arquitetura de computadores - ufersa · –isa, portas seriais, etc →pci express, usb 2.0, etc...

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 últimasdécadas

– 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

4Porta serial

Porta Paralela (LPT)

• Conexão de impressoras• Transfere oito bits de uma

só vez• Taxas de transmissão eram

limitadas em 50 Kbps• Padrão IEEE 1284 (mais

atual)– EPP (Enhanced Paralell Port)– ECP (Enhanced Capabilities

Port)

• Taxas de transmissãosuperiores a 8 Mbps

• Padrão permite ainda acompatibilidade com o SPP(Standard Paralell Interface)

5Porta paralela

Interfaces IDE

• Padrão no qual a controladora (módulo de E/S) éintegrada ao disco– IDE significa Integrated Drive Eletronics

• Em 1990, o padrão foi ratificado pelo ANSI, que odenominou 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 deHDs– Leitores de CD eram conectadas através de interfaces

proprietárias

• Isso mudou a partir da criação do protocolo ATAPI (ATAttachment Packet Interface)– Leitores de CD passaram a ser conectados na interface IDE

6

Interfaces IDE

• Tipicamente, uma placa-mãe contém duas portasIDE, 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 namesma porta, um dos dispositivos é configuradocomo mestre e o outro como escravo 7

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a4/Nappe.svg

Interfaces IDE

• Apesar dos nomes, não há nenhuma relação dehierarquia entre os dispositivos definidos comomestres e os dispositivos escravos

• Quando dois dispositivos compartilham umamesma porta IDE, tem-se um barramentocompartilhado– Obviamente, há uma degradação do desempenho

• Havendo apenas um dispositivo por porta, eledeverá ser conectado ao conector daextremidade do cabo– A conexão do dispositivo no conector do meio do

cabo fará com que o cabo fique sem terminação e osdados 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





9

Interfaces IDE

• As interfaces atuais utilizam o DMA como técnicade E/S

• Mais especificamente:– ATA-4 (Ultra ATA/33, UDMA 33): 33 MB/s

– ATA-5 (Ultra ATA/66, UDMA 66): 66 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

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 padrãooriginal é de 150 MB/s– Contra os 133 MB/s de um disco IDE

• A evolução para o padrão SATA II trouxe novosrecursos:– tecnologia NCQ (Native Command Queuing)

– taxa de transferência de 300 MB/s12

Interfaces SATA

• Cabo SATA é formado por dois pares de fios: um paratransmissão 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 paracancelamento de ruídos

• O conector SATA possui apenas sete pinos e o cabopossui 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 dealimentação de 15 pinos, sendo usados cinco fios– O conector de alimentação IDE possui apenas 4 pinos,

sendo usados 4 fios14

Interfaces SATA

15

• Sinal é transmitido de forma espelhada• Ruído é calculado como a diferença entre

os componentes +TD e –TD, sendo reconhecido e descartado no receptor

Interfaces SATA

• Pinagem do conector:

16

Pino Função

1 Terra

2 A+

3 A-

4 Terra

5 B-

6 B+

7 Terra

Interfaces SATA

17

Cabo SATA

Interfaces SATA

18

Cabo SATACabo IDE De 80 vias

Interfaces SATA

19Portas SATA Portas IDE

Conector de alimentação SATA

20

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

Interfaces SATA

21

Interfaces SATA

22

Conector de Dados SATA

Conector deAlimentação SATA

Interfaces SATA

• Uma porta SATA permite, à princípio, ainstalação 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 osdispositivos

23

Barramentos SCSI

• SCSI = Small Computer Systems Interface -Interface para Sistemas Computacionais dePequeno Porte

• A SCSI original (SCSI-1) data do início dadécada de 80

– Possuía oito linhas de dados e operava a umafreqüência de clock de 5 MHz → taxa detransferência de 5 MB/s

– Permitia a conexão de até sete dispositivos emuma cadeia circular (daisy chain)

26

Barramentos SCSI

• Embora presente hoje também em discos IDE,a técnica RAID foi utilizada inicialmente emdiscos SCSI

• RAID = Redundant Array of Independent Disks(Arranjo Redundante de Discos Independentes)

• Anteriormente, RAID significava RedundantArray of Inexpensive Disks

• Há vários tipos de RAID, cada qual com suafinalidade

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 dosdiscos, no nível de bit

• Discos extras contêm Códigos de Hamming, nonível 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 deparidade

• Atendimento a solicitações simultâneas (leitura/escritade duas ou mais palavras) é impossível

32

Palavra de 32 bits

RAID 4

• Similar ao RAID 3, mas agora dos discos dedados são organizados no nível de bloco

• Disco de paridade é um gargalo paraatendimento a solicitações simultâneas

33Leitura/escrita

Palavras de 32 bits

RAID 5

• Bits de paridade são distