Arquitetura de Computadores - Barramentos e Estruturas de Interconexão por Helcio Wagner da Silva
Barramentos Para que servem: Integrar os diferentes componentes da placa-mãe Permitir instalação de placas de expansão Evoluíram de forma expressiva nas últimas décadas ISA, portas seriais, etc PCI Express, USB 2.0, etc Imagine uma placa de rede Gigabit Ethernet (1 Gbps 125 MB/s) conectada em um barramento ISA (5 MB/s) Seriam usados apenas 4 % da capacidade nominal da placa 2
Algumas Estruturas de Conexão Portas serial Porta paralela Interfaces IDE Interfaces SATA Barramentos SCSI Barramentos ISA Barramentos MCA Barramentos EISA Barramentos VLB Barramentos PCI Barramentos PCI-X Barramentos AGP Barramentos PCI Express Barramentos USB 3
Porta Serial (COM) Conexão de mouse, p.ex. Transmite 1 bit por vez Mais antiga e comum Padrões RS-232 (mais antigo) Até 20 Kbps RS-422 (mais atual) Até 115 Kbps Mais imune a ruídos Infravermelho é uma porta serial Até 4 Mbps Porta serial 4
Porta Paralela (LPT) Conexão de impressoras Transfere oito bits de uma só vez Taxas de transmissão eram limitadas em 50 Kbps Padrão atual) IEEE 1284 (mais EPP (Enhanced Paralell Port) ECP (Enhanced Port) Capabilities Taxas de transmissão superiores a 8 Mbps Padrão permite ainda a compatibilidade com o SPP (Standard Paralell Interface) Porta paralela 5
Interfaces IDE Padrão no qual a controladora (módulo de E/S) é integrada ao disco IDE significa Integrated Drive Eletronics Em 1990, o padrão foi ratificado pelo ANSI, que o denominou ATA (AT-Attachment) A denominação original seria PC-ATA, mas foi modificado haja vista critérios de marca registrada Inicialmente, a IDE prestava-se apenas à conexão de HDs Leitores de CD eram conectadas através de interfaces proprietárias Isso mudou a partir da criação do protocolo ATAPI (AT Attachment Packet Interface) Leitores de CD passaram a ser conectados na interface IDE 6
Interfaces IDE Tipicamente, uma placa-mãe contém duas portas IDE, a primária e a secundária Em cada uma delas podem ser conectados até dois dispositivos A conexão se dá através de cabos flat Para diferenciar dois dispositivos instalados na mesma porta, um dos dispositivos é configurado como mestre e o outro como escravo 7
Interfaces IDE Apesar dos nomes, não há nenhuma relação de hierarquia entre os dispositivos definidos como mestres e os dispositivos escravos Quando dois dispositivos compartilham uma mesma porta IDE, tem-se um barramento compartilhado Obviamente, há uma degradação do desempenho Havendo apenas um dispositivo por porta, ele deverá ser conectado ao conector da extremidade do cabo A conexão do dispositivo no conector do meio do cabo fará com que o cabo fique sem terminação e os dados voltem sob a forma de interferência 8
Interfaces IDE As interfaces antigas utilizavam a técnica de E/S Programada (PIO Programmed I/O). Mais especificamente: PIO mode 0: 3.3 MB/s PIO mode 1: 5.2 MB/s PIO mode 2: 8.3 MB/s PIO mode 3: 11.1 MB/s PIO mode 4: 16.6 MB/s 9
Interfaces IDE As interfaces atuais utilizam o DMA como técnica de E/S Mais especificamente: ATA-4 (Ultra ATA/33, UDMA 33): 33 MB/s ATA-5 (Ultra ATA/66, UDMA 66): 66 MB/s ATA-6 (Ultra ATA/100, UDMA 100): 100 MB/s ATA-7 (Ultra ATA/133, UDMA 133): 133 MB/s A partir do ATA/66, são utilizados cabos de 80 vias Possuem o mesmo conector do cabo de 40 vias Vias adicionais são fios terra para cancelamento de ruído 10
