SSC0112 Organização de Computadores Digitais I

Transcrição

1 SSC0112 Organização de Computadores Digitais I 27ª Aula Barramento Profa. Sarita Mazzini Bruschi sarita@icmc.usp.br 1

2 Pontos Importantes CPU, memória e módulos de E/S necessitam estar conectados trocam dados e sinais de controle meio de interconexão mais comum hoje: barramento compartilhado com hierarquia Elementos chave dos barramentos largura do barramento nr de linhas para endereço e dados temporização síncrono ou assíncrono arbitragem centralizada ou distribuída

3 Barramentos Caminho físico de comunicação entre dois ou mais dispositivos Meio de transmissão compartilhado Comunicação com sucesso implica que apenas um dispositivo pode transmitir sinais pelo barramento a cada instante Barramentos podem ser simples ou de estrutura múltipla Barramento de controle/endereço/dados (PC) 3

4 Estrutura do Barramento Um barramento de sistema (barramento utilizado para conectar os componentes principais de um computador) contém, tipicamente, de 50 a 100 linhas distintas Três grupos funcionais: Linhas de dados Linhas de endereço Linhas de controle 4

5 Estrutura do barramento 5

6 Estrutura física do barramento Com o que se parece um barramento? condutores elétricos em um circuito impresso substituem um conjunto de fios que ligam dispositivos normalmente condutores estão impressos na placa mãe contam com conectores perpendiculares às linhas ex.: PCI (Peripherical Component Interconnect) uma estrutura física comum para barramento: 6

7 Transmissão de dados Barramento de dados Neste nível, não existe diferença entre dados e instruções Largura (quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo) apresenta grande influência no desempenho: 8, 16, 32, ou 64 bits 7

8 Barramento de endereço Essas linhas identificam a origem e o destino dos dados transferidos pelo barramento de dados Exemplo: leitura de uma palavra na memória A largura do barramento de endereço determina a capacidade máxima da memória Endereça também portas de E/S 8

9 Barramento de controle Controla o acesso às outras linhas Transmite comandos e sinais de temporização Escrita/Leitura na memória Escrita/Leitura em porta de E/S ACK de transferência Solicitação (bus request) / Concessão (bus grant) do barramento Requisição (interrupt request) / ACK de Interrupção Relógio Reset 9

10 Barramentos Conexão ideal: ponto a ponto necessidade de interligação de diferentes partes de computadores onde a transferência de dados era necessária principalmente CPU-MEMÓRIA-PERIFÉRICOS ligação ponto-a-ponto Terminal Impressora CPU Disco Memória Desvantagem: caro e complicado 10

11 Histórico Barramentos Ligação através de barramentos ou dutos Barramento comum Todos os dispositivos ligados ao mesmo barramento Memória CPU Disco Terminal 11

12 Barramento comum Problemas: Muitos dispositivos conectados a um único barramento Maior número de dispositivos, maior o comprimento e maior o atraso na propagação dos sinais (determinando o tempo para que um dispositivo obtenha o controle do barramento) Falta de paralelismo Solução: Utilização de múltiplos barramentos (hierarquia) 12

13 Histórico Barramentos Solução adotada principalmente pela DEC (máquinas históricas: PDP 11/45 e PDP 11/70) é o uso de vários barramentos 13

14 Barramentos Histórico Estas ideias antigas continuam sendo utilizadas até o presente nas máquinas atuais, com melhorias proporcionadas pelo avanço da tecnologia eletrônica 14

15 Hierarquia de Barramentos Barramento do Processador Utilizado pelo microprocessador para enviar dados dentro do processador Barramento de Cache Utilizado por organizações mais recentes, é um barramento dedicado para acesso à memória cache 15

16 Hierarquia de Barramentos Barramento da Memória (System Bus) Conecta a memória ao processador Barramento de E/S local (High Speed Bus) Barramento de alta velocidade utilizado para conectar processador, memória com dispositivos de E/S com desempenho crítico (placas de vídeo, dispositivos para armazenamento de dados, redes de alta velocidade, etc.) 16

17 Hierarquia de Barramentos Barramento de E/S padrão (Expansion Bus) Barramento utilizado para conectar os dispositivos de E/S mais lentos (mouse, modem, placa de som, redes de baixa velocidade, etc.) 17

18 Barramentos de E/S locais: VLB - VESA Local Bus PCI AGP Barramentos de E/S padrão: Tipos de Barramentos de E/S ISA - Industry Standard Architecture EISA - Extended Industry Standard Architecture 18

19 ISA (com cache) 19

20 Barramento de alto desempenho 20

21 PCI 21

22

23 Conceitos Gerais Mestres: ativam a transferência de informação no barramento N de Mestres: pode haver mais de um deve haver um esquema para relacionar qual usa o barramento Uso do Barramento: somente 1 mestre pode ativar transferências no barramento em um dado instante Escravos: recebem informação enviada pelo mestre. Pode haver n escravos ativos no sistema 23

