AULA 09 Estruturas de Interconexão (Barramentos) II Existem algumas questões relacionadas ao desempenho do sistema e os barramentos que merecem ser destacadas. 1. a quantidade de dispositivos conectados ao barramento pode influenciar no desempenho do sistema. Normalmente, quanto maior a quantidade de dispositivos maior é o comprimento do barramento e assim, maior o atraso dos sinais para se deslocar por toda a extensão da estrutura de interconexão. 2. quando a demanda por transferência de dados via barramento se aproxima da capacidade máxima de transferência do mesmo a estrutura de interconexão pode se tornar um gargalo. Para tentar diminuir estes problemas as arquiteturas acabam utilizando uma estrutura hierárquica de barramentos: barramento local, de sistema, de alta velocidade, de expansão, etc. Os barramentos de alta velocidade é uma opção para conectar periféricos mais rápidos, que demandam maior taxa de tranferência, como por exemplo: redes fast ethernet, discos scsi e controladoras de vídeo. Projeto de Barramentos Podemos definir alguns elementos que são comuns aos barramentos apesar da diversidade de fabricantes e implementações do mesmo. 1. Tipos de Barramentos: em relação as linhas que formam um barramento podemos dizer que elas podem ser: dedicadas ou multiplexadas. Linhas Dedicadas: tem uma funcionalidade fixa ou está associada a um subconjunto de componentes físicos de um computador. Exemplo: linhas específicas para dados, para endereços e para sinais de controles. Linhas Multiplexadas: permite a utilização de uma mesma linha do barramento para diferentes propósitos. Um esquema muito utilizado é a multiplexação de tempo, onde transmissão de dados e endereços alternam o uso do barramento durante intervalos de tempos. A principal vantagem deste tipo de barramento é a economia com de espaço com os barramentos e, consequentemente, custos. Prof. Msc. Jean M. Laine 1
2. Métodos de Arbitração: mecanismos de arbitração do uso do barramento são necessários para controlar seu uso já que vários componentes podem compartilhar um mesmo canal de comunicação e, assim, desejar transmitir informações pela estrutura no mesmo instante de tempo. Os métodos utilizados para este controle são classificados em: centralizados e distribuídos. Centralizados: existe um controlador de barramento (dispositivo físico que pode ser independente ou até mesmo implementado pelo próprio processador) responsável por permitir a cada componente fazer uso do mesmo por um determinado período de tempo. Distribuídos: cada módulo do sistema contém uma lógica de controle de acesso ao barramento e com isso, deve existir uma decisão conjunta entre os componentes para controlar o uso do barramento. 3. Temporização: faz referência ao modo como as operações/eventos acontecem no barramento. Basicamente, temos um esquema de transmissão síncrona e outro assincrona. Síncrona: a ocorrência dos eventos é determinada por um relógio (clock) que tem seu sinal transmitido por uma linha específica do barramento. Este relógio é caracterizado por uma seqüência de 0s e 1s que se alternam em intervalos de tempo de mesma duração. Conhecemos como ciclo de relógio ou ciclo de barramento uma transmissão de um 1 e de um 0. Desse modo, todos os eventos que acontecem no barramento devem, obrigatoriamente, começar no início do ciclo do relógio. Além disso, a maioria dos eventos duram exatamente o tamanho de um ciclo de barramento. Assíncrona: a ocorrência de um evento no barramento depende da ocorrência de outro evento anterior. Prof. Msc. Jean M. Laine 2
Tipos de Barramentos Podemos identificar diferentes tipos de barramentos de entrada/saída pela sua arquitetura. Os principais tipos são: - ISA (8 e 16 bits) Industry Standard Architecture - EISA Extended Industry Standard Architecture - VESA Local Bus - Video Electronics Standards Association - PCI Peripheral Component Interconnect Prof. Msc. Jean M. Laine 3
- AGP - Accelerated Graphics Port - USB Universal Serial Bus - FireWire IEEE 1394 As diferenças principais em relação a cada um deles é a quantidade de dados que cada um consegue transferir e a velocidade de transferência das informações. O maior problema em relação aos barramentos de expansão é a velocidade. Embora a maioria dos periféricos utilizados no micro tenham uma velocidade lenta de transmissão (como a impressora, o mouse, a unidade de disquete, a unidade de CD-ROM e o teclado), alguns periféricos são bastante prejudicados pela baixa velocidade dos barramentos de expansão, tais como: vídeo, discos rígidos e interfaces para rede local. Nas placas-mãe integradas, mesmo os periféricos on-board se comunicam através de uma extensão do barramento de expansão, e não acessam o barramento local como poderíamos supor. Por isso, os periféricos são tratados como se eles estivessem conectados a um dos slots de expansão. Em um barramento local típico de 64 bits (largura do barramento de dados) operando a uma freqüência de 66 MHz, a taxa de transferência máxima entre o processador e a memória (RAM e cache) será de 528 MB/s (64 bits x 66 milhões / 8). (divide por 8 para transformar de bit para byte). Ter um barramento local operando com freqüências mais elevadas gera um ganho real de desempenho no micro, uma vez que o processador se comunica com a memória RAM a todo o momento. Portanto, aumentar a velocidade dessa comunicação significa buscar as informações (inclusive instruções de programa) de forma mais rápida e, consequentemente, aumentar a velocidade do micro como um todo. Prof. Msc. Jean M. Laine 4
