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16.12.1983 - 

Fünffach-Bussystem erweitert Anwendungsbereich von Mikrorechnern

Von der Synchrotron-Steuerung bis zum Kopierer

Wenn die Öffentlichkeit über Mikroprozessoren und ihre vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten diskutiert, klingt das oft so, als gäbe es bloß ein paar tolle Mikros mit unwichtigem Drumherum. Das stimmt in Wahrheit nicht, denn erst alle Komponenten zusammen ergeben ein funktionstaugliches Mikrosystem - und eine der wichtigsten ist ohne jede Frage der im System arbeitende Bus.

Das Mikrohaus Intel präsentierte jetzt sein, zusammen mit zahlreichen renommierten Unternehmen der Branche erarbeitetes Konzept eines neuen Standard-Busses für Mikrosysteme, betitelt "Multibus II".

Dieser Bus ist, so der Leiter des technischen Marketing bei Intel Deutschland, Johann Geyer, so flexibel, daß man damit - am unteren Ende - die Steuerung eines großen Kopiergeräts mit seinen vielfältigen Funktionen erheblich einfacher und kostengünstiger als bisher realisieren kann, und daß, am oberen Ende, beispielsweise das Kernforschungszentrum Jülich damit die Steuerung eines großen Synchrotrons anzupacken wagt.

"Außerdem ist der neue Bus wirklich besonders leistungsfähig", verspricht, Geyer, "mit ihm wird es möglich, Mikrosysteme aufzubauen, die bereits in die Leistungsbereiche der bisherigen typischen MDT-Computer vordringen".

Der zentrale Punkt an der Multibus-lI-Geschichte: "Jetzt treten auch im Hochleistungsbereich anstelle der bisherigen, spezialisierten Busstrukturen Standardsysteme auf und erlauben die Realisierung von Produkten nach dem Konzept der "Offenen Systeme"; also nach einem Konzept, das auf allen Ebenen - Hardware, Betriebssystem, Sprachen und Anwendungen - standardisierte, allgemein zugängliche und nutzbare Schnittstellen bietet".

Es begann mit Multibus I

So schön Geyers Worte in den Ohren des Berichterstatters auch klingen mögen, ohne eine intensivere Untersuchung von Intels neuem Bus, den übrigens auch Firmen wie AEG, Siemens, Plessey, Nixdorf-USA etc. nutzen wollen, geht es nicht.

Die rasante Entwicklung der VLSI-Komponenten hat in der letzten Dekade immer deutlicher einen Trend gefördert, den man etwas überspitzt mit "Veralten vor der Markteinführung" bezeichnen könnte. Halbleiterfirmen wie Intel suchten dem dadurch zu begegnen, daß sie - im Sinne der schon erwähnten "Offenen Systeme" - Standardschnittstellen schufen, an die man sich lediglich halten mußte um dann "darüber" oder "darunter" Einzelkomponenten eines Systems je nach technischem Fortschritt völlig neu konstruieren zu können.

Ein Produkt wird mithin, etwa durch Einsatz eines Standardbusses wie Motorolas VME-Bus oder Intels Multibus, viel stärker modifizierbar und rekonfigurierbar, behaupten die Befürworter solcher Lösungen. Sie können für sich das Argument sprechen lassen, daß gerade die Standardschnittstellen inzwischen zu einer Art Kristallisationskern geworden sind, um den herum immer mehr Fremdhersteller immer mehr spezifische Eigenprodukte wachsen lassen konnten. Mit dem Ergebnis, daß jeder der für eine bestimmte Anwendung bestimmte Bausteine (etwa speziell ausgestattete Platinen) benötigt, sich auf einem sehr großen, breiten Markt danach umtun kann.

Im Falle des "alten" Multibus sind das laut Geyer inzwischen rund 200 Anbieter, die mehr als 1200 kompatible Produkte auf den Markt bringen. Diese gewissermaßen "vorgefertigten Teillösungen" können rascher zu einem konkurrenzfähigen, früh den Markt erreichenden Produkt zusammengestoppelt werden, als wenn jeder Mikrosystementwickler, etwa der Konstrukteur eines Kopierers mit Multifunktionalität, alle Komponenten erst einmal selber von Grund auf (also von der Chipebene aus) entwickeln müßte.

Intels neues Konzept (siehe dazu Abbildung 1) des Multibus II wird inzwischen bereits von einem IEEE-Komitee auf seine mögliche (US-) Normung hin untersucht. Es besteht aus einer Fünfergruppe unterschiedlicher Busse. Leslie L. Vadasz, ein Intel-Senior Vice President und zugleich Direktor des Strategischen Stabs der Gesellschaft, führt als Gründe folgende Punkte an: Mikrocomputersysteme bedürfen vielfältiger, unterschiedlicher Wege des Datenaustausches zwischen ihren einzelnen Komponenten. Befehle und Daten müssen vom Speicher zur CPU (und teilweise wieder zurück) geschaufelt werden, CPUs bewerfen sich gegenseitig mit "Messages" und Unterbrechungsanforderungen (hier ist speziell von Multi-CPU-Systemen die Rede) und Ein-Ausgabeeinheiten müssen auf schnellste, den Rest des Systems möglichst nicht störende Weise mit den Speichern zusammenwirken.