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Interfaces SATA Padrão criado para substituir as interfaces IDE Utiliza transmissão serial (SATA = Serial ATA), enquanto IDE usa transmissão paralela A taxa de transferência máxima do padrão original é de 150 MB/s Contra os 133 MB/s de um disco IDE A evolução para o padrão SATA II trouxe novos recursos: tecnologia NCQ (Native Command Queuing) taxa de transferência de 300 MB/s 12
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Interfaces SATA Cabo SATA é formado por dois pares de fios: um para transmissão e outro para recepção No padrão IDE, há um único caminho de dados compartilhado entre a transmissão e a recepção Utiliza a técnica da transmissão diferencial para cancelamento de ruídos O conector SATA possui apenas sete pinos e o cabo possui apenas sete vias O conector IDE possui 40 pinos e o cabo possui 40 ou 80 vias O padrão SATA define também um novo conector de alimentação de 15 pinos, sendo usados cinco fios O conector de alimentação IDE possui apenas 4 pinos, sendo usados 4 fios 14
Interfaces SATA Sinal é transmitido de forma espelhada Ruído é calculado como a diferença entre os componentes +TD e TD, sendo reconhecido e descartado no receptor 15
Interfaces SATA Pinagem do conector: Pino Função 1 Terra 2 A+ 3 A- 4 Terra 5 B- 6 B+ 7 Terra 16
Interfaces SATA Cabo SATA 17
Interfaces SATA Cabo SATA Cabo IDE De 80 vias 18
Interfaces SATA Portas SATA Portas IDE 19
Conector de alimentação SATA Pino Função 1 +3,3V 2 +3,3V 3 +3,3V 4 Terra 5 Terra 6 Terra 7 +5V 8 +5V 9 +5V 10 Terra 11 Reservado/Terra 12 Terra 13-12V 14 +12V 15 +12V 20
Interfaces SATA 21
Interfaces SATA Conector de Dados SATA Conector de Alimentação SATA 22
Interfaces SATA Uma porta SATA permite, à princípio, a instalação de apenas um dispositivo Instalação mais fácil de um dispositivo Problemas na instalação de vários dispositivos Instalação de 16 HDs em um servidor (rack externo) requererá 16 portas SATA, por exemplo Multiplicadores de Porta: Permitem a instalação de até 15 dispositivos em uma mesma porta SATA Capacidade de transferência é dividida entre os dispositivos 23
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Barramentos SCSI SCSI = Small Computer Systems Interface - Interface para Sistemas Computacionais de Pequeno Porte A SCSI original (SCSI-1) data do início da década de 80 Possuía oito linhas de dados e operava a uma freqüência de clock de 5 MHz taxa de transferência de 5 MB/s Permitia a conexão de até sete dispositivos em uma cadeia circular (daisy chain) 26
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Barramentos SCSI Embora presente hoje também em discos IDE, a técnica RAID foi utilizada inicialmente em discos SCSI RAID = Redundant Array of Independent Disks (Arranjo Redundante de Discos Independentes) Anteriormente, RAID significava Redundant Array of Inexpensive Disks Há vários tipos de RAID, cada qual com sua finalidade 28
RAID 0 Voltado para a melhoria do desempenho Dados escritos em seções seqüenciais dos discos Vários dispositivos acessados de uma só vez Não é voltado para tolerância à falhas 29
RAID 1 Dados são escritos em um ou mais discos Também chamado de espelhamento Redundância provê tolerância a falhas Desempenho ruim se comparado ao RAID 0 30
RAID 2 Dados são escritos em seções seqüenciais dos discos, no nível de bit Discos extras contêm Códigos de Hamming, no nível de bit, para detecção e correção de erros São necessários vários discos de ECC 31
