BUS (engl. Binary Unit System). Der BUS dienst dem Transport der binären Signale von der CPU zu den Peripheriegeräten und umgekehrt Vergleiche dazu auch die von-Neumann-Architektur.

BUS-Struktur moderner Mikrorechner als Prinzipschaltung

• CPU = Central Processing Unit (Zentrale Rechnereinheit)

• FPU = Floatingl Point Unit (Artithmetik-Prozessor)

• PIO = Parallel Input Output (Parallele Ein- und Ausgabeeinheit) CENTRONICS-Schnittstelle

• SIO = Serial  Input Output (Serielle Ein- und Ausgabeeinheit) Maus

• CTC = Counter Timer Cicuit (Zähler-Zeitgeber-Schaltkreis) Systemuhr

• DMA = Direct Memory Access Controller (Direkter Speicherzugriff - Refreshsteuerung) Maus

• FDC = Floppy Disc Controller (Diskettenlaufwerks-Steuerung)

• HDC = Hard Disc Controller (Festplattenlaufwerks-Steuerung)

• RAM = Random Access Memory (Schreib-Lese-Speicher) - dynamisch!

• ROM = Read Only Memory (Nur-Lese-Speicher)

• MODEM = Modulator Demodulator (Signalumwandler und Verstärker)

• Cache = Schneller Datenzischenspeicher (statisch)

• Interrupt Controller= Unterbrechungssteuerung

• VGA = Video Graphic Array (gegenwärtigiger Grafikstandard)

ISA mit 8 und 16 Bit (Integrated System Achitecture)

Die Bezeichnung ist die Abkürzung für den Begriff "Integrierte System Architektur". Sie wurde 1981 mit der Vorstellung des ersten PC als sein Bus-System eingeführt. Zunächst war der ISA-Bus nur für die Zusammenarbeit mit den Prozessoren 8086 und 8088 ausgelegt. Es handelt sich also bei dem Bus, wie er in einem PC/XT eingebaut ist, nur um nach außen geführte Prozessorsignale. Von einem "Bus" kann noch nicht die Rede sein. In einem 8.Bit-Slot liegen neben den acht bidirektionalen Datenleitungen 20 Adressleitungen, die eine Speicheradressierung von maximal einem MByte erlauben. Daneben finden sich noch mehrere Takt- und Kontrollleitungen, Leitungen, die positive und negative 5- und 12 Volt Spannung führen, sowie Masse- und Schirmleitungen.

EISA und Microchannel (Extended Integrated System Achitecture)

Nach der Einführung der 32-Bit-Mikroprozessoren 80386 und 80486 mit vollem 32-Bit-Daten-Bus und 32-Bit-Adreß-Bus war auch der ISA-Bus nicht mehr zeitgemäß, da dieser nur für einen Daten-Bus-Breite von 16 Bit und einen Adressraum von 16 MByte ausgelegt ist. Nicht nur die zu geringe Breite des Bus-Systems ist überholt. Auch die für die Bus-Kontrolle eingesetzten 8-Bit-DMA-Chips 8237A mit einer Beschränkung auf 64-KByte-Blöcke sind nicht mehr zeitgemäß. Um eine benutzerfreundliche Konfiguration zu ermöglichen, sollte von Jumpern und DIP-Schaltern Abstand genommen werden. Ein weiterer Gegensatz zwischen den 32-Bit-Prozessoren und dem "aufgebohrten" 8-Bit-Konzept des AT-Bus ist, dass Bus-Master-Karten nicht richtig unterstützt werden. Als Lösung dieser Probleme haben sich gegenwärtig zwei völlig verschiedene Konzepte durchgesetzt, die aber dennoch den AT-Bus im Low-End-Bereich nicht tangieren konnten. Das ist zum einen der Microchannel von IBM für die PS/2-Serie und zum anderen EISA von mehreren Herstellern, die bis dato IBM-kompatible PC herstellten.
Der Microchannel ist sowohl von der Architektur als auch von der physikalischen Gestaltung der Steckplätze ein vollkommen neues Bus-System. Außerdem hat IBM das Bus-System durch strenge Lizensierung über Patente und andere Schutzrechte gegen Nachahmer abgesichert. Der Microchannel ist also nicht mehr die völlig offene Architektur, die noch beim ISA-Bus-System Anwendung fand.
EISA setzt dagegen auf die problemlose Einbindung von ISA-Komponenten in einen erweiterten Bus. Das erfordert einen identischen prinzipiellen Aufbau der Platinen und dass teilweise veraltete Konzepte für den ISA-Anteil am EISA-System übernommen werden mussten. Sie können 16-Bit-ISA-Komponenten problemlos in ein EISA-System integrieren. Nur die Vorteile, die EISA bietet, können ISA-Karten nicht nutzen. Erst Karten, die über zusätzliche Kontakte verfügen, können den EISA-Bus auch voll ausnutzen. Der EISA-Bus kann eine Datenübertragungsrate von bis zu 33 MByte/s erreichen gegenüber 8,33 MByte/s, die mit Karten im ISA-Bus möglich sind.

