Barramentos

1
Barramentos
2
Barramento

• Bus é um conjunto de condutores elétricos em um
  computador que permite a comunicação entre
  vários componentes do computador, tais como CPU,
  memória, dispositivos de I/O.
• Que sinais trafegam no barramento?
• dados
• relógio
• endereços
• sinais de controle
• Bus standard (protocolo) é um conjunto de regras
  que governam como as comunicações no barramento
  serão efetuadas.

3
Barramento

• Vantagens
• Baixo custo na comunicação entre componentes,
  desde que um simples conjunto de fios é
  compartilhado em múltiplo sentidos
• Versatilidade, que permite a fácil adição de
  novos dispositivos no computador
• Desvantagens
• Criação de engarrafamento (bottleneck) na
  comunicação, limitando a máxima vazão de dados
  (throughput) para dispositivos de I/O.

4
Barramento - Classificação

• Quanto à Funcionalidade
• Linhas de dados (barramento de dados) - fornecem
  o meio de transmissão de dados entre os módulos
  do sistema.
• Linhas de endereço (barramento de endereços) -
  usadas para designar fonte e destino dos dados do
  barramento de dados.
• Linhas de controle (barramento de controle) -
  usadas para controlar o acesso e o uso de linhas
  de dados e endereços.

I/O
CPU
Memória
Barramento de dados
Barramento de endereços
Barramento de controle
5
Barramento

• Sinais típicos de controle
• Memory Write - Causa a escrita de dados do
  barramento de dados no endereço especificado no
  barramento de endereços.
• Memory Read - Causa dados de um dado endereço
  especificado pelo barramento de endereço ser
  posto no barramento de dados.
• I/O Write - Causa dados no barramento de dados
  serem enviados para uma porta de saída
  (dispositivo de I/O).
• I/O Read - Causa a leitura de dados de um
  dispositivo de I/O, os quais serão colocados no
  barramento de dados.
• Bus request - Indica que um módulo pede controle
  do barramento do sistema.
• Reset - Inicializa todos os módulos

6
Barramento

• Características de acesso
• Todo dispositivo de memória ou I/O deve ser
  exclusivo no acesso ao barramento.
• A seleção é feita através de sinais especiais de
  controle como
• Memory Read
• Memory Write
• I/O Read
• I/O Write
• .............
• Todo dispositivo deve escrever no barramento
  através de buffers Tristate.

entrada de dados
saída de dados
controle
7
Barramento

• Dispositivos
• Ativos ou Mestres - dispositivos que controlam o
  protocolo de acesso ao barramento para leitura ou
  escrita de dados
• Passivos ou Escravos - dispositivos que
  simplesmente obedecem a requisição do mestre.
• Exemplo
• - CPU ordena que o controlador de disco leia ou
  escreva um bloco de dados.
• A CPU é o mestre e o controlador de disco é o
  escravo.

8
Barramento - Classificação

• Quanto à temporização
• Barramento assíncrono
• O controle ocorre exclusivamente por meio de
  sinais trocados entre os dispositivos. Os ciclos
  de barramentos podem ter qualquer duração e não
  precisam ser iguais para todos as situações.
• São barramentos mais rápidos que os síncronos.

9
Barramento - Assíncrono
10
Barramento - Classificação

• Quanto à temporização
• Barramento síncrono
• Este tipo de barramento exige que todo o tráfego
  de dados e controle seja sincronizado sob uma
  mesma base de tempo chamado de relógio (clock)

11
Barramento - Síncrono

• Ciclo de leitura

12
Barramento - Classificação

• Barramento síncronoIncluindo wait-states
• Usando um sinal extra (wait) este barramento pode
  se comportar como um misto de síncrono e
  assíncrono.
• Sempre que o dispositivo escravo não puder
  responder no tempo padrão do barramento, este
  liga o sinal de wait para fazer com que o mestre
  páre o protocolo. Quando o escravo puder
  prosseguir, desliga o wait.

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Barramento - Síncrono com Wait

• Ciclo de leitura

T1 - CPU ativa sinais de controle e endereço
MREQ - 0 RD - 0 Memória deco- difica
endereço Espera (WAIT) Memória coloca dados
no barra - mento de dados MREQ - 1 RD - 1
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T2 - Endereço estável no barra- mento
relógio
endereço de memória
endereço
T3, T4 - Espere sinal de wait desligar
dados
dados
T5 - Memória li- bera dados no barramento
-Dados são lidos pela CPU -CPU desabilita controle
MREQ
RD
WAIT
14
Barramento - Arbitragem

• O que acontece quando dois ou mais dispositivos
  querem se tornar mestres do barramento ao mesmo
  tempo?
• Pode existir uma inviabilidade de operações
  (caos) do sistema se não houver um mecanismo
  adequado de arbitragem do barramento.
• A arbitragem decide qual mestre terá o controle
  do barramento num dado instante
• Arbitragem centralizada
• Arbitragem descentralizada

15
Barramento - Arbitragem Centralizada

• Arbitragem no barramento PCI (centralizado)
• Exemplo para três dispositivos
• O árbitro decide qual mestre controla o
  barramento

16
Barramento - Arbitragem Híbrida(centralizada e
distribuída)

• Este tipo de arbitragem é gerenciado por um
  árbitro que, juntamente com um daisy chain,
  estabelece a ordem de acesso ao barramento.
• Barramento de um nível usando daisy-chaining

maior prioridade
Características 1. Todos os dispositivos são
ligados em série, assim a permissão, dada pelo
árbitro, pode ou não se propagar através
da cadeia. 2. Cada dispositivo deve solicitar
acesso ao barramento. 3. O dispositivo mais
próximo do árbitro tem maior prioridade.
17
Barramento - Arbitragem Híbrida(centralizada e
distribuída)

• Arbitragem com dois níveis de prioridade

requisição nível 1 requisição nível 2
permissão 1 permissão 2
Árbitro
D1 D2 D3
D4
Características 1. Cada dispositivo se liga a um
dos níveis de requisição. 2. Os dispositivos com
tempos mais críticos se ligam aos níveis de maior
prioridade. 3. Se múltiplos níveis de prioridade
são requeridos ao mesmo tempo, o árbitro solta a
permissão apenas para os de prioridade mais
alta.
18
Barramento - Arbitragem Descentralizada

• Um dos tipos de barramento descentralizado é o
  barramento Multibus (Daisy Chain sem árbitro).

Requisita barramento ocupado
5 V
in out in out in
out in
linha ativada pelo mestre do barramento
Linha de arbritagem
D1 D2 D3
D4
Características 1. Quando nenhum dispositivo
quer barramento, a linha de arbitragem ativada é
propagada através de todos os
dispositivos. 2. Para obter o barramento um
dispositivo primeiro verifica se o barramento
está disponível, e se a linha de arbitragem
que está recebendo, in, está ativada. 3. Se in
estiver desativada, ela não poderá tornar-se
mestre do barramento. 4. Se in estiver ativada, o
dispositivo requisita o barramento, desativa out,
o que faz com que todos os seguintes na
cadeia desativem in e out. 5. O tempo de
propagação do sinal in do primeiro dispositivo
(D1) ao out do último dispositivo (D4) tem
que ser menor que 1 período de clock.
19
Barramento - Arbitragem Descentralizada

• Barramento Multibus
• O dispositivo mais próximo do início da cadeia
  que requer o barramento tem maior prioridade.
  Portanto, este esquema é similar ao sistema
  híbrido com daisy chain, exceto por
• Não existe mais a figura do árbitro
• É mais rápido
• Não vulnerável a falhas do árbitro
• O barramento Multibus também oferece arbitragem
  centralizada, permitindo que os projetistas façam
  a escolha.

