Wie funktioniert ein Bus im Computer?

PC für Einsteiger: Was macht ein Bus im Computer? Von einem Prozessor, einer Festplatte oder einer Grafikkarte haben viele schon gehört. Um zu erklären, welche Funktion ein Bus erfüllt, lesen Sie hier. Busse erledigen wichtige Aufgaben in einem Computer. Damit Sie verstehen, was sie genau tun und wozu man wann welchen Bus braucht, werden hier der Aufbau und die Funktionsweise eines PCs erklärt. Ob Apple, PC, Notebook oder Desktopgerät, ein funktionierender, multimediafähiger Computer besteht aus folgenden Teilen:

  1. CPU oder Hauptprozessor
  2. RAM oder Arbeitsspeicher
  3. Mainboard oder Motherboard, Hauptplatine
  4. Grafikkarte
  5. Monitor, meist TFT
  6. Festplatte oder SSD
  7. Soundkarte
  8. Netzteil
  9. Gehäuse
  10. Tastatur
  11. Maus

Die CPU ist der Kern eines Computers. Sie ermöglicht alle Aktivitäten des Rechners. Wenn Sie z.B. einen Text tippen, wartet sie auf den Tastendruck und leitet ihn (vereinfacht) weiter in den Arbeitsspeicher und den Videospeicher der Grafikkarte, damit man die Buchstaben am Bildschirm sieht. Sie überträgt den Text auch zur Festplatte, wo er abgespeichert wird.

Ein Bus stellt die Verbindung zwischen einzelnen Geräten am Computer her

Ähnlich diesem Prinzips funktionieren auch Videodarstellungen oder Musikwiedergabe, nur dass dazu die CPU die Daten von der Festplatte an die Grafikkarte bzw. an die Soundkarte weitergibt. Busse verbinden diese einzelnen Geräte mit dem Hauptprozessor. Je nach Anforderung haben Sie verschiedene Eigenschaften. Typische Busse sind:

  • USB – für Maus, Tastatur, externe Festplatten, Drucker
  • SATA – für interne Festplatten, optische Laufwerke
  • ESATA – für externe Festplatten
  • IDE – für interne Festplatten, optische Laufwerke (alt)
  • PCIe – für Erweiterungskarten und Grafikkarten im PC
  • AGP – für Grafikkarten (alt)
  • PCI – für Erweiterungskarten im PC (alt)
  • DMI – PCI-Anbindung
  • FSB und Hypertransport – Arbeitsspeicheranbindung
  • QPI – Arbeitsspeicheranbindung und Prozessorkernverbindung

Wesentliche Eigenschaften von Bussen sind Kompatibilität und Geschwindigkeit. Für die Kompatibilität gilt natürlich, dass ein USB-Stick nicht an eine eSATA-Schnittstelle passt, also man sollte vor dem Computerkauf überlegen, welche Busse der neue Computer mitbringen sollte. Bei der Geschwindigkeit gibt es oft Busrevisionen, z.B. USB 2.0 ist 25-mal schneller als USB 1.0, und USB 3.0 theoretisch bis zu 20-mal schneller als USB 2.0. Busse sind dabei weitgehend „abwärtskompatibel“, das bedeutet, ein USB 2.0-Stecker passt in eine USB 3.0-Buchse und kann dann auch mit USB 2.0-Geschwindigkeit Daten übertragen. USB 3.0-Geräte können an langsamerer Hardware wie USB 2.0 nur die USB 2.0-Geschwindigkeit erreichen.

Die Zeitdauer einer Übertragung kann sehr wichtig sein, z.B. falls ein Video ohne zu Ruckeln abgespielt werden soll, müssen 25 Einzelbilder pro Sekunde übertragen werden. Ältere CPUs (z.B. ein AMD Athlon XP) kommen daher nicht immer mit hochauflösenden HD-Inhalten zurecht. Auch das Kopieren oder Sichern einer Musik-, Foto- und Videosammlung kann dauern: bei angenommenen 200 GB braucht eine externe USB 3.0-Festplatte ca. 1 Stunde, eine USB 2.0-Festplatte (25 MByte/Sek.) ca. 3 Stunden und ein USB 1.0-Gerät ungefähr 75 Stunden! Bei USB 3.0 bremsen Festplatten den Bus aus, so dass sich keine 20-fache Geschwindigkeitssteigerung zeigt.