Microchannel

1987 stellte IBM der Öffentlichkeit eine neue PC-Generation vor, mit der alte Zöpfe gründlich abgeschnitten werden sollten: die PS/2-Familie. Die Rechner aus dieser Serie unterscheiden sich nicht nur äußerlich von allem bisher Dagewesenen. Mit der PS/2-Reihe führte man einen neuen Bus-Standard ein, den Microchannel (Mikrokanal). Abgekürzt wird dieser Bus mit MCA (Microchannel-Architecture).
MCA-Karten sind aber nun nicht kompatibel zum ISA-Standard und können in "herkömmlichen' PC, AT und 386ern nicht eingebaut werden. Nur in IBM-PS/2-Geräten ab Modell 50 ist ein Microchannel eingebaut. Daneben können Hersteller, die bereit sind, an IBM Lizenzgebühren zu bezahlen, ihr Gerät mit einem Microchannel ausstatten. Von Tulip und Acer zum Beispiel sind auch AT und 386er mit Microchannel-Architektur erhältlich. Die strengen Lizenzbestimmungen haben dazu geführt, dass sich der Microchannel zu einem exquisiten Bus-System entwickelt hat.

Eigenschaften

Der Microchannel verfügt über mehr Masseleitungen als der ISA-Bus. Dadurch ist er elektrisch besser abgeschirmt. Durch die bessere Abschirmung kommt es nicht mehr so häufig zu Störungen des Rundfunks und des Fernsehens. MCA-Systeme werden nicht mehr mit Jumpern oder DIP-Schaltern konfiguriert. Sie verfügen über eine "Programmable Option Selection" (POS). Die POS verwendet eine Datei das "Adapter Definition File" (ADF), in der sämtliche für die Karte möglichen Konfigurationen enthalten sind. Der Adressraum, den eine Karte belegt, hängt von dem Steckplatz ab, in dem sie montiert ist. Bei anderen Bus-Systemen heißt dieses Verfahren "geographische Adressierung".
Der MCA-Bus arbeitet asynchron, ist also nicht von einem externen Takt abhängig, sondern die Karten teilen dem System mit, ob Daten vorliegen oder nicht und das System legt ggf. Wartezyklen ein. Dadurch ist der MCA-Bus auch unabhängig von der Taktfrequenz des Rechners. Diese hat insbesondere bei schnelleren Takten in ISA-Rechnern oft zu Problemen geführt.
Es gibt zur Zeit zwei Microchannel-Varianten mit 16 und mit 32 Bit Daten-Bus-Breite, je nachdem, ob der Bus im AT/386SX- oder im 386DX-Rechner eingesetzt wird.