20
Barramento - Classificação

• Quanto aos dispositivos a ele acoplados
• Barramentos de Memória (CPU-memory buses)
• Barramentos de Entrada e Saída (CPU-I/O buses)

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Barramentos de Memória

• Características
• São pequenos
• Operam em alta velocidade
• São em geral conectados diretamente a CPU para
  maximizar a largura de banda entre memória e CPU
  (bandwidth)
• Tipos de dispositivos são conhecidos

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Barramentos de E/S (I/O)

• São em geral barramentos de ordem geral,
  permitindo que vários dispositivos diferentes
  possam ser conectados.
• Características
• Podem ser longos.
• Podem ter diferentes tipos de dispositivos
  conectados a ele.
• São, em geral, mais lentos que os barramentos de
  memória.

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Barramento - Aspectos de projeto

• Considerações na implementação de um sistema de
  barramento

24
Tipos de barramentos de dados

• ISA bus
• EISA bus
• VL Local bus
• PCI bus
• IDE
• EIDE
• SCSI

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Barramento convencional
barramentos
registradores
barramento do sistema
ALU
placa de memória
placa de E/S
placa de E/S
barramento interno
26
ISA Bus

• ISA bus - Industry Standard Architecture
• Lançado por volta de 1984 pela IBM no PC-AT, o
  barramento ISA virou um barramento padrão
  utilizado por todos os demais fabricantes de
  clones IBM na época.
• Características
• Conecta CPU, memória e dispositivos de E/S
• Barramento de 16 bits (2 bytes)
• Frequência de operação de 8 MHz
• Taxa de 8MB/s (dois pulsos de clock por transação
  de modo a manter compatibilidade com o barramento
  do PC-XT, o XT-bus, que era de 8 bits)
• Permite mais de um mestre mas de forma precária
• Extensões gt Plug-and-Play ISA

27
ISA bus - Standard System
Memória
CPU
Controlador de barramento
ISA bus
ISA slots
28
ISA bus - Conectores
Placa de expansão 8 bits 16 bits XT-bus ISA-bus
Conectores na placa mãe 8 bits 16 bits
29
EISA bus

• EISA bus - Extended ou Enhanced ISA
• Desenvolvido por volta de 1987 por 9 competidores
  da IBM, para melhorar a performance e competir
  com o barramento MCA (Micro-Channel Architecture)
  lançado pela IBM.
• Características
• Compatível com ISA
• Extensão para 32 bits de dados (4 bytes)
• Relógio de 8 MHz
• Taxa de 32MB/s (1 pulso de clock por transação)

30
EISA bus - Extended ISA
Memória
CPU
32 bits
Controlador de barramento
EISA bus
EISA slots
31
VL - VESA Local Bus

• VL Bus - VESA (Video Electronics Standards
  Association) - 1992
• CPU 80486 (33 MHz) e dispositivos de alta
  performance (ex. placa de vídeo) em barramento
  (E)ISA gt gargalo
• Características
• Barramento conectado diretamente à CPU gt
  velocidade do barramento velocidade da CPU.
• Dependente do tipo de CPU usado (80486)
• 32 bits no barramento de dados.
• Suporta apenas 2 cartões gt outras expansões
  devem ser feitas via barramento ISA ou EISA.

32
VL Local bus
33
PCI Bus (Peripheral Component Interconnect)

• Definido pela Intel para estabelecer um padrão de
  barramento de alta performance que permitisse
  diferenciações na implementação.
• Características
• Barramento síncrono.
• Arbitragem centralizada
• 32 ou 64 bits, 33 MHz (ou 66MHz, na versão 2.1).
• Dados e endereços são multiplexados.
• 133 MB/s (4 bytes x 33MHz) até 533 MB/s (8 bytes
  x 66 MHz)
• Cada controlador permite cerca de 4 dispositivos
• Plug-and-Play

34
PCI bus - Características

• Controlador do PCI e interfaces das placas de
  expansão são independentes (isso não acontece com
  o VL-bus).
• Transição eficiente para futuras gerações de
  processadores e multiprocessadores.
• Permite que CPUs diferentes usem este barramento
  (ex. computadores Macintosh) fazendo com que
  fabricantes de placas de expansão possam vender
  para qualquer sistema com barramento PCI.