RAID 3 Dados são escritos em seções seqüenciais dos discos, no nível de bit Há apenas um disco extra, contendo um bit de paridade Atendimento a solicitações simultâneas (leitura/escrita de duas ou mais palavras) é impossível Palavra de 32 bits 32
RAID 4 Similar ao RAID 3, mas agora dos discos de dados são organizados no nível de bloco Disco de paridade é um gargalo para atendimento a solicitações simultâneas Palavras de 32 bits Leitura/escrita 33
RAID 5 Bits de paridade são distribuídos de maneira uniforme por todos os discos Diminui a ocorrência de gargalos no atendimento a solicitações simultâneas Palavras de 32 bits Leitura/escrita 34
RAID 6 Provê um bloco de paridade adicional Usa Códigos Reed-Solomon para proteção contra erros em dois discos 35
RAID 10 Combinação de RAID 0 e de RAID 1 Permite um melhor desempenho que o RAID 5 não é preciso fazer um escrita extra Requer mais espaço em disco que o RAID 5 36
Barramentos SCSI Em 1991, foi introduzido o SCSI-2 Principais alterações: Expansão das linhas de dados para 16 ou 32 bits (Wide SCSI) Aumento da freqüência de clock para 10 MHz (Fast SCSI) taxas de transferência de 20 MB/s ou 40 MB/s Conexão de até 15 dispositivos Uso da transmissão diferencial Tamanho máximo do cabo estendido de 6 m para 25 m Cabos flat IDE medem 45 cm 37
Barramentos SCSI Principais alterações promovidas pelo SCSI-2 (cont.) Enfileiramento de comandos Permite um dispositivo aceitar vários comandos concorrentes, vindos de vários outros dispositivos Novo conjunto de comandos Extensão do conjunto antigo de comandos Novos dispositivos (scanners, drives de CD, etc) foram então suportados Conjunto antigo era focado no uso apenas de HDs 38
Barramentos SCSI SCSI-3 é, na verdade, um conjunto de padrões Os documentos SCSI-3 são classificados em três categorias: Comandos Grupos de comandos para todos os dispositivos e/ou dispositivos específicos Protocolos Regras para comunicação entre dispositivos Conectores Métodos de sinalização e modos de transferência 39
Tipo Largura Clock Taxa Disp. Tam. Tam. HVD Tam. LVD SCSI-1 8 5 MHz 5 MB/s 8 6 m - 25 m Fast SCSI 8 10 MHz 10 MB/s 8 1.5-3 m - 25 m Fast Wide SCSI 16 10 MHz 20 MB/s 16 1.5-3 m - 25 m Ultra SCSI 8 20 MHz 20 MB/s 8 1.5-3 m - 25 m Ultra Wide SCSI Ultra2 SCSI Ultra2 Wide SCSI Ultra3 SCSI Ultra-320 SCSI Ultra-640 SCSI 16 20 MHz 40 MB/s 16 1.5-3 m - 25 m 8 40 MHz 40 MB/s 8-12 m 25 m 16 40 MHz 80 MB/s 16-12 m 25 m 16 40 MHz 160 MB/s 16-12 m - 16 80 MHz 320 MB/s 16-12 m - 16 160 MHz 640 MB/s 16-12 m - 40
Barramentos ISA O ISA (Industry Standard Architecture) foi o primeiro barramento de expansão usado em PCs Existiam duas versões: Slots de 8 bits, usados pelos primeiros PCs O 8088, apesar de trabalhar internamente com 16 bits, comunicava-se com os periféricos a 8 bits No IBM PC, μp e barramento operavam a 4,77 MHz; no PC XT, ambos operavam a 8,33 MHz Slots de 16 bits, usados a partir dos PCs 286 41
Barramentos ISA Contatos usados em placas de 8 e 16 bits Contatos usados apenas em placas de 16 bits (preservação da compatibilidade) 42
Barramentos ISA Os slots ISA possuem 98 contatos! 16 são para troca de dados 82 são para endereçamento, alimentação, sinal de clock, solicitação de interrupção, etc 43
Barramentos ISA Eram muito lentos São necessários tempos de espera entre uma transferência e outra Na prática, o barramento funciona à metade da freqüência nominal Em barramentos de 16 bits operando a 8,33 MHz, a taxa de transferência é de apenas 8,33 MB/s Considerando alguns outros tipos de overhead, a taxa de transferência cai para 5 MB/s, aproximadamente 44
