Rekenaarbus

In rekenaarargitektuur is 'n bus 'n substelsel wat data of krag tussen komponente in 'n rekenaar of tussen rekenaars oordra. Anders as punt-tot-punt verbindings (poorte) kan 'n bus verskeie randapparatuur (bybehore) oor dieselfde stel drade verbind. Elke soort bus definieer 'n stel verbinders wat toestelle, kaarte of kabels aanmekaar koppel.

Vroeë rekenaarbusse was letterlik parallelle elektriese busse met veelvuldige verbindings, maar die term word nou gebruik vir enige fisiese rangskikking wat dieselfde logiese funksionaliteit as 'n parallelle elektriese bus verrig. Moderne rekenaarbusse kan beide parallelle en bis-serieverbinders gebruik en kan bedraad word op so 'n wyse dat dit 'n veelvuldige verbindingtopologie (elektries parallel) of 'n kettingtopologie vorm of kan deur 'n geskakelde bus verbind word soos in die geval van USB.

Geskiedenis

Eerste generasie 
Vroeë rekenaarbusse was bondels draad wat geheue en randtoestelle verbind het. Hulle is vernoem na die elektriese busse of verbindingstawe. Daar is bykans altyd voorsiening gemaak vir 'n geheuebus en ander randtoestelle en toegang tot hulle is deur afsonderlike instruksies verkry met geheel en al verskillende tydreëlings en protokolle.

Een van die eerste probleme wat ontstaan het was die gebruik van onderbrekingsversoeke (interrupts). Vroeë rekenaars het Invoer/uitvoer (I/O) verwerk deur in 'n lus te wag tot 'n randtoestel beskikbaar geword het. Dit het 'n groot tydvermorsing teweeg gebring vir programme wat ander take kon uitvoer. As die programme verder ook gepoog het om daardie take te verrig het dit soms te lank geneem vir die programme om weer te kyk vir die beskikbaarheid van randtoestelle met die gevolglike dataverlies. Ingenieurs het daarom die randtoestelle opgestel om die Sentrale verwerkingseenheid (SVE) te onderbreek. Die onderbrekings moes geprioritiseer word omdat die SVE slegs kode vir een randtoestel op 'n slag kon verwerk en sommige toestelle was meer tyd-afhanklik as ander.

Later het rekenaars begin om geheue tussen verskeie SVE's te deel. Op hierdie rekenaars moes toegang tot die bus ook geprioritiseer word.

Die klassieke eenvoudige manier om onderbrekings of bustoegang te prioriritiseer was deur middel van 'n ketting.

"Digital Equipment Corporation" het weggedoen met die twee busse en te duur vir massaproduksie rekenaars en het die randtoestelle ook in die geheuebus ingesluit sodat dit ook soos geheue-adresse gelyk het. Op daardie tydstip was mense baie skepties oor die ontwerp en het baie mense voorspel dat die argitektuur sou misluk.

Vroeë mikrorekenaars se busstelsels was eintlik 'n passiewe stroombaan wat aan die penne van die sentrale verwerkingseenheid gekoppel was. Geheue en ander toestelle is by die bus gevoeg deur dieselfde adres- en datapenne as die SVE self gebruik het waar dit in parallel gekoppel was.

In baie mikrobeheerders en ingeboude stelsels bestaan geen Invoer-/Uitvoerbus nie. Kommunikasie word beheer deur 'n SVE wat data vanaf toestelle lees en skryf asof hulle geheueblokke is, alles onder beheer van 'n sentrale klok wat die spoed van die SVE beheer. Toestelle vra vir diens deur seine op van die ander penne op die SVE te aktiveer, tipies in die vorm van een of ander onderbrekingsversoek.

'n Skyfaandrywer se beheerder sal tipies 'n sein na die SVE stuur om te laat weet dat nuwe data gereed is om gelees te word, op welke tydstip die SVE die data sal skuif deur die geheue te lees wat ooreenstem met die skyf. Bykans alle vroeë rekenaars is op hierdie wyse gebou, sedert die S-100-bus in die Altair en het voortgeduur tot en met die IBM persoonlike rekenaars in die 1980's.

