Der Systembus
Leitungen auf dem Mainboard
Schau dir ein Mainboard genau an: Zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher und Steckplätzen verlaufen hunderte feine Leiterbahnen. Sie bilden den Systembus – das Verkehrsnetz des Computers.
Ein guter Vergleich ist das Schienennetz eines großen Bahnhofs:
| Bahnhof | Computer |
|---|---|
| Gleise | Leitungen des Busses |
| Zielbahnhof eines Zuges | Adresse – wohin sollen die Daten? |
| Fracht im Zug | Daten |
| Stellwerk mit Signalen | Steuersignale – wann darf wer fahren, lesen oder schreiben? |
| Nur ein Zug pro Gleis | Nur ein Datentransport zur selben Zeit |
Drei Bus-Arten
Datenbus
- transportiert die eigentlichen Daten – in beide Richtungen
- seine Breite (Datenwortbreite) hängt von der CPU ab: 8, 16, 32 oder 64 Leitungen
Adressbus
- legt die Speicherzelle fest, in die geschrieben oder aus der gelesen werden soll
- führt nur von der CPU weg
- 8 Adressleitungen = 2⁸ Speicherzellen = 256 Speicherzellen
Steuerbus
- legt z. B. fest, ob gelesen oder geschrieben wird
- überträgt den Takt, Unterbrechungsanforderungen (Interrupts) und Signale wie den DRAM-Refresh
Spiele durch, wie die drei Busse zusammenarbeiten, wenn die CPU eine Speicherzelle liest oder beschreibt:
| 0 | 000 | 00011100 |
| 1 | 001 | 01011101 |
| 2 | 010 | 11000000 |
| 3 | 011 | 00010111 |
| 4 | 100 | 00011100 |
| 5 | 101 | 00101000 |
| 6 | 110 | 00000000 |
| 7 | 111 | 00000000 |
Die CPU möchte den Inhalt von Zelle 3 lesen.
Mehrere Antworten können richtig sein.
Der Von-Neumann-Flaschenhals
Die Von-Neumann-Architektur hat nur einen Verbindungsweg für alles: Befehle und Daten müssen durch denselben Bus. Wenn einer redet, muss der Rest schweigen.
Stell dir vor, du gießt eine volle Flasche aus: Egal wie groß die Flasche ist – das Wasser muss durch den engen Flaschenhals und fließt deshalb nur langsam. Genauso muss jedes Datenwort durch den Bus. Der Bus wird zum Flaschenhals (englisch Von-Neumann bottleneck).
Wie beim Ausgießen einer Flasche: Egal wie groß die Flasche ist – schneller als durch den engen Hals geht es nicht. Heute rechnen Prozessoren viel schneller, als der Arbeitsspeicher Daten liefern kann. Deshalb gibt es Caches.
VertiefungModerne Busse
Heute verbindet man Bauteile meist nicht mehr über einen einzigen parallelen Bus, sondern über viele schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: Der Arbeitsspeicher ist direkt an den Prozessor angebunden, Grafikkarte und SSD über PCI Express, bei dem Daten seriell über mehrere „Lanes“ fließen. Das Grundprinzip – Adresse, Daten, Steuersignale – bleibt aber gleich.