Grundlagen digitaler Bussysteme und wesentliche Grundbegriffe

Die Branche der Informationstechnik und der industriellen Kommunikation hat sich innerhalb der vergangenen Jahrzehnte zu einem breitgefächerten Bereich entwickelt, der immer mehr Relevanz und ein größeres Bedeutungsspektrum erhält. Zahlreiche Industriezweige machen sich die Möglichkeit zu Nutzen, die Teilnehmer innerhalb eines Netzwerkes miteinander kommunizieren zu lassen, um auf der einen Seite die Produktion zu vereinfachen und zu steigern, sowie auf der anderen Seite gleichermaßen die hierfür benötigten Kosten zu senken und Risiken zu vermeiden. Zur Verwirklichung dieser Zielsetzungen hat sich insbesondere das Bussystem etabliert, da es sich hierbei um eine Technologie handelt, die international anerkannte Standards und Normierungen vorweisen kann, wodurch gleichhin die Möglichkeit für Weiterentwicklungen besteht, was auch die Zahl der alternativen Ausführungen ansteigen lässt.

Definition eines Bussystems

Bus ist im Grunde eine Abkürzung für das „Binary Unit System“. Dieses System dient innerhalb eines Netzwerkes für die Übertragung von Daten zwischen den einzelnen Teilnehmern. Dieses Versenden von Nachrichten erfolgt über einen gemeinsamen Übertragungsweg, wobei die einzelnen Datenübertragungen jedoch klar voneinander getrennt sind.

Veranschaulicht handelt es sich bei einem Bussystem um die erste und zweite Schicht des OSI-Referenzmodells. Auf diesen beiden Ebenen wird festgelegt, welche Signalleitung und welcher Pegel zum Einsatz kommen sowie in welcher Form die Bits auf den Leitungen verschlüsselt sind. Darüber hinaus regeln die ersten beiden Ebenen des Kommunikationsmodells, welcher der Teilnehmer des Netzwerks dazu befähigt ist, Botschaften zu versenden. Auch die Fehlererkennung und das Korrigieren zählen zu den Funktionen eines Bussystems.

Wesentliche Grundbegriffe im Zusammenhang mit einem Bussystem

Der Begriff des Bussystems muss als ein Überbegriff angesehen werden, wenn es darum geht, die einzelnen Komponenten zusammenzutragen, die bei einer Kommunikation zwischen den Geräten eines Systems relevant werden. So finden sich an dieser Stelle unter anderen folgende Unterbegriffe, die bei jeder Form des Bussystems zu finden sind:

• Topologie – hierbei handelt es sich um die Art und Weise, wie die einzelnen Teilnehmer miteinander verknüpft sind, was beispielsweise in Form eines Sterns, eines Baums oder eines Rings geschehen kann.
• Protokoll – dies ist die Ansammlung der Regeln, unter welchen die Kommunikation ablaufen muss. Protokolle sind innerhalb eines Bussystems ein wichtiger Bestandteil, da nur so geklärt werden kann, wer wann was bekommt, da sowohl die Semantik, als auch Pragmatik und die Zeitvorgaben sowie der Syntax berücksichtigt werden.
  • Syntax – dieser Bestandteil des Protokolls eines Bussystems bestimmt bei der Kommunikation zwischen den Teilnehmern einer Topologie, welche Zeichenfolgen und Wortfolgen eingesetzt werden können
  • Semantik – diese Komponente definiert die Richtigkeit der verwendeten Folgen, sodass hier also definiert wird, ob die Bedeutungen mit ihrer jeweiligen Wirkung auch korrekt verbunden sind
• Latenzzeit – dieser Parameter definiert die Performance, also genauer gesagt die Zeit, die verstreicht, ab dem Beginn der Übertragung bis zum wirklichen Beginn des Empfangs. Somit sind alle Zeitverzögerungen, die beim Durchlaufen der Ebenen im OSI-Referenzmodell und während den Vorgängen zur Arbitrierung auftreten können, abgedeckt.

Die Übertragungsrate - ein elementares Merkmal zur Beschreibung von Bussystemen

Die Begrifflichkeit der Übertragungsrate spezifiziert die genaue Anzahl der Bytes, welche während einer Zeiteinheit versendet werden. Dieses Merkmal steht also für die Gesamtheit der übertragbaren Datenmengen und definiert somit eine wichtige Anforderung an ein erfolgreiches Bussystem. In der Regel wird dem Nutzer einer solchen Technik die Bruttoübertragungsrate angezeigt, die demnach alle Inhalte der Botschaft beinhaltet, was sowohl die Nutzdaten als auch Zusatzdaten miteinschließt. Um die Funktionalität des Bussystems jedoch deutlicher veranschaulichen zu können, wird typischerweise die Nettoübertragungsrate einbezogen, bei welcher ausschließlich die Nutzdaten angegeben werden.

Kurze Einführung in die Kommunikationsformen

Bei digitalen Bussystemen gibt es genau drei Arten, wie eine Kommunikation durchgeführt werden kann. Je nachdem, welche Teilnehmer während des Prozess zum Einsatz kommen, werden die Formen dann voneinander abgegrenzt. Die Differenzierung hängt damit letztlich auch mit der verwendeten Topologie grundlegend zusammen.

• Punkt-zu-Punkt- Verbindung: Diese Art der Kommunikation kann auch als Unicast-Verknüpfung bezeichnet werden, da es nur jeweils einen Sender und einen Empfänger gibt.
• Broadcast-Verbindung: Bei dieser Kommunikationsform wird seitens eines Senders eine Botschaft zum Empfangen bereit gestellt, welche an mehrere Teilnehmer des Netzwerks gleichzeitig gerichtet ist. Hierbei wird die Nachricht jedoch nicht zwangsweise auch verwertet
• Multicast-Verbindung: Bei dieser dritten und letzten Möglichkeit, mittels eines Bussystems eine Datenübertragung zu verwirklichen, kommt es wirklich zum Empfang einer gesandten Botschaft durch mehrere Teilnehmer gleichzeitig. Somit werden hier die Informationen auch tatsächlich verarbeitet.
• Wenn es darum geht, eine Kommunikation bei Systemen der Automobilbranche zu erreichen, werden in der Regel die Multicast-Kommunikation und die Broadcast-Verbindung gewählt, da für eine reine Punkt-zu-Punkt-Verknüpfung in diesem Falle meist zu viele zu übertragene Daten vorkommen, wobei auch zu berücksichtigen ist, dass die Anforderungen, die an die Technik in einem Fahrzeug gestellt werden, stetig umfangreicher werden