24 Conceitos Gerais Troca de informação (Transação): um ou mais escravos podem ser selecionados por um mestre: Mestre endereça escravo Escravos comparam o endereço do barramento com o próprio endereço Quando o endereço coincide escravo se conecta ao barramento Durante a conexão Mestre-Escravo(s) troca de informações Ao final, o mestre quebra a conexão com os escravos Mestre pode liberar o barramento ou iniciar outra transação. 24

25 Quem são Mestres e Escravos? Conceitos Gerais Depende do contexto, um subsistema pode ser tanto Mestre como Escravo, mas nunca os dois ao mesmo tempo. Transações entre Mestre-Escravo (M-E) endereços dados controle (temporização, por exemplo) 25

26 Elementos de projeto de barramentos Tipo: Dedicado Multiplexado Método de arbitragem Centralizado Distribuído Temporização Síncrona Assíncrona 26

27 Elementos de projeto de barramentos Largura do barramento Endereço Dados Tipo de transferência de dados Leitura Escrita Leitura-modificação-escrita Leitura-após-escrita Em bloco 27

28 Tipos de barramentos Dedicado: Linhas separadas são utilizadas para transferência de dados e endereços Exemplo: barramento de E/S Vantagem: alta taxa de transferência Desvantagem: maior custo e tamanho Multiplexado: As linhas são compartilhadas para a transmissão de dados, endereços e controle Sinal de controle: endereço válido Vantagem: poucas linhas Desvantagens: unidades mais complexas e redução do desempenho 28

29 Tipos de barramentos Internos a CPU ligam UC às unidades funcionais Externos a CPU ligam o processador à memória e aos dispositivos de E/S 29

30 Método de arbitragem Mais de um módulo controlando o barramento P.e., CPU e controlador de DMA. Apenas um módulo pode controlar barramento de uma só vez. Necessidade de arbitragem para que não exista colisão Arbitragem pode ser centralizada ou distribuída. 30

31 Método de arbitragem - Centralizada Árbitro: controlador de barramento Dispositivo de hardware: controlador de barramento Responsável por alocar tempo de utilização do barramento a cada módulo do sistema Exemplo: PCI 31

32 Método de arbitragem - Centralizada Como funciona: Mestre pede o uso do barramento Árbitro reconhece (aloca o barramento) ou não, dependendo das regras de prioridade. Prioridade: Por exemplo: o barramento é sempre alocado ao mestre com mais alta prioridade Pode causar problemas monopólio 32

33 Método de arbitragem - Centralizada Round-Robin: O barramento é dado aos mestres de modo cíclico (cada vez um). Prioridade Variante: aumenta-se a prioridade de um mestre toda vez que o pedido é negado retorna ao valor inicial quando é atendido. 33

34 Método de arbitragem - Distribuída Mais de um módulo pode controlar o barramento, sendo que os módulos agem de forma conjunta para compartilhar o barramento A escolha do mestre é feita de maneira distribuída No ciclo de arbitragem, cada mestre querendo usar o barramento coloca nas linhas de arbitragem o seu código, que passa por um processo de comparação e gera-se um diagnóstico final Se um dado mestre possui a prioridade mais alta, o barramento será garantido a ele. 34

35 Método de arbitragem - Distribuída 35

36 Temporização Modo pelo qual os eventos são coordenados no barramento Deve haver um sincronismo para indicar a validade da informação 36

37 Temporização Um ciclo do barramento transferência completa Vários ciclos de clock para 1 transferência Cada ciclo de clock envolve algum tipo de sincronismo para validar as informações Sincronismo pode ser: Barramentos Síncronos (Periódicos) Barramentos Assíncronos (Aperiódicos) 37

38 Síncrona: Temporização - Síncrona Ocorrência de eventos determinada por um relógio O barramento deve iniciar uma transmissão no início de um ciclo de relógio Validade dos sinais envolvidos seguem diagrama temporal fixo 38

39 Temporização - Síncrona Todos os dispositivos podem ler a linha de clock normalmente sincronização ocorre na transição de subida do clock transições não ocorrem em um instante de tempo nulo normalmente são representadas por linhas não perpendiculares 39

40 Diagrama de Tempo Síncrono 40

41 Assíncrona: Temporização - Assíncrona Ocorrência de um evento no barramento depende da ocorrência de um evento anterior Validade dos sinais é obtida através de uma troca de sinais de controle entre Mestre e Escravo (handshake) e o ciclo do barramento será variável no tempo 41

42 Temporização - Assíncrona 42

43 Transferência de dados Objetivo de uma TRANSAÇÃO Troca de dados entre Mestre e Escravos A transferência pode ser Mestre Escravo (escrita) Mestre Escravo (leitura) Geralmente 1 único conjunto de linhas de dados bidirecional é usada tanto para escrita como para leitura Os tipos de transferências, incluindo a direção, são definidos pela linha de controle 43

44 Três tarefas no barramento Arbitragem (A) Endereçamento (B) Transferência dos dados (C) Transferência de dados 44

45 Transferência de dados Transferência de Bloco de Dados Arbitragem Endereçamento Bloco de dados (leitura ou escrita) Permite altas taxas de transferência Read Modify Write RMW Arbitragem Endereçamento Leitura Escrita Indivisível 45