 EISA-BUS

Neun Hersteller, nämlich Wyse, AST Research, Tandy, Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC und Epson suchten einen Weg, wie man den ISA-Standard so erweitern konnte, dass zwar 32-Bit-Datenleitungen zur Verfügung stehen, aber gleichzeitig alte Karten weiterverwendet werden können.
Die Lösung heißt Extended Integrated System Architecture (EISA). Die Entwickler dieses Systems entdeckten zur Realisierung ihrer Wünsche die dritte Dimension. Der EISA-Bus ist nämlich zweistöckig, wie die Grafik deutlich zeigt. In der oberen Etage werden die ISA-Bus-Signale offeriert und eine Etage tiefer die zusätzlichen EISA-Signale.
Dieses zweistöckige Design war eines der letzten Details, das von den EISA-Entwicklern festgelegt wurden. Es wurde vom amerikanischen Hersteller Burndy entwickelt, der interessanterweise auch für IBM die MCA-Slots herstellt. Das Design setzte sich gegenüber der Lösung durch, die noch Ende 1988 bei der ersten Veröffentlichung betreffs EISA favorisiert worden war, nämlich die Signale in einem zweiten Slot neben dem AT-Slot anzubieten, die dann von EISA-Karten über eine Huckepack-Verbindung abgegriffen worden wären. Diese Anordnung der zusätzlichen Signalleitungen hätte aber magnetische und elektrische Interferenzen mit sich gebracht. gleichen Steckplatz gesteckt werden. Im gleichen Abstand angebrachte Stege verhindern ein Durchstecken der ISA-Platinen in die tiefere Ebene, die EISA-Karten vorbehalten bleibt. Durch die versetzte Anordnung der Kontakte können EISA-Karten die 62 AT-Bus-Signale plus die bei EISA hinzugekommenen 59 neuen Verbindungen benutzen.
Zunächst werden der Daten- und der Adressbus auf 32 Bit Breite erweitert. Dadurch besteht für den Rechner auch über den Bus die Möglichkeit, vier GByte Speicher zu adressieren. Dann ist die Multimaster-Fähigkeit des Busses erweitert. Das heißt, über einen bestimmten Port signalisieren die Karten dass sie bestimmte Zugriffe auf die Peripherie ausüben möchte, was vorher nur dem Hauptprozessor erlaubt war.

Local BUS

Um einen Ausweg aus der ISA-Misere zu schaffen sind sowohl MCA als auch EISA recht aufwendige Systeme, die im ersten Fall nicht zum AT-Bus kompatibel sind oder im zweiten Fall zu teuer sind - von den wenigen oben beschriebenen Ausnahmen einmal abgesehen.
Für Grafikkarten waren die bisherigen Bus-Systeme jedoch nicht gebräuchlich. Diese Produkte benötigen einen schnellen und preiswerten Bus ohne komplizierte Aufteilung der Ressourcen. Auch die Multi-Master-Fähigkeit oder die Arbitrierung sind Eigenschaften, die für diese Produkte eher störend sind. Den Ausweg aus dieser Misere scheinen einige Hersteller jetzt mit den Local-Bus-Karten gefunden zu haben.
Dabei wird zusätzlich zum AT-Bus eine Steckleiste installiert, an der sich weitere Signale befinden. Orchid war zum Beispiel einer der ersten Hersteller, die ein solches System anboten. Über die zusätzliche Steckverbindung, einen modifizierten EISA-Steckplatz, bietet diese Local-Bus-Lösung einen 32-Bit-Zugriff. Außerdem wird der Local-Bus mit den vollen 33 MHz Systemtakt versorgt, wodurch sich theoretisch Geschwindigkeiten bis zu 120 MByte/s ergeben.
Der größte Nachteil dieses Systems ist: Durch die fehlende Normierung ist der Anwender bei der Wahl einer Local-Bus-Grafikkarte auf die Systeme beschränkt, die die Firma Orchid anbietet. Auch andere Hersteller haben inzwischen Losal-Bus-Boards im Angebot. Der Versandhändler Computer Discount 2000 liefert seine 486er beispielsweise mit zwei Local-Bus-Slots aus. Die passende Grafikkarte kann (und sollte) direkt mit geordert werden. Bei allen besteht jedoch im Augenblick noch der gleiche Nachteil: Sie können auch nur mit den firmeneigenen Grafikkarten bestückt werden.
Die Local-Bus-Systeme stellen einen zusätzlichen Signalfluss vom Hauptprozessor zur Verfügung und binden dieses System an die vorhandenen Gate Arrays an. Inzwischen gibt es bereits eine ganze Reihe von Chipsätzen (Headland, UMC, Opti), die das Konzept des Local-Bus bereits unterstützen. Von Intel und dem VESA-Konsortium gibt es bereits Entwürfe für je einen Standard im Local-Bus-Bereich.