Hierdie eenvoudige busstelsel het 'n ernstige nadeel vir rekenaars vir algemene doeleindes. Al die toerusting op die bus moet noodgedwonge teen dieselfde snelheid kommunikeer en het 'n enkele tydreëlaar gehad.

Om die spoed van die SVE te verhoog is nie eenvoudig nie, omdat die spoed van alle toestelle ook moes toeneem. Dit het dikwels gelei tot situasies waar baie vinnige SVE's stadiger moes loop om met ander toestelle in die rekenaar te kon kommunikeer. Terwyl dit by ingeboude stelsels aanvaarbaar is, kon die probleem nie langer in kommersiële rekenaars aanvaar word nie.

'n Ander probleem is dat die SVE benodig word om alle verwerkings te doen, dus as dit met ander take besig geraak het, het die werklike deurset van die bus ook dramaties daaronder gely.

Sulke busstelsel is moeilik om saam te stel wanneer dit uit komponente wat van die rak af beskikbaar is, gebou word. Elke gedrukte stroombaan vereis tipies baie brugskakelaars om die geheueadresse, toevoer-/afvoeradresse, onderbrekingsprioriteite en -nommers op te stel.

Tweede generasie 
"Tweede generasie" busstelsels soos NuBus het verskeie van hierdie probleme aangespreek. Hulle het tipies die rekenaar in twee wêrelde geskei: met die SVE en geheue aan die een kant, en die verskeidenheid toestelle aan die ander kant en 'n busbeheerder tussenin. Dit het die SVE toegelaat om vinniger te hardloop sonder om die bus te beïnvloed. Dit het ook baie van die las vir die skuif van data vanaf die SVE na die kaarte en beheerder geskuif, sodat die toestelle met mekaar kon kommunikeer sonder ingryping deur die SVE. Dit het die werkverrigting verhoog, maar egter meer ingewikkelde kaarte vereis. Hierdie busse het ook dikwels spoedkwessies aangespreek deur eenvoudig groter te wees in soverre dit die databord aangaan deur te beweeg vanaf die 8-bis parallel busse van die eerste generasie tot 16- of 32-bis in die tweede en ook deur sagteware opstellings te verskaf (nou gestandaardiseer met "Plug-n-play") om die brugskakelaars te vervang.

Hierdie nuwer stelsels het egter een ding in gemeen met hul voorsate gehad, in die sin dat elke toestel op die bus teen dieselfde spoed moes kommunikeer. Terwyl die SVE nou geïsoleer was en sonder probleme kon versnel, het SVE's en geheue se spoed baie groter geword as die busse waarmee hulle moes kommunikeer. Die gevolg was dat die bussnelhede nou baie stadiger was as wat moderne stelsels benodig het en die masjiene het gebrekkige toegang tot data gehad. 'n Algemene voorbeeld van die probleem was dat videokaarte gou so vinnig was dat selfs die vinnigste busstelsels soos PCI nie kon byhou nie met die gevolg dat rekenaars van AGP-poorte voorsien is bloot om die videokaart aan te dryf. Teen 2004 is die AGP weereens oorweldig deur die hoëspoed-videokaarte met die gevolg dat dit met PCI Express-poorte vervang is.

'n Toenemende aantal eksterne toestelle het ook verder begin om hulle eie busstelsels te gebruik. Toe skyfaandrywers aanvanklik bekendgestel is, kon hulle by 'n masjien bygevoeg word deur 'n kaart in die bus in te prop en is ook die rede waarom rekenaars van so baie gleuwe op die bus voorsien word. Tydens die 1980's en 1990's is nuwe stelsels soos SCSI en Integrated Drive Electronics bekendgestel om in hierdie behoefte te voorsien, met die gevolg dat die meeste gleuwe in moderne stelsels leeg gelaat word. Vandag is daar tipies soveel as vyf verskillende busse in 'n tipiese rekenaar wat verskeie toestelle bedien.