Barramentos ISA Freqüente a presença de jumpers para definição de endereços de E/S, solicitação de interrupção (IRQ) e DMA usados pela placa Era necessário extremo cuidado para se evitar conflitos de hardware Por exemplo, dois ou mais periféricos usando o mesmo endereço de E/S Desconforto eliminado pelo ISA plug and play Configuração de endereços feita pelo BIOS durante a inicialização do computador O BIOS verifica quais endereços estão ocupados e atribui outros endereços aos novos periféricos instalados 45
Barramentos MCA Com o surgimento do 80386 (que trabalhava com 32 bits) e de periféricos mais rápidos, tornou-se necessário um novo barramento A primeira resposta foi o barramento MCA (Micro Channel Architecture), criado pela IBM Bastante avançado para a época: Era um barramento de 32 bits, operando a 10 MHz taxa de transferência (prática) 32 MB/s Suportava DMA Ser padrão proprietário inviabilizou a sua adoção 46
Barramentos EISA Inicialmente, as máquinas 386 e 486 eram equipadas com barramentos ISA o mesmo que equipava as máquinas 286 Elas eram conhecidas como AT 386 e AT 486 Percebia-se clara degradação de desempenho, sobretudo na edição de imagens e vídeo É nessa época que a fama das máquinas MACHINTOSH foi construída Não demorou muito para que a Compaq criasse o EISA (Extended ISA) e abrisse suas especificações O EISA também operava a 8,33 MHz, só que transferindo 32 bits e sem tempos de espera Taxa de transferência 32 MB/s 47
Barramentos EISA As dimensões do EISA são as mesmas do ISA de 16 bits, porém o slot é mais alto e possui duas linhas de contato 48
Barramentos EISA Contatos de uma placa EISA Slot EISA 49
Barramentos VLB O EISA acabou tendo vida curta, pois em 1993 surgiu o barramento VLB (VESA Local Bus) O VLB é um padrão aberto para transferência de 32 bits numa freqüência de 33 MHz Taxa de transferência 133 MB/s Surgiu como um barramento próprio para conexão da placa de vídeo Foi posteriormente utilizada por outros periféricos 50
Barramentos VLB Busca pela compatibilidade com o ISA rendeulhe o apelido de Very Long Bus Era um barramento local seus contatos eram ligados diretamente aos pinos do μp μp era muito solicitado Uma máquina não podia ter mais que 3 slots VLB 51
Barramentos PCI Em 1992, foi introduzido o barramento PCI (Peripheral Component Interface) Principais características do padrão original: Largura igual a 32 bits Freqüência nominal nativa de 33 MHz Taxa de transferência = 132 MB/s Suporte nativo a plug and play e DMA Pinagem totalmente diferente do ISA Revisões no padrão dobraram a largura do barramento (32 bits 64 bits) e a freqüência nominal nativa (33 MHz 66 MHz) 52
Barramentos PCI Freqüência do sinal de clock Largura do barramento Bloco de dados transferidos / pulso de clock Taxa de Transferência 33 MHz 32 bits 1 133 MB/s 66 MHz 32 bits 1 266 MB/s 33 MHz 64 bits 1 266 MB/s 66 MHz 64 bits 1 533 MB/s Slots PCI 53
Barramentos PCI 54
Barramentos PCI-X Projetados especificamente para utilização em servidores Versão Freqüência do sinal de clock Largura do barramento Bloco de dados transferidos / pulso de clock Taxa de Transferência PCI-X 64 66 MHz 64 bits 1 533 MB/s PCI-X 133 133 MHz 64 bits 1 1.066 MB/s PCI-X 266 133 MHz 64 bits 2 2.132 MB/s PCI-X 533 133 MHz 64 bits 4 4.266 MB/s 55