VESA-Local BUS

Das VESA-Konsortium ist vielleicht bereits aus dem Grafikkarten-Bereich bekannt, wo es sich um eine Standardisierung der höheren Auflösungen oberhalb von Standard-VGA bemühte. Die in diesem Komitee zusammengeschlossenen Firmen wollen einen Standard, der einerseits Ordnung in das derzeitige Bus-Chaos bringt und zum anderen problemlos mit zukünftigen schnelleren Prozessoren zusammenarbeitet. Der Entwurf des Local-Bus-Systems von VESA setzt die Kontrollbausteine zwischen den Bus und den Prozessor. Bis zu drei externe Systeme können über den Local-Bus kontrolliert werden. Diese können entweder auf der Hauptplatine enthalten sein oder sich auf einer Steckkarte befinden, die in einem Local-Bus-Slot steckt.
Die Anwendung des Local-Bus ist nicht nur auf Grafikkarten beschränkt. Bereits die Hälfte aller im September 1992 erhältlichen Local-Bus-Boards unterstützt neben einer Grafikkarte auch einen Festplatten-Controller - so es einen gibt. Da einige Firmen bereits parallele und serielle Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen in der Entwicklung haben, ist es denkbar, daß nach Festlegung eines Standards auch in diesem Bereich Local-Bus-Karten angeboten werden. Auch Netzwerkkarten für den Local-Bus werden von einigen Firmen entwickelt. Bei der derzeitigen Datenübertragungsrate von derzeit etwa 10 MBit/s bei Ethernet- und 20 MBit/s bei ArcNet Plus-Karten ist das jedoch nicht so notwendig, denn diese Werte können Sie auch mit einer AT-Bus-Steckkarte erreichen. Nur in der fernen Zukunft, wenn auf Basis von optischer Übertragungstechnik höhere Datenübertragungsraten notwendig werden sollten, machen Local-Bus-Netzwerkkarten einen Sinn.
Zunächst jedoch laufen auf verschiedenen Ebenen Bemühungen, den Local-Bus zu standardisieren. Die beiden Konzepte, die in dieser Hinsicht am weitesten gediehen sind, sind das VESA VL-Konzept und Intels PCI-Spezifikation. Als Steckplatz will das VESA-Konsortium eine 116-polige Kontaktleiste verwenden, wie sie bereits bei Microchannel zum Einsatz kommt. Dieser wird hinter den vorhandenen AT-Bus gesetzt.
Dadurch können alle AT-Bus-Steckplätze weiter ohne Einschränkungen genutzt werden. Nur Local-Bus-Karten enthalten die zweite Messerleiste, die in die Kontaktbuchse des Local-Bus "greift".
Die Bus-Breite des VL-Bus ist zunächst auf 32 Bit begrenzt, für zusätzliche Prozessorgenerationen hat man aber schon an eine Erweiterung auf 64 Bit gedacht, der durch eine nochmalige Steckerverlängerung realisiert werden soll. Außerdem sollen 16-Bit-Karten ebenfalls die weiteren Vorteile des Local-Bus nutzen können.

Steuerung

Jede der drei möglich Local-Bus-Bestandteile (Devices) kann die Kontrolle über den Local-Bus übernehmen, indem er als VL-Bus-Master (LBM) fungiert. Das muss ein Gerät sein, das diese Kontrolle übernehmen kann und in der Lage ist, Datenübertragungen zu starten. Das könnten zum Beispiel Netzwerkkarten mit eigener Intelligenz oder SCSI-Controller sein.

Local-Bus-Controller

Der Local-Bus-Controller (LBC) trifft die Entscheidung darüber, welcher LBM die Kontrolle über den VL-Bus erhält. Dieser Controller befindet sich auf der Hauptplatine und sollte Bestandteil des Chipsatzes sein, mit dem die Platine arbeitet. Er sorgt auch dafür, dass das LBM-Gerät die Kontrolle wieder abgibt, sobald ein Gerät mit höherer Priorität die Steuerung übernehmen will.