'n Nuttige onderskeid het ook gewild geword naamlik die begrip van 'n plaaslike bus (local bus) teenoor 'n eksterne bus. Die eersgenoemde verwys na busstelsels wat ontwerp is om saam met interne toestelle gebruik te word soos grafikakaarte en die laasgenoemde na busse wat ontwerp is vir die koppeling van eksterne toestelle soos beeldskandeerders.

Derde generasie 
"Derde generasie" busse word nou aan die mark bekendgestel, insluitend HyperTransport en InfiniBand. Hulle sluit tipies eienskappe in wat hulle in staat stel om teen die baie hoë snelhede te hardloop wat benodig word om geheue- en videokaarte te ondersteun terwyl dit ook laer snelhede ondersteun vir stadiger toestelle soos skyfaandrywers. Hulle neig ook om hoogs plooibaar te wees ten opsigte van die fisiese verbindings wat hulle in staat stel om as interne busse te funksioneer maar ook verskillende masjiene aanmekaar te koppel. Dit kan ingewikkelde probleme tot gevolg hê wanneer daar gepoog word om aan verskillende versoeke te voldoen, dus word baie van die werk op hierdie stelsels op sagteware-ontwerp gefokus eerder as op die hardeware-ontwerp self. Oor die algemeen lyk die derde generasie busse meer soos 'n netwerk eerder as na die oorspronklike buskonsep, met meer hulpbronne vir protokolverwerking as vroeëre stelsels maar met die voordeel dat veelvuldige toestelle van die bus gebruik kan maak.

Beskrywing 
Eens op 'n tyd het die term "bus" verwys na 'n elektries parallelle stelsel, met elektriese geleiers soortgelyk of identies aan die penne op die SVE. Dit is nie meer die geval nie en word die grens tussen busse en netwerke al hoe vaer.

Busse kan parallelbusse wees wat datawoorde oor verskeie drade versprei dra of seriebusse wat data in bis-serie vorm dra. Die byvoeg van ekstra krag en beheerverbindings, differensiële aandrywers en dataverbindings in elke rigting beteken dat die meeste seriebusse meer geleiers het as die minimum van twee wat in die I²C seriebus gebruik word. Soos datatempo's verhoog begin die probleme as gevolg van tydsverskuiwing en oorspraak in parallelle busse al hoe moeiliker om te oorkom. Een gedeeltelike oplossing tot hierdie probleem is die dubbeldatatempobus. Dikwels kan 'n seriebus teen hoër oorhoofse datatempo's bedryf as parallelle busse, ten spyte van die feit dat hulle oor minder elektriese verbindings beskik, omdat 'n seriebus uit die aard van die ontwerp geen tydsverskuiwing of oorspraak het nie. USB, FireWire en Serial ATA is voorbeelde hiervan. Veelvuldige verbindings werk nie goed in vinnige seriebusse nie, dus gebruik seriebusse tipies kettingverbindings (daisy chain) of spilontwerpe (hub).

Die meeste rekenaars het beide interne en eksterne busse. 'n Interne bus verbind a die interne komponente van 'n rekenaar aan die moederbord (dus ook die SVE en interne geheue). Hierdie soort busse word ook na verwys as 'n plaaslike bus omdat hulle bedoel is om plaaslike toestelle te verbind en nie daardie in ander masjiene of ekstern tot die rekenaar nie. 'n Eksterne bus verbind randtoestelle aan die moederbord.

Netwerkverbindings soos Ethernet word nie normaalweg as busse beskou nie al is die verskil grootliks eerder teoreties as prakties. Die koms van tegnologieë soos InfiniBand en HyperTransport vervaag die grense tussen die twee begrippe nog verder. Selfs die onderskeid tussen intern en eksterne busse begin al vervaag, I²C kan byvoorbeeld as 'n interne of 'n eksterne bus gebruik word en InfiniBand is bedoel om interne busse soos PCI sowel as eksterne busse soos Fibre Channel te vervang.

Moderne neigings in persoonlike rekenaars, veral skootrekenaars, beweeg meer en meer na die wegdoen van alle eksterne verbindings buiten vir die modemverbinder, Kategorie 5-kabel, USB, oorfoonverbinder, en die opsionele VGA of Firewire verbindings.