Barramento PCI Diferentemente dos demais barramentos apresentados, o PCI não se prende a nenhum tipo de processador específico. As especificações foram lançadas em Junho de 1992 e atualizadas em Abril de 1993. Por não estar preso a um tipo de processador, não existe problemas para que os futuros processadores utilizem o barramento PCI. Não só o PCI não é dependente de processador quanto de plataforma. Muitos micros não-pc, como o PowerMac, utilizam o barramento PCI. Esses micros podem utilizar qualquer tipo de placa PCI sem o menor problema de compatibilidade. PCI de 32 bits Prof. Msc. Jean M. Laine 5
A interligação do barramento local com o PCI é feita através de uma ponte barramento local- PCI. No caso da interligação do barramento PCI com o ISA, há uma ponte PCI-ISA. Uma ponte é um circuito capaz de converter sinais e protocolos de um tipo de barramento para outro. Em um PC típico, possuímos somente essas duas pontes, também chamadas de ponte norte e ponte sul, respectivamente. Pelo fato do slot PCI ser um slot a parte, sem nenhum contato com o slot ISA, como ocorria no EISA e no VLB isso pode ser visto como um problema. Contudo, obtemos um desempenho muito maior nesse tipo de barramento. Encontramos vários modelos de barramento PCI, podendo ser diferenciados de acordo com o tamanho de seu barramento de dados (que pode ser de 32 ou 64 bits) e com a sua freqüência de operação máxima (33 ou 66 Mhz). PCI de 64 bits Na figura acima podemos ver um PCI de 32 bits, outro de 64 bits e um slot ISA. O barramento PCI utiliza um esquema síncrono de transferência de dados e um esquema de arbitração centralizado. Além disso, o PCI inclui 32 linhas multiplexadas no tmepo para endereços e dados. Prof. Msc. Jean M. Laine 6
Barramento ISA O barramento ISA foi inserido em 1981 no IBM PC (8 bits). Com a chegada do micro AT da IBM, o barramento e o slot ISA aumentaram de tamanho, de forma a acompanhar as características do processador 80286. O barramento tinha as seguintes especificações: 1. Barramento de dados de 16 bits 2. Barramento de endereços de 24 bits 3. Freqüência de operação de 8 MHz Barramento EISA O processador 386DX pode transferir 32 bits de dados de uma só vez e o barramento ISA apenas está preparado para um máximo de 16 bits. O novo padrão de barramento criado foi denominado EISA (Extended Industry Standard Archicteture), totalmente compatível como antigo ISA. O barramento EISA tem as seguintes características: 1. Barramento de dados de 32 bits 2. Barramento de endereços de 32 bits 3. Freqüência de operação de 8 MHz Neste novo barramento, as linhas adicionais de dados, controle e endereços, que não existiam no ISA foram colocadas entre os contatos convencionais, fazendo com que o slot EISA fosse compatível tanto com interfaces ISA quanto EISA. Prof. Msc. Jean M. Laine 7
Barramento VLB O VESA Local Bus (VLB) (popular entre os anos de 1992 e 1994) era uma arquitetura aberta e manteve total compatibilidade com o barramento ISA. Estes e outros motivos contribuiram para o sucesso do padrão VLB. O barramento VLB é conectado diretamente ao barramento local. Portanto, a freqüência de operação do VLB é igual à freqüência de operação do barramento local. Em um micro 486DX4-100, o barramento VLB trabalhará a 33 MHz, igualmente ao barramento local da placa-mãe. O barramento VESA Local Bus tem as seguintes características: 1. Barramento de dados igual ao do processador 2. Barramento de endereços de 32 bits 3. Freqüência de operação igual à do barramento local. O projeto do barramento VLB não deu certo pois este barramento foi criado para processadores da família 486, onde o barramento local operava a 32 bits e 33 MHz. Quando o Pentium foi lançado, esse padrão de barramento não era compatível com seu barramento local (que operava a 64 bits e 66 MHz). Assim cada mudança no barramento local que fosse feita, uma nova versão do barramento VLB seria necessária. Barramento USB O barramento USB representa um grande avanço para os PCs. O USB é um barramento para periféricos onde através de uma único plug na placa mãe, todos os periféricos externos podem ser encaixados, podendo chegar até 127 dispositivos diferentes. Dessa forma, inúmeros problemas como necessidade de placas auxiliares de controle de dispositivos externos são eliminados. A grande vantagem é que o prórpio usuário pode instalar um novo perférico, sem a menor possibilidade de gerar algum tipo de conflito ou danificar uma placa. O barramento USB trabalha basicamente com duas taxas de transferências: 12Mbps (destinada a periféricos que exigem maior velocidade como câmeras digitais) e 1,5bps (para periféricos mais lentos como mouse). Este tipo de barramento está disponível em placas mais recentes pois necessita de uma controlador USB para realizar toda a transferência. Barramento AGP O AGP (Accelerated Graphics Port) é um barramento que foi projeto especificamente para conectar placas de vídeo a motherbord. Foi criado com dois grandes objectivos: Prof. Msc. Jean M. Laine 8
1. Libertar do barramento PCI os dados relativos à placa gráfica, permitindo que este ficasse com mais recursos para outras tarefas. 2. Ter mais largura de banda para a placa gráfica, melhorando assim o seu desempenho. Barramento AGP A taxa de transferência máxima atingida pelo barramento é de 1064Mbytes/sec. Bibliografia [1] STALLINGS, W. Arquitetura e Organização de Computadores, 5ª Edição, Prentice Hall, São Paulo, 2002. (Cap. 3) [2] SOUSA, J. N. Barramento de Computadores Pessoais. Faculdade de Eng. da Universidade de Porto. Prof. Msc. Jean M. Laine 9