Alle diese Funktionen lassen sich natürlich "im Prinzip" mit einem einzigen Bus, theoretisch sogar über eine langsame, simple Zweidrahtleitung abwickeln; allerdings kann dann von Systemperformance keine Rede mehr sein. (Wiewohl umgekehrt, erinnert Vadasz, ein gewöhnlicher Bus ja für manche Systeme schon zu teuer sein kann, weshalb dann dort in der Tat die Zweidrahtlösung eigentlich das Optimum wäre und weshalb sie beim Multibus II auch in der Tat vorgesehen ist. Beim schon erwähnten Kopierer, der ja praktisch kaum Datenkommunikationsbedarf zwischen seinen einzelnen Platinen hat, wird sie daher auch als Lösung der Wahl betrachtet.)

Mehrfach-Busse erhöhen also ganz einfach die Konfigurationsflexibilität und gestatten es, die Systeme den zu erwartenden Durchsatzaufgaben möglichst genau anzupassen. Das eine System braucht beispielsweise einen extra Speicher-CPU-Bus, ein anderes kann auf ihn verzichten - und der Anwender kann sich dann aussuchen, was er sich im einzelnen da zusammenschneidern will.

Generell läßt sich die Systemleistung jedenfalls immer weiter steigern, indem man von (früheren) Ein-Bus-Lösungen schrittweise auf zusätzliche Busse übergeht und dadurch eine Reihe von Systemfunktionen parallel ausführt.

In diesem Sinne setzt, so Vadasz, der für 32-Bit-CPUs entworfene Multibus II die Konzeption seines Vorläufers fort, mit dem er übrigens durchaus kompatibel sein soll.

Funktionelle Aufteilung

Die fünf Untergruppen des Multibus II sind jeweils für ganz bestimmte Funktionen gedacht, denn ein typisches Mikrocomputersystem läßt sich funktionell zum Beispiel in die folgenden vier Grundfunktionen gliedern:

- Massenspeichersteuerung

- Datenverarbeitung,

- Kommunikation mit dem "Rest der Welt" und

- Grafik.

Durch eine sinnvolle Gliederung in Funktionsblöcke wird erreicht, daß möglichst wenig Daten zwischen den einzelnen Blöcken hin und her bewegt werden müssen. Denn zeitkritische, also häufig benötigte Daten, werden dann ja in der lokalen Umgebung des jeweiligen Block-CPU gehalten und diese greift auf "ihre Daten" nun über lokale, zusätzliche Busse zu, die neben den allgemeinen Systembus treten.

"Weil diese Busse", so ergänzt Geyer, leistungsmäßig jeweils für ihre spezielle Aufgabe optimiert sind, steigert das wiederum die Performance des Gesamtsystems, und dies erleichtert obendrein wiederum die Aufgliederung in Funktionsblöcke".

Das Quintett in Nahaufnahme

Bei einer detaillierten Betrachtung der fünf Multibus-II-Busse ist an erster Stelle der mit 96 Leitungen realisierte, parallele Multi-Master-Systembus (iPSB) zu nennen, eine 32-Datenbit breite Verbindung der im System befindlichen Platinen (der aber durch einen simplen Zweidraht-Bus ersetzt werden kann, siehe unten). Es handelt sich dabei um einen synchronen Bus, bei dem Daten, sofern sie gleich schubweise in Blöcken übertragen werden ("Burst-Mode") mit 40 MByte pro Sekunde durchgeschaufelt werden.

Integraler Bestandteil dieses iPSB ist ein von Intel spezifiziertes Protokoll, das dem sicheren Austausch von Botschaften zwischen verschiedenen intelligenten Platinen dient.

Als lokale Buserweiterung fungiert ein Bus namens iLBX II. Mit ihm werden zusätzliche Speicherplatinen lokal an eine CPU angehängt. Auf diese Weise kann die CPU nun auf Daten und auf Programmcodes schneller zugreifen, als wenn der gesamte Datenverkehr nur über den iPSB laufen müßte. Die Bandbreite des iLBX beträgt laut Geyer 48 MByte pro Sekunde.