35
PCI Bus
Cache
Bridge/ Cont. de memória
DRAM
PCI bus
Bridge para o ISA ou EISA
LAN
PCI slots
SCSI
EISA bus ou ISA bus
ISA ou EISA slots
36
PCI Bus - Exemplo

• Especificação
• PCI - to PCI Bridge da Digital (21152)
• 64 bits no barramento
• primário
• 32 bits no barramento
• secundário
• Permite até dois
• barramentos PCI
• concorrentes
• 5 ou 3.3 V
• chip com 256 pinos

37
PCI Bus

• Controlador 21153 PCI-to-PCI
• Controlador LAN chips

38
PCI Bus - Pinout


End./Dados
Extensões 64bits


Trans. atômicas
Controle de comunicação

Interrupções


Info. Erro
Controle cache

Arbitragem


Testes (Boundary Scan)
Sistema
39
PCI Bus - Pinout

• AD(x) - Address/Data Lines
• C/BE - Command/Byte Enable. Define comando (fase
  de end.). Durante a fase de dados informa quais
  dos 4 bytes (a via de dados tem 32 bits) estão
  sendo usados na transação.
• FRAME - Informa se está na fase de end. ou dados
• IRDY - O mestre está pronto p/ a transação
• TRDY - O escravo está pronto p/ a transação
• STOP - O escravo deseja parar a transação atual
• DEVSEL - Escravo reconheceu seu endereço e está
  selecionado
• IDSEL - Usado como chip select na configuração do
  sistema
• REQ(x) - Req. p/ controlar barramento (tornar-se
  mestre)
• GNT(x) - Req. concedida

40
PCI Bus - C/BE

• C/BE - comandos na fase de endereçamento

41
PCI Bus

• Operação de Leitura

42
PCI Bus

• Arbitragem no barramento PCI (centralizado)
• Exemplo para três dispositivos

43
PCI Bus

• Arbitragem do barramento PCI entre dois mestres
  A e B

44
E depois do PCI ?...

• AGP - Advanced Graphics Port (1997)
• Conecta apenas CPU e placa de vídeo
• Não há disputa com outros dispositivos
• 32 bits, 66 MHz gt 266 MB/s
• 2X-mode gt 2 transf. por clock gt 533 MB/s
• 4X-mode gt 4 transf. por clock gt 1,066 GB/s

45
IDE Bus

• IDE ou Integrated Drive Electronics (ou ATA -
  Advanced Technology Attachment, ou ainda ATAPI -
  ATA Packet Interface)
• Características
• Desenvolvido pela Western Digital a pedido da
  Compaq (1984)
• Suporta discos rígidos de até 528 MB.
• Permite apenas dois dispositivos conectados.
• Baixo custo.
• Versão 8 bits (PC-XT), 16 bits (PC-AT).
• Velocidade depende do barramento conectado
• ISA bus gt 3,3 MB/s
• VL-bus gt 5,5 MB/s

46
EIDE Bus, ATA-2 ou Fast ATA

• Enhanced IDE, 1994.
• Características
• Suporta até quatro dispositivos
• 32 bits
• Suporta discos, unidades de fitas e CD-ROMs
• Simula duas interfaces IDE
• Permite discos de até 8,4 GB
• Velocidade depende do modo de operação (que são
  4)
• PIO Mode 3 (mais usado) gt 11,11 MB/s
• PIO Mode 4 (or Multiword DMA Mode 2) gt 16,67 MB/s