Bustopologie 
In 'n netwerk beheer die meesterskeduleerder die dataverkeer. As data oorgedra moet word stuur die rekenaar wat dit aanvra 'n boodskap na die skeduleerder wat die versoek in 'n tou plaas. Hierdie boodskap bevat 'n identifikasiekode wat na al die nodes in die netwerk uitgesaai word. Die skeduleerder bereken die prioriteite en stel die ontvanger in kennis sodra die bus beskikbaar word.

Die geïdentifiseerde node neem die boodskap en voer die data-oordrag tussen die twee rekenaars uit. Met die voltooiing van die oordrag is die bus weer beskikbaar vir die volgende versoek in die skeduleerder se tou.

Voordeel van die bus: Daar kan direk toegang tot enige rekenaar verkry word en boodskappe kan in 'n relatief eenvoudige en vinnige manier gestuur word.

Nadeel van die bus: Benodig 'n skeduleerder om frekwensies toe te ken en om prioriteite te bereken om verkeer te beheer.

Bus versus poort 
'n Bus is een van die tegnieke waarmee eksterne apparatuur met 'n rekenaar verbind kan word. Die andere tegniek is 'n rekenaarpoort. Die verskil tussen 'n bus en 'n poort is dat 'n bus gemaak is om 'n willekeurige aantal apparate te koppel en daar dus voorsiening gemaak word om die bestemming van verkeer oor die bus te bepaal, terwyl 'n poort 'n verbinding is waar slegs een toestel aangesluit word en hiervoor dus nie voorsiening gemaak hoef te word nie. Poorte is gewoonlik eenvoudiger om te bou.

"Accelerated Graphics Port" en "PCI Express" is poorte wat in die daaglikse gebruik foutiewelik busse genoem word, maar eintlik poorte is.

Voorbeelde van interne rekenaarbusse

Parallel 
 CAMAC vir instrumentstelsels
 Extended ISA of EISA
 Industry Standard Architecture or ISA
 Low Pin Count of LPC
 MicroChannel of MCA
 MBus 
 Multibus vir nywerheidstelsels
 NuBus of IEEE 1196
 Peripheral Component Interconnect of PCI 
 S-100 bus of IEEE 696, gebruik in die Altair en soortgelyke mikrorekenaars
 SBus of IEEE 1496
 VESA Local Bus of VLB of VL-bus (vir videokaarte)
 VMEbus, die VERSAmodule Eurocard bus
 STD Bus vir 8- en 16-bis mikrorekenaarstelsels

Serie 
 1-Wire
 HyperTransport
 I²C
 PCI Express or PCIe
 Serial Peripheral Interface Bus of SPI bus

Voorbeelde van eksterne rekenaarbusse

Parallel 
 Advanced Technology Attachment of ATA (ook PATA, IDE, EIDE, ATAPI, ens.) skyf/band randtoestel verbindings
 HIPPI High Performance Parallel Interface
 IEEE-488 (ook GPIB, Algemene doel , en HPIB, Hewlett-Packard Instrumentasie Bus)
 PCMCIA, nou bekend as PC card, is in baie in skootrekenaars gebruik, maar het begin verdwyn weens USB.
 Small Computer System Interface, skyf/band bus.

Serie 
 ACCESS.bus (A.b)
 Apple Desktop Bus (ADB)
 Controller Area Network (CAN)
 Serial Peripheral Interface (SPI)
 I²C
 Fibre Channel
 IEEE 1394 (FireWire)
 RS-485
 Serial Attached SCSI (SAS)
 Serial Storage Architecture (SSA)
 Universele Seriebus (USB)

Fabriekseie busse 
 Sagteskyfaandrywerverbinder

Voorbeelde van interne/eksterne rekenaarbusse 
 Futurebus
 InfiniBand
 QuickRing
 SCI

Eksterne skakels 
 Chip Weems se Klasnotas oor Busse 
 http://dmoz.org/Computers/Hardware/Buses/

Rekenaars