46 Transferência de dados Read After Write RAW Arbitragem Endereçamento Escrita-Leitura Indivisível Verificação da informação escrita Split Transfer Permite a divisão da transferência quando um dado não está disponível no momento Exige mecanismos de controle para reativar uma transação bloqueada 46

47 Transferência de dados Read Write RMW Ciclo de leitura Ciclo de escrita Ciclo de endereçamento RAW Block... Split t 47

48 Barramento de dados: Largura do barramento A largura tem impacto no desempenho do sistema: quanto maior a largura do barramento de dados, maior o número de bits transferido de uma vez Barramento de endereço: A largura tem impacto sobre a capacidade do sistema: quanto maior a largura do barramento, maior é o número de posições de memória que podem ser endereçadas 48

49 Bandwidth do Barramento Também chamado throughput Mbytes/s Refere-se a soma total de dados que pode ser, teoricamente, transferida em um barramento em uma dada unidade de tempo Sobrecargas de comandos, endereçamentos, etc. impedem a maioria dos barramentos de atingir bandwidth nominal 49

50 Velocidade do Barramento Quantos bits de informação podem ser enviados em cada segundo - MHz Maior parte dos barramentos transmitem 1 bit de dado por linha por ciclo de clock Barramentos de alto desempenho mais de 1 bit Barramentos antigos 2 pulsos de clock para 1 bit 50

51 Velocidade do Barramento Analogia estrada com 4 faixas com carros a uma velocidade de 100Km/hora. Largura do barramento numero de faixas Velocidade do barramento velocidade dos carros bandwidth do barramento no. de faixas X velocidade Reflete a soma de tráfego que a estrada pode suportar por hora 51

52 Barramentos de E/S Hierarquia Processador / Memória (System Bus) Cache E/S local (alta velocidade) E/S padrão (expansão) 52

53 Barramentos de E/S padrão: Tipos de Barramentos de E/S ISA - Industry Standard Architecture EISA - Extended Industry Standard Architecture Barramentos de E/S locais: VLB - VESA Local Bus PCI AGP 53

54 ISA (Industry Standard Architecture) Origem junto com 8088 Barramento de dados com 8 bits Velocidade de 4,77MHz 1984 (IBM AT Intel 80286) Barramento de dados com 16 bits Barramento de endereço com 24 bits Velocidade de 8MHz Imutável desde 1984 Compatibilidade 1 slot de 8 bits e 5 slots de 16 bits Placa Ethernet 16 bits 54

55 MCA (Micro Channel Architecture) IBM fazendo algo melhor e maior Dx, com 32 bits 1987 Melhorias Barramento de 32 bits Bus Mastering comunicação direta com a memória Plug and Play Fracasso... Incompatível com ISA Proprietário 55

56 EISA (Extended ISA) Criado por um grupo (Compaq, AST, Epson, HP, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse e Zenith) Contra ataque da Compaq ao MCA da IBM Características: Compatível com o ISA Barramento de dados de 32 bits Bus Mastering Plug and Play Não encontrado em sistemas desktop Mais caros Poucas placas EISA disponíveis Baixa performance comparado com VESA e PCI 56

57 VESA Local Bus (VLB) O primeiro barramento local a ganhar popularidade Introduzido em 1992 VESA Video Eletronics Standards Association Objetivo: aumentar o desempenho dos vídeos no PC 57

58 VESA Local Bus (VLB) Barramento de 32 bits a 33 MHz Extensão direta do barramento do processador/memória do 486 Expansão do ISA Slot 16 bits do ISA e mais 2 slots conectados no fim Caiu em desuso com o Pentium Imposição do PCI pela Intel Projeto amarrado no Não suporta bus mastering 58

59 Conectores 59

60 PCI (Peripheral Component Interconnect) Padrão introduzido pela Intel em 1990 Feito para o Pentium Intel abriu a patente como domínio público e coordenou uma associação de indústrias Barramento de E/S mais utilizado Projetado para suportar single e multiprocessadores Existe uma ponte (bridge) entre o barramento de sistema e o barramento PCI e também uma ponte para a ligação entre PCI-ISA Barramento de dados: 32 ou 64 bits 60

61 Arbitragem Centralizada - PCI Árbitro Disp_A Disp_B 61

62 Temporização - PCI Mestre Escravo 62

63 PCI Express Cada periférico possui um canal exclusivo de comunicação com o chipset Comunicação serial Pode-se ter vários caminhos (lanes) de dados entre o chipset e o dispositivo Nomenclatura 1x (1 lane), 4x (4 lanes), 8x (8 lanes), 16x (16 lanes) e 32x (32 lanes) Ponto a ponto Pode ser chamado de barramento? 63

64 PCI Express Stallings, 10ª edição 64

65 AGP (Accelerated Graphics Port) Surgiu no final de 97 para dar largura de banda para subsistema de vídeo e memória de vídeo Memória de vídeo cara e limitada Processador da placa de vídeo acessa memória do sistema para fazer cálculos Interface simples e rápida entre vídeo e processador do sistema, e só entre eles Isolado do resto do sistema 65