Barramentos
- 1. Arquitetura de Computadores – Barramentos Prof.ª Ms. Elaine Cecília Gatto Disciplina: Arquitetura de Computadores Curso: Engenharia de Computação 1
- 2. Conceitos Básicos • Definição: • “Um caminho de comunicações compartilhado consistindo em uma única linha ou uma coleção de linhas. Em alguns sistemas de computação, CPU, memória e componentes de E/S são conectados por um barramento comum. Como as linhas são compartilhadas por todos os componentes, somente um componente de cada vez pode transmitir com sucesso” (STALLINGS) • Fisicamente: • O barramento é uma série de condutores elétricos paralelos. Os condutores são linhas de metal coladas à placa de circuito impresso. 2
- 3. Conceitos Básicos • Em inglês o barramento é chamado de BUS • BUS significa ônibus • Ônibus signifca veículo de transporte compartilhado. Permite que diferentes pessoas possam usar o mesmo veículo para irem a diferentes locais, mais economicamente do que se usassem um veículo individual • BUS é mais apropriado • Maior qualidade do barramento em um sistema de computação: capacidade de compartilhamento de uma mesma via, economizando fios, istoé, economia de custo e espaço. 3
- 4. Conceitos Básicos • Classificação: • Barramento Serial • O barramento pode ter um único fio, por onde passa um sinal de cada vez, um bit de cada vez. Exemplos: USB, PCI Express, Hyper-Transport, Firewire. • Barramento Paralelo • O barramento pode ter vários fios, por onde passam vários sinais simultaneamente, um por cada fio. Exemplos: UNIBUS, MCA, ISA, EISA, PCI, AGP. 4
- 5. Conceitos Básicos • Exemplo do funcionamento da comunicação serial e paralela 5
- 6. Conceitos Básicos • Classificação • Barramento Interno (ou barramento no chip) • Barramento interno à CPU; • As linhas transportam dados de e para a ALU – Unidade Lógica Aritmética – e outros componentes internos à CPU; • Barramento Externo (ou barramento na placa) • Barramento externo à CPU; • As linhas conectam a CPU à memória ou a dispostivos de Entrada/Saída; 6
- 7. Conceitos Básicos • Ciclo de barramento: • É o intervalo de tempo requerido para mover um grupo de bits ao longo do barramento • Enfatizando: • O barramento interliga diversos componentes, as informações só podem fluir uma de cada vez, senão haverá colisão de sinais elétricos; 7
- 8. Conceitos Básicos • Barramentos Síncronos: • Tem um relógio (clock) mestre; • Onda quadrada; • Frequência entre 5 e 100 MHz; • Regulam o aparecimento/desaparecimento dos sinais nas diversas linhas do barramento; • Sincroniza o funcionamento do barramento, a ocorrência e a duração de todos os eventos; • Simples de implementar e testar; • Qualquer atividade somente pode ser realizada em um intervalo de tempo fixo; • Dificuldades em trabalhar com dispositivos/componentes que tenham tempos de transferência diferentes 8
- 9. Conceitos Básicos • Barramentos Assíncronos: • Não tem um relógio (clock) mestre; • Não sincroniza o funcionamento do barramento, a ocorrência e a duração de todos os eventos; • Cada evento depende da ocorrência de um evento anterior, o qual pode ter duração diferente em tempo. • Não há unidade fixa de tempo para relacionar as tarefas de uma dada operação; • Não há qualquer tipo de relação entre os vários sinais que circulam no barramento; • Facilidade em trabalhar com dispositivos/componentes que tenham tempos de transferência diferentes; • As atividades são realizadas sem um intervalo de tempo fixo; 9
- 10. Conceitos Básicos • Barramentos Dedicado: • Dedicação funcional: • Refere-se à função das linhas do barramento. • Exemplo: linhas de endereços e linhas de dados; • Dedicação física: • Refere-se ao uso de múltiplos barramentos, cada um conectando apenas um subconjunto de módulos. • Exemplo: um barramento de E/S para interconectar todos os módulos de E/S. 10
- 11. Conceitos Básicos • Barramentos Multiplexados: • Usa mesmas linhas para múltiplas finalidades; • As mesmas conexões do barramento podem ser usadas para transferência de dados de escrita ou leitura; • Exemplo: informações de endereço e dados podem ser transferidas pelo mesmo conjunto de linhas usando uma linha de controle chamada ADDRESS VALID. • Vantagem: usa menos linhas no projeto, economiza espaço e diminui o custo de fabricação • Desvantagem: circuito mais complexo a ser implementado dentro de cada módulo; 11
- 12. Conceitos Básicos • O barramento é composto de 50 a centenas de linhas separadas; • Cada linha tem uma função em particular, seus próprios requisitos e propriedades; • Barramentos tem suas linhas divididas em três grupos funcionais: • Linhas de dados: também chamadas de barramento de dados; • Linhas de endereços: também chamadas de barramentos de endereços; • Linhas de controle: também chamadas de barramentos de controle. • Podem haver também outras linhas para distribuição de potência fornecendo energia aos módulos; 12