Barramentos AGP AGP quer dizer Accelerated Graphical Port Lançado em 1996, com as seguintes finalidades: Acelerar o desempenho de placas de vídeo em máquinas equipadas com µp Pentium II Desafogar o barramento PCI É formado por um único slot Tecnicamente, o AGP não é um barramento é uma conexão ponto-a-ponto projetada para conexão da placa de vídeo Slots PCI Slot AGP 56
Barramentos AGP Modo de Operação Freqüência do sinal de clock Largura do barramento Bloco de dados transferidos / pulso de clock Taxa de Transferência AGP x1 66 MHz 32 bits 1 266 MB/s AGP x2 66 MHz 32 bits 2 533 MB/s AGP x4 66 MHz 32 bits 4 1.066 MB/s AGP x8 66 MHz 32 bits 8 2.133 MB/s Versão Lançamento Modos de operação Alimentação AGP 1.0 Julho de 1996 x1 e x2 3,3 V AGP 2.0 Maio de 1998 x1, x2 e x4 1,5 V AGP 3.0 Junho de 2000 x1, x2, x4 e x8 1,5 V 57
Barramentos AGP 58
Barramentos AGP Pro Criados para conexão de placas de vídeo de maior potência Slot AGP Pro é maior que o slot PCI Slot AGP comum é maior que o slot PCI 59
Barramentos AGP 60
Barramentos AGP Placa de vídeo com alimentação para 1,5V/3,3V (universal) sendo instalada em um slot AGP de 1,5V Não é possível instalar uma placa de vídeo com alimentação para 3,3V em um slot AGP de 1,5V 61
Barramentos PCI Express Com a insuficiência do PCI em suportar periféricos cada vez mais rápidos, foi lançado o barramento PCI Express (PCIe) Originalmente conhecido como 3GIO, o PCIe também não é um barramento, estritamente falando é uma conexão ponto-a-ponto Além deste, outro ponto de ruptura do PCIe em relação aos barramentos anteriores é a utilização da transmissão serial, em detrimento da transmissão paralela 62
Transmissão Paralela x Transmissão Serial 63
Por que Serial? Problemas enfrentados pela transmissão paralela em altas freqüências de clock: Interferência eletromagnética Campos eletromagnéticos gerados pela passagem de corrente em um fio geram ruído em fios adjacentes, corrompendo os sinais que eles estiverem transmitindo Atrasos de propagação diferentes Os diferentes fios em uma transmissão paralela não têm rigorosamente o mesmo tamanho. Isso faz com que os sinais transmitidos tenham atrasos de propagação diferentes 64
Por que Serial? - Interferência Eletromagnética 65
Por que Serial? - Atrasos de Propagação Diferentes 66
Barramentos PCI Express Dados são transmitidos através de pares de fios denominados pistas A transmissão é full duplex, cada pista permitindo obter até 250 MB/s em cada direção Quase o dobro do que permite o PCI! O PCIe permite combinar várias pistas, de forma a melhorar o desempenho Pode-se encontrar barramentos PCI Express com 1, 2, 4, 8, 16 e 32 pistas 67
Barramentos PCI Express 68
Barramentos PCI Express Versão PCI Express x1 PCI Express x2 PCI Express x4 PCI Express x8 PCI Express x16 PCI Express x32 Taxa de Transferência 250 MB/s 500 MB/s 1.000 MB/s 2.000 MB/s 4.000 MB/s 8.000 MB/s O PCI Express é hot plug Pode-se instalar placas PCIe mesmo com a máquina ligada Versão define o tamanho dos slots 69
Barramentos PCI Express 70
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Barramentos PCI Express Diferenças nos contatos de borda entre placas de vídeo PCI Express, AGP e PCI 72
Barramentos USB O barramento USB (Universal Serial Bus) surgiu em 1995, a partir do USB Implementers Forum A taxa de transferência do USB 1.1 ia de 1,5 Mbps ( 190 KB/s) a 12 Mbps ( 1,5 MB/s) Para dispositivos tais como mouses e webcams, isso era o suficiente Para HDs removíveis ou gravadores de DVD externos, a taxa era baixa Premido ainda pelo Firewire da Apple (400 Mbps 50 MB/s), o USB Implementers Forum lançou a versão 2.0 do USB no final de 2000 73
Barramentos USB O USB 2.0 permite uma taxa de transferência de 480 Mbps (60 MB/s) O conector continuou a ser o mesmo utilizado na versão anterior +5V dados Terra 74
Barramentos USB Permitem conectar até 127 dispositivos ao mesmo tempo Para tal, faz uso de hubs Os mais comuns são os de quatro e sete conectores permitem estender a distância máxima do dispositivo ao computador de 5 m para 30 m Requerem alimentação externa, para a conexão de vários dispositivos O USB é hot pluggable dispositivos podem ser conectados com a máquina ligada 75
Chipset Chipset é o conjunto de chips usados na placa-mãe Vários chips eram utilizados nos primeiros computadores Com o passar do tempo, os fabricantes passaram a integrar vários chips dentro de chips maiores Hoje em dia, as placas-mãe possuem apenas dois grandes chips Esses chips são denominados de Ponte Norte e Ponte Sul 76
Placa Mãe de um PC XT 77
Chipset Placa Mãe de um 486 78
Chipset A Ponte Norte também é chamada de MCH (Memory Controller Hub) Desempenha as seguintes funções: Controlador de Memória Controlador do Barramento AGP (se disponível) Controlador do Barramento PCI Express x16 (se disponível) Interface para transferência de dados com a Ponte Sul Alguns µp AMD possuem um controlador de memória embutido Em alguns casos, Barramentos PCI Express x1 também são controlados pela Ponte Norte 79
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Chipset A Ponte Sul também é denominada ICH (I/O Controller Hub) Basicamente, sua função é controlar dispositivos onboard e de E/S, tais como: Discos rígidos Portas USB Som e rede on-board Barramento PCI Barramento PCI Express (se disponível) Barramento ISA (se disponível) Relógio de Tempo Real (RTC) Memória de Configuração (CMOS) Dispositivos antigos, como controladores de interrupção e de DMA 81
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Chipset Quando o conceito de pontes passou a ser usado, a comunicação entre a Ponte Norte e a Ponte Sul era feita através do barramento PCI Quando placas de vídeo e HDs de alto desempenho foram lançados, criou-se um gargalo automaticamente Um HD ATA-133 possui a mesma taxa de transferência máxima do barramento PCI Para as placas de vídeo de alto desempenho, a solução foi a criação de um novo barramento conectado à Porte Norte o barramento AGP 83
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Chipset A solução definitiva para o problema foi encontrada com um barramento dedicado à comunicação entre as Pontes Norte e Sul Com ela, o barramento PCI ficou mais aliviado Foi a partir dessa arquitetura que a Intel deu às Pontes Norte e Sul os nomes de MCH e ICH A velocidade e o nome dados à este barramento variam de acordo com o fabricante do chipset 85
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Chipset Fabricante Intel ULi/Ali VIA SiS ATI nvidia Nome dado ao Barramento DMI (Direct Media Interface) ou Intel Hub Architecture HyperTransport V-Link MuTIOL A-Link ou PCI Express HyperTransport Alguns chipsets são formados por apenas um chip Neste caso, esse chip assume as funções da Ponte Norte e da Ponte Sul 87
Para Saber Mais Clube do Hardware www.clubedohardware.com.br Guia do Hardware http://www.guiadohardware.net 88