das Ganze ähnelt einem Postleitzahlensystem: Je mehr Ziffern die Postleitzahl hat, desto mehr Häuser lassen sich eindeutig adressieren. Fordert die CPU beispielsweise Daten mit „LDR r0, 0x8088“ an, so werden die an der Speicheradresse „0x8088“ hinterlegten Informationen in das Register r0 geladen und können danach weiterverarbeitet werden.

Welche Bus-Systeme gibt es?

Parallele versus serielle Übertragung

Bus-Systeme unterscheiden sich prinzipiell in ihrer Übertragungsweise. Parallele Busse leiten mehrere Bits gleichzeitig über getrennte Leitungen, ähnlich einer mehrspurigen Autobahn, auf der viele Autos nebeneinanderfahren. Serielle Busse schicken die Bits dagegen nacheinander über wenige Leitungen, vergleichbar mit einer einspurigen Straße. Moderne serielle Bus-Systeme wie USB4 2.0 oder PCIe 6.0 erreichen dennoch hohe Übertragungsraten, weil sie ausgefeilte Verfahren und Mehrkanaltechniken einsetzen. Durch weniger Leitungen sind sie zudem störungsärmer und kostengünstiger.

Moderne Bus-Standards

Aktuelle Systeme verwenden unterschiedliche Bus-Standards für unterschiedliche Anforderungen. PCI Express (PCIe) verbindet beispielsweise leistungsstarke interne Komponenten wie Grafikkarten oder NVMe-SSDs mit dem Rest des Systems. So erzielt PCIe 6.0 (2022) Transferraten von bis zu 256 GB/s und steigert die Leistung gegenüber älteren Standards (z. B. PCIe 4.0 mit 64 GB/s) deutlich. USB (Universal Serial Bus) dient als Allzweck-Schnittstelle für externe Geräte wie Festplatten oder Eingabegeräte. Während USB3.2 (2017) noch Übertragungsraten von bis zu 10 GBit/s ermöglichte, schafft das auf Thunderbolt basierende USB4 2.0 (2022) bereits bis zu 80 Gbit/s. Thunderbolt selbst kombiniert Daten-, Video- und Stromübertragung in einem Kabel und ermöglicht beispielsweise den gleichzeitigen Anschluss eines 4K-Monitors und die Stromversorgung eines Laptops über ein einziges Kabel.

Lernziele

• verschiedene Bus-Typen vergleichen, indem z. B. PCIe, USB, Thunderbolt hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit, Einsatzbereiche und Übertragungsprotokolle untersucht werden.
• die verschiedenen Arten von Bus-Systemen (Datenbus, Adressbus, Steuerbus) erklären, indem die jeweilige Funktion und Bedeutung für die Datenübertragung und -verarbeitung im Computer erläutert wird.
• verschiedene Bus-Architekturen vergleichen, indem die Unterschiede zwischen parallelen und seriellen Bus-Systemen sowie deren Vor- und Nachteile in Bezug auf Übertragungsgeschwindigkeit, Kosten und Komplexität anhand konkreter Beispiele dargestellt werden.