- 13. Conceitos Básicos • Barramento de Controle: • É a parte de um barramento de um sistema de computação usada para a transferência de sinais de controle; • Controlam o acesso e o uso das linhas de dados e endereços já que estas são compartilhadas por todos os componentes; • Transmitem informações de comando e sincronização entre os módulos do sistema; • Conduzem sinais de controle e comunicação durante uma operação de transferência pelo barramento • Linhas típicas em um barramento de controle: 13 Leitura de memória Solicitação de barramento ACK de transferência Escrita de memória Concessão de barramento ACK de interrupção (ack = certificação) Leitura de E/S Requisição de interrupção Clock Escrita de E/S Reset
- 14. Conceitos Básicos • Barramento de Dados: • É a parte de um barramento de um sistema de computação usada para a transferência de dados; • Oferece um caminho para movimentação de dados entre os módulos do sistema; • Consistem em 32, 64, 128 ou mais linhas separadas; 14
- 15. Conceitos Básicos • Barramento de Endereços: • É a parte de um barramento de um sistema de computação usada para a transferência de um endereço, normalmente, o endereço identifica um local da memória principal ou um dispositivo de entrada/saída; • Designam a origem e o destino dos dados no barramento de dados; 15
- 16. Conceitos Básicos • Barramento do sistema: • É um barramento utilizado para interconectar os principais componentes do computador – CPU, Memória e E/S; • Atualmente são divididos entre dois barramentos especiais: • Barramento de memória: para comunicação entre a CPU e a memória; • Barramento de entrada/saída: para comunicação entre a CPU e dispositivos de entrada/saída. Também podem ser chamados de barramentos de expansão 16
- 17. Conceitos Básicos • Largura do barramento: • Propriedade relativa à quantidade de fios ou bits de que ele é constituído • Exemplo: • Um barramento com 10 fios paralelos significa • 10 sinais elétricos transmitidos simultaneamente; • Cada fio representa 1 bit (0 ou 1); • Portanto, o barramento tem 10 bits de largura; 17
- 18. Conceitos Básicos • Largura do barramento: • Largura do barramento de dados: • O número de linhas no barramento de dados determina quantos bits podem ser transferidos de uma só vez; • Cada linha só pode transmitir 1 bit de cada vez; : Considere um barramento de dados com largura igual a 32 bits. Considere também que as instruções de máquina tem 64 bits. O que acontece com o processador neste caso? A instrução tem duas vezes o tamanho da largura. Isso fará com que o processador acesse duas vezes o módulo de memória durante cada ciclo de instrução. 18
- 19. Conceitos Básicos • Largura do barramento: • Largura do barramento de dados: • Taxa de transferência dos dados: • quantidade total de bits que passam pelo barramento na unidade de tempo • T é a taxa de transferência medida em bits por segundo; • L é a largura do barramento de dados medida em bits; • V é a velocidade do barramento medida em hertz; : Considere um barramento de dados com largura igual a 10bits e velocidade iguala 100MHz. Qual será a taxa de transferência? T = L * V => T = 10bits * 100MHz => T = 1000Mbps ou 1Gbps 19
- 20. Conceitos Básicos • Largura do barramento: • Largura do barramento de endereços • O número de linhas no barramento de endereço determina a capacidade de memória máxima possível no sistema; • Quanto maior a largura do barramento de endereços, maior a quantidade de endereços podem ser usados no sistema, isto é, maior a capacidade da memória • N = 2L • N é a quantidade de endereços; • L é a quantidade de bits do barramento de endereços; : Considere L = 6 bits, qual a quantidade de endereços? : N = 26 => N = 64 (de 0 à 63) 20
- 21. Conceitos Básicos • Operação básica do barramento • Se um módulo deseja enviar dados para outro: • Primeiro: obter o uso do barramento; • Segundo: transferir dados por meio do barramento; • Se um módulo deseja requisitar dados de outro módulo: • Primeiro: obter o uso do barramento; • Segundo: transferir uma requisição ao outro módulo pelas linhas de controle e endereço apropriadas; • Terceiro: esperar que o módulo termine de enviar os dados. 21
- 22. Conceitos Básicos 22 Controlador: Contém a parte eletrônica do dispositivo, está contido em uma placa que é ligada a um encaixe livre e se conecta com seu dispositivo por um cabo ligado ao conector. A sua função é controlar o dispositivo e manipular para ele o acesso ao barramento. Comandos são enviados ao controlador que então envia comandos ao drive. Drive: contém o dispositivo em si
- 23. Conceitos Básicos 23 Obs.: esse modelo não é usado no mundo real. Desvantagens deste modelo: • Todos os componentes estão conectados em uma única via; • Em uma única via apenas dois dispositivos falam de cada vez; • Velocidades de transferência diferentes entre os diversos componentes. ILUSTRAÇÃO: avenida com carros de corrida, carros de passeio e bicicletas.
