Was machen Controller und Bussystem im Rechner?

In diesem Teil des Grundkurses zur Informationstechnologie (IT) geht es um den Controller und das Bus-System eines Computers.

Bus und Controller befinden sich auf dem Mainboard, dem zentralen Bestandteil eines Rechners (auch: Hauptplatine oder Motherboard). Sie beinhaltet die gesamte Steuerungslogik für den Computer, auf ihr sind die elektronischen Bauelemente zur Kontrolle der angeschlossenen Geräte miteinander verbunden.

Controller

Datenträger können Informationen (Daten) lesen, aufnehmen und speichern, benötigen dazu aber eine Schnittstelle zum Systembus bzw. zum Arbeitsspeicher, um die Daten korrekt zu verwalten. Die Datenträger sind bis auf wenige Ausnahmen nicht in der Lage, Informationen selbst zu verwalten. Da die Daten nicht nur verwaltet, sondern auch kontrolliert werden müssen, werden die benötigten Schnittstellen als Controller bezeichnet. Als Schnittstellen bezeichnet man Verbindungen zwischen verschiedenen Hard- und/oder Softwarekomponenten.

Controller sind spezielle Steckkarten, die den Betrieb von externen Speichermedien wie Disketten und Festplattenlaufwerken, Streamern, CD-/DVD-Laufwerken etc. steuern und die Verbindung zur Zentraleinheit (CPU) herstellen. Häufig sind Controller auch in die einzelnen Komponenten integriert. Der Controller muss vom Typ her zum zu kontrollierenden Medium passen; ein DVD-Laufwerk benötigt somit einen Controller für optische Laufwerke, eine S-ATA-Festplatte einen speziellen S-ATA-Controller (sog. Host Adapter). CD-/DVD-Laufwerke stellen keine großen Anforderungen an den Controller. Die Leistungsfähigkeit der Festplatte ist in hohem Maße vom Controller abhängig.

Bussysteme zur parallelen Datenübertragung

Wie können die Daten im Rechner von einer Komponente zu einer anderen gelangen, zum Beispiel vom Prozessor zur Grafikkarte? Ideal hierfür wäre, dass jede Komponente direkt mit allen betreffenden anderen verbunden ist. Das wäre aber zu teuer und außerdem für Erweiterungen zu unflexibel. Daher wird im Regelfall ein gemeinsamer Kommunikationsweg verwendet, der so genannte Bus. Der Bus im Rechner macht also genau das, was er im wirklich Leben auch macht: er transportiert.

Der Bus ist eine Sammelleitung innerhalb des Rechners, die der parallelen Datenübertragung dient, z.B. zwischen Mikroprozessoren und Hauptspeicher oder Schnittstellen. Als paralell wird eine Übertragung dann bezeichnet, wenn in beiden Richtungen gleichzeitig Daten übertragen werden. Man unterscheidet einerseits zwischen Adress-, Daten- und Steuerbus, andererseits zwischen unidirektionalen und bidirektionalen Leitungssystemen. Für die Schnelligkeit des Datentransports ausschlaggebend ist ist die Busbreite (8-, 16-, 32-, 64-Bit und höher). Der Bustakt ist dabei die Bezeichnung für die Busgeschwindigkeit.

Sendet eine Komponente Informationen über den Bus, können diese von allen anderen empfangen werden. Um Konflikte zu verhindern, muss dabei sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine Komponente Daten sendet.

Zwei gängige Bussysteme sind

  • PCI (Peripheral Component Interconnect) mit bis zu 700 MB/s Übertragungsrate,
  • Serial-ATA mit bis zu 1,5 GB/s Übertragungsrate

Unten finden Sie eine sehr vereinfachte Darstellung, die schematisch zeigt, wie Sie sich das Bussystem eines PC vorstellen können (Abbildung unten).

DMA (Direct Memory Access)

An dem eigentlichen Bus hängen die CPU, die Speichermedien, die Steckplätze (Slots); der Arbeitsspeicher, aber auch die Eingabegeräte greifen auf den Bus zu. Da einige Erweiterungskarten sehr oft auf den Arbeitsspeicher zugreifen müssen, wurde der DMA (Direct Memory Access) zwischengeschaltet. Die Aufgabe des DMA ist es, den Erweiterungskarten einen schnellen direkten Zugriff auf den Speicher zu ermöglichen. Dadurch wird das Bussystem entlastet. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Grafikkarte. Die Daten müssen bei der Grafikbearbeitung ständig aus dem Arbeitsspeicher zur Anzeige (Grafik-Karte) gebracht, aber nicht auf der Festplatte zwischengespeichert werden.

Der DMA hat nichts mit dem Cache zu tun: Er ist nur eine Umgehung des normalen Bussystems, auf dem alle anderen Komponenten ihre Daten schaufeln. DMA-fähige Komponenten kommunizieren direkt mit RAM und CPU.

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