Diese Übertragungsrate wird z.B. in MB/s angegeben, also Megabyte pro Sekunde. Oft geschieht dies auch in Megabit/Sekunde oder Gigabit/Sekunde. Die Vorsilbe Mega bedeutet dabei Millionen, das Giga Milliarden. Doch was verbirgt sich hinter dem Bit oder Byte?

Mit vielen Bits beschreibt ein Computer Texte, Bilder und Videos

Ein Bit ist die kleinste Einheit einer Datei. Wenn sie (z.B. ein Text) von der CPU über die Grafikkarte zum Monitor übertragen wird, arbeitet der PC die Informationen Bit für Bit aus der Datei ab. Das Bit gibt ursprünglich Auskunft über einen Schalterzustand, ob er an (1) oder aus (0) ist. Doch wie ergeben sich aus vielen Bits Texte, Bilder oder Videos?

Ein Computer kombiniert mehrere Schalter (Bits) für einen Buchstaben. 8 Bits, auch genannt 1 Byte, ergeben viele verschiedene mögliche Schalterzustände. Ein Bit schafft die Schalterzustände 1 und 0, also 2 Möglichkeiten. Zwei Bits zusammen können folgendermaßen stehen: 0 – 0, 0- 1, 1 – 0 und 1 – 1, es sind also dann 4 Möglichkeiten. Bei jedem weiteren Bit verdoppelt sich diese Kombinationsanzahl. Das Byte, also 8 Bits, ergeben sich daher noch mehr Schalterzustände, nämlich 256 insgesamt. Da der elektronische Computer so programmiert ist, dass er auf diese Schalterzustände achtet, können den 8 übertragenen Bits also 256 Zeichen zugeordnet werden. Als Speicherplatz bräuchte man für ein Zeichen also 8 Bit = 1 Byte.

Eine Seite besteht meist aus ca. 1800 Zeichen inklusive Leerzeichen. Auf der Festplatte müssen also mindestens 1800 * 1 Byte abgelegt werden, um den Text zu speichern, im Arbeitsspeicher, der schneller ist, ebenfalls.

Wenn man noch mehr Schalterzustände zusammenfasst als 8 Bit, kann man Weiteres im Computer beschreiben, z.B. ein Bild. 256 Farben durch 8 Bit sind etwas wenig, denn das Auge kann Millionen Farben unterscheiden. Deshalb verwenden viele Bildformate 24 Bit für einen Farbpunkt, was ausreicht, mehr als 16 Millionen Farben zuzuordnen. Ein Bild hat darüber hinaus nicht nur einen Farbpunkt: die Full HD-Auflösung, die bei vielen Monitoren Anwendung findet, besitzt 1920*1080 Punkte (=Pixel), das bedeutet etwas mehr als 2 Millionen Farbwerte von 24 Bit. Da 24 Bit 3 Byte sind, kommt man für ein einfaches Full HD-Bild auf ungefähr 6 Megabyte.

Ein Bus muss für seine Aufgabe schnell genug sein

Ein Full HD-Video hat 25 Bilder pro Sekunde, um flüssig ablaufend zu wirken. Das bedeutet 25 mal 6 Megabyte = 150 Megabyte pro Sekunde! In einer Stunde würden also 540.000 Megabyte anfallen, was 540 Gigabyte entspricht. Das ist eine enorme Aufgabe für den Computer. Der PCIe-Bus der Grafikkarte muss also schnell genug sein, um ein Full HD-Video übertragen zu können. Dies gilt auch für andere Busse und ihre jeweilige Anwendung. Mit 4000 Mbyte/Sekunde reicht jeder PCIe 16x-Grafikkartenanschluss dazu aus. Bei Bussen findet man oft die Angabe Hertz in Verbindung mit Bytes, z.B. 64 Bit und 1 Megahertz. Hertz bedeutet Wiederholung pro Sekunde: aus 64 Bit (8 Byte) und einem Megahertz ergeben sich demnach durch Multiplizieren: 8 Mbyte/Sekunde.

Damit die Datenmenge nicht zu groß wird, wird oft „komprimiert“, das bedeutet trickreich beschrieben. Texte, die oft auch noch Formatierungen beinhalten, können ohne Informationsverlust komprimiert werden und brauchen so weniger Speicherplatz. Bei Bildern und Videos geschieht dies mit leichtem Qualitätsverlust, um deutlich weniger Daten auf der Festplatte abzuspeichern.

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