- 24. Conceitos Básicos 24 Se pronuncia scûzi!
- 25. Conceitos Básicos 25 As transferências de entrada/saída de e para a memória principal pelo barramento de sistema não interferem com a atividade do processador
- 26. Conceitos Básicos 26 INTERFACE DE BARRAMENTO DE EXPANSÃO Coloca em um buffer as transferências de dados entre o barramento de sistema e os controladores de E/S, e ao mesmo tempo, isola o trafego memória—processador do tráfego de E/S
- 28. Conceitos Básicos 28 Ponte = buffer ou dispositivo de armazenamento temporário. Faz a conexão entre dois tipos de Barramentos.
- 29. Conceitos Básicos 29 SCSI = barramento utilizado para dar suporte à unidades de discos
- 30. Conceitos Básicos 30 FireWare = é um arranjo de barramento de alta velocidade projetado especificamente para dar suporte a dispositivos de E/S de alta capacidade. (apple)
- 31. Conceitos Básicos 31 A ponte conecta os três barramentos e realiza a sincronização e a transferência entre eles
- 35. Conceitos Básicos • As diferentes características dos componentes levou à criação de diversos tipos de barramentos; • Motivo: velocidade de taxa de transferência de dados muito diferentes; • Exemplo: o teclado tem velocidade de transferência de dados menor que a de um disco rígido; • Atualmente cada barramento interliga dispositivos com velocidades afins, melhorando o desempenho do sistema; • FSB: frontal side bus ou barramento frontal – interliga o processador e a memória principal; • BSB: back side bus ou barramento posterior – interliga o processador à memória cache; 35
- 36. Conceitos Básicos • Exemplos de barramentos: • Omnibus: usado no PDP-8 da DEC; • Unibus: usado no PDP-11 da DEC; • Multibus: usado no Intel 8086; • VME: equipamento para laboratório de física; • Microchannel: usado no PS2/2; • Nubus: usado no Macintosh • PCI: usado em muitos computadores; • SCSI: usado em muitos computadores; • USB: usado em computadores atuais; • FireWire: equipamentos eletrônicos de consumo; • ISA: usado no PC/AT; • IBM PC: usado no PC/XT; • EISA: usado no Intel 80386; 36
- 37. Conceitos Básicos • Protocolos de Barramentos: • São regras bem definidas sobre como funciona o barramento, às quais todos os componentes ligados ao barramento devem obedecer; • Regras de acesso por um usuário: • Quando acessar? • Como acessar? • Como terminar? • Etc • Regras de comunicação entre os barramentos • Como interrogar? • Que resposta enviar? • Quanto dura a comunicação? • Etc 37
- 38. Conceitos Básicos • Arbitragem: • Ocorre quando mais de um módulo precisa do controle de barramento ao mesmo tempo • Arbitração centralizada: • Um único “árbitro” decide quem entra em seguida. (o árbitro fica às vezes na CPU outras vezes em um chip separado) • Alguém requisita o barramento e o árbitro concede o uso de forma serial, isto é, um componente após o outro; • Linha única de requisição; • Arbitração distribuída: • Quando o computador tem mais de uma linha de requisição; • É mais barato e mais rápido; • Possui uma linha de arbitragem ao invés do árbitro • Todos os dispositivos monitoram as linhas de requisição; 38