Vielleicht das interessanteste Novum im Intel-Bus-Bahnhof ist aber der neue Zweidraht-Bus iSSB (serieller Systembus). Über diesen Bus, der in der Implementierung äußerst billig ist, können alle Aufgaben abgewickelt werden, die man sonst dem iPSB übertragen würde - aber eben auch, vergleichsweise, sehr, sehr langsam. In der Leistung wie im Preis liegt die iSSB-Lösung um etwa zwei Größenordnungen unter der iPSB-Konfiguration, heißt es hierzu in Intel-Unterlagen. Wie das Beispiel des schon erwähnten großen Kopierers mit seinem verschwindend geringen Datentransferbedarf zeigt, können damit durchaus attraktive Problemlösungen konzipiert werden.

Die billige Zweidrahtschlange, sie kann übrigens immerhin zehn Meter Distanz überbrücken, erlaubt es dem Hersteller des Kopierers jetzt, seine Funktionseinheiten wie Tastenfeld, Sortierer und automatischer Einzug auf räumlich getrennten Platinen unterzubringen und damit allerhand Kabelkosten und, im späteren Betrieb, teuren Wartungsaufwand einzusparen.

Kurz noch zu den beiden letzten Bussen: Der lokale Ein-Ausgabebus (iSBX) macht es möglich, bestimmte Platinen nochmals um eigene Ein-Ausgabemodule zu erweitern, was laut Intel ebenfalls günstig für die Kostenrechnung sein soll. Der sogenannte Multichannel-Bus schließlich dient dem direkten Anschluß von übertragungsintensiven Ein-Ausgabegeräten an Speichereinheiten, auch über größere Distanzen, falls dies gewünscht wird.

An einem typischen Anwendungsbeispiel läßt sich vielleicht am besten vorführen, wie ein aufgegliedertes Bus-Quintett die sukzessive Weiterentwicklung und immer stärkere Differenzierung einer wachsenden Produktfamilie unterstützen kann (siehe dazu die Abbildungen 2 bis 5). Das anfängliche Basissystem ist beispielsweise um einen 16-Bit-Mikro herum aufgebaut; Speicher und Ein- Ausgabebausteine finden dabei noch auf der gleichen Platine Platz.

Wächst die Anwendung und wird mehr Speicher benötigt, so können über den iPSB, also den parallelen Systembus, weitere Memoryboards sowie Ein-Ausgabeboards angekoppelt werden. Dabei unterstützt der Systembus von sich aus die korrekte Adressierung dieser Ein-Ausgabeeinheiten.

Der so entstandene leistungsstärkere Computer mag nun auf dem Markt hartem Wettbewerbsdruck ausgesetzt sein, weshalb man ihn vielleicht auf höhere Performance bringen möchte. Die Lösung: Einsatz einer aufwendigen CPU-Karte mit einem Hochleistungs-16-Bit-Prozessor im Zentrum oder Addieren einer Zwei-CPU-Karte.

Wenn nun vielleicht auch noch die Zahl der Speicherkarten steigt, müssen dringend die Kommunikationswege zwischen den Platinen ausgebaut werden. Bei Multibus II bedeutet dies, daß man auch noch den LBX-Bus einsetzt und über ihn je ein CPU- und ein Speicherboard verbindet, die dadurch praktisch wie ein einziges "virtuelles" Board arbeiten sollen. Der Weg von der CPU zu den Ein-Ausgabeplatinen hingegen verläuft separat weiterhin über den iPSB-Bus.

Das in der Leistung jetzt deutlich aufgebohrte System benötigt nun vielleicht eine Verstärkung der Ein-Ausgabefähigkeiten; am besten gleich eine Vorverarbeitung der Daten, um so den Datenstrom in Grenzen halten zu können.

Dazu kann man nun den Ein-Ausgabeschnittstellen eigene Verarbeitungskapazität durch Hinzufügen weiterer CPUs geben und gleichzeitig die bisherige, simple Ein-Ausgabeadressierung (im Interesse des Schutzes der bestehenden Software) durch entsprechend gestaltete Interfaceprozeduren auf höherer Ebene ersetzen. Dabei bietet das Multibus-II-System ein besonderes Verfahren an, von Geyer als "message passing" bezeichnet: Ein Daten-sendendes Board gibt eine Kennung aus, und diese wird vom korrekten Empfänger erkannt, der daraufhin die Übernahme der Daten einleitet. Es ist also nicht nötig, daß die sendende Platine "weiß", wohin die Daten physisch eigentlich geschickt werden müssen. Der Name (die Kennung) genügt.

Dieses Message-Passing-Konzept, und das ist vielleicht das interessanteste an ihm, kann nun statt mit dem aufwendigen, parallelen Systembus auch bei Einsatz der langsamen, billigen Zweidrahtleitung implementiert werden. "Dabei", so wieder Geyer, "bleibt aber die Softwareinvestition von geschützt", denn der ganze Multibus-II-Komplex sei ja von vonher- ein dafür ausgelegt, in alternativen Konfigurationen realisiert zu werden.