47
UIDE, Ultra ATA ou ATA-3

• Ultra IDE desenvolvido pela Quantum em 1996
• Taxa de transferência de 33 MB/s.
• Requer protocolo Ultra DMA (suporta taxas mais
  rápidas de transferência)

48
SCSI BusSmall Computer System Interface

• Adotado inicialmente no Macintosh
• Família SCSIPadrões ANSI Não Padronizados
• SCSI-1 Ultra (Wide) SCSI
• SCSI-2 Ultra2 (Wide) SCSI
• Fast (Wide) SCSI
• SCSI-3
• Os padrões Ultra e Ultra2 não são reconhecidos
  pelo ANSI (American National Standards Institute)
• A palavra Ultra também é usada para designar
  barramentos SCSI-3 com 20 MHz

49
SCSI-1

• Tornou-se padrão ANSI em 1986
• Usado como padrão no Macintosh
• 5 MHz
• 8 bits, 5MB/s
• Transf. síncrona e assíncrona
• Suporta 7 dispositivos 1 host
• Praticamente só controla discos rígidos
• Barramento com 6 metros
• Arbitragem distribuída

50
SCSI-2

• Tornou-se padrão ANSI em 1990
• 10 MHz
• Fast SCSI gt 8 bits, 10 MB/s
• Fast Wide SCSI gt 16 bits, 20 MB/s (usado
  normalmente) gt 32 bits, 40 MB/s (requer cabo
  extra)
• 7 dispositivos (ou 15 no Wide SCSI) 1 host
• Vários tipos de dispositivos (Scanners, cdrom,
  discos até 9GB)
• Versão diferencial 16 bits (máx. 20MB/s, até 25
  metros)

51
SCSI Bus - Características elétricas

• Barramento com terminação simples
• Os níveis lógicos 0 e 1 são representados
  comparando a tensão de cada fio com um padrão
  comum (chamado terra).
• Um barramento SCSI com term. simples tem no
  máximo 6m.
• Barramento diferencial
• Usa dois fios para cada sinal lógico. A diferença
  de tensão entre eles, positiva ou negativa,
  representa os níveis lógicos. Com isso espera-se
  minimizar ruídos externos induzidos nos fios,
  assumindo que essa indução ocorre nos dois fios e
  portanto se anulam quando a diferença é
  calculada.
• Um barramento SCSI diferencial tem até 25 metros.

52
SCSI-3 e Ultra2 O Futuro...

• Ainda em desenvolvimento
• 20 MHz (Também é chamado de Fast20 ou Ultra-SCSI)
• 8 bits, 20MB/s
• 16 bits, 40 MB/s
• Mais dispositivos
• Cabos mais longos
• Vários protocolos seriais e paralelos
• Barramento serial (chamado firewire)
• Barramento paralelo para manter compatibilidade
  com padrão SCSI-1 e 2
• Ultra2 SCSI 8-bit, 40 MBps.
• Wide Ultra2 SCSI 16-bit bus, 80 MBps.

53
SCSI Resumo
54
Fases do Barramento SCSI

• Bus free.
• Arbitration.
• Selection mestre seleciona escravo.
• Reselection escravo reconecta ao mestre para
  continuar transação parada pelo escravo.
• Command escravo pede comando ao mestre.
• Data escravo pede transf. de dados ao mestre.
• Status escravo pede para transf. status para o
  mestre.
• Message escravo pede transf. de mensagem.

55
Fases do Barramento SCSI
RESET
Bus free
Arbitration
Selection ou Reselection
Command, Data, Status, ou Message
56
SCSI - Arbitragem Distribuída

• Na fase Bus Free, os candidatos a mestre ativam o
  BSY (barr. busy) e a linha de dados
  correspondente ao seu identificador (de 0 a 7)
• Todos os candidatos verificam se outros
  dispositivos também querem ser mestres.
• Aquele com maior prioridade (7 é a maior)
  torna-se mestre.

57
SCSI - Transferência AssíncronaPág 209 do
Stallings