Local-Bus-Target

Daneben gibt es auch Local-Bus Target-Einheiten (LBT), die nicht in der Lage sind, Datentransfers zu starten. Eine VGA-Karte ohne eigene Intelligenz ist zum Beispiel ein typisches LBT-Device.Das VL-Design arbeitet nur in Systemen mit einer Bus-Breite von mindestens 32 Bit, also in 386DX- sowie 486-SX- und DX-Systemen.
Der VL-Bus arbeitet mit der Taktfrequenz, mit der auch der Hauptprozessor bedient wird. Bei einem 486/33 sind das zum Beispiel 33 MHz, aber bei einem DX2-Rechner nur die Hälfte. Ein Local-Bus in einem System mit einem 486DX2/50 wird also nur mit 25 MHz versorgt. Sind VL-Devices nur auf der Hauptplatine angeordnet, kann mit Taktfrequenzen bis 66 MHz gearbeitet werden. Bei Verwendung von VL-Steckerleisten ist man aus elektrischen Gründen auf 40 MHz beschränkt. Ein höherer Takt ist wegen der Steckerdämpfung nicht möglich. Ein 486DX mit vollen 50 MHz Taktfrequenz kann demnach nicht mit VL-Bus ausgestattet werden, wenn ein Slot auf der Hauptplatine plaziert werden soll.
Darin liegt ein Nachteil des VESA-VL-Konzepts. Ein vernünftiges Local-Bus-Design muss den Prozessor- vom Bus-Takt trennen können. Das wäre aber aufwendiger und teurer in der Entwicklung und im Aufbau, wodurch die Vorteile gegenüber EISA schnell verloren gehen könnten.

Intel PCI-BUS

Gegenüber der eindeutig als Standard für Steckkarten konzipierten VL-Lösung ist der Entwurf von Intel eher für Komponenten gedacht, die sich auf der Hauptplatine befinden. Als externe Komponenten sind nur Audio- und Video-Geräte vorgesehen. Einen Stecker für den PCI-Standard gibt es noch nicht.
Der PCI-Bus ist ein i486-Bus, auf dem im Multiplex-Verfahren Daten und Adressen auf die Reise geschickt werden. Bis zu zehn Komponenten können angesprochen werden.
Auch der PCI-Bus hat zunächst 32 Bit Breite, soll aber auf 64 Bit erweitert werden. Als Taktfrequenz ist ein fester Wert von 33 MHz vorgesehen. Durch das Multiplex-Verfahren können auf dem PCI-Bus maximal 66 MHz Datenübertragungsrate erreicht werden. Mit einem Trick wird dieser Wert jedoch noch einmal verdoppelt: dem Auto Incremental Burst Mode. Der Hauptprozessor legt bei dieser Methode einmal die Startadresse an und schreibt nacheinander die Daten auf den Bus, ohne vor jedem Wert eine neue Angabe des Speicherplatzes zu setzen. Der Empfänger erhöht selbständig die Adresse bei jedem Wert um eine Stelle. Zwischen vier und einhundert 32-Bit-Werte können so in einem Rutsch übertragen werden. Der Nachteil dieser Methode ist die aufwendigere Zusatzelektronik.
Um bei so hohen Datenübertragungsraten störungsfrei zu funktionieren, müssen die Leitungswege auf der Platine so kurz wie möglich sein. Intel verlangt deswegen von den Chip-Herstellern, alle Bus-spezifischen Signale an einer Seite des Chips nach außen zu führen. Derzeit gibt es keinen Grafik- oder Controller-Baustein, der diese Forderung erfüllt.
Die Verbindung zwischen den herkömmlichen Bus-Systemen und dem Local-Bus übernimmt eine "PCI-Bridge". Sie integriert den Bus als gleichwertigen PCI-Bestandteil. Ob es sich dabei um ISA, EISA oder MCA handelt, ist vollkommen egal.

OSI Referenz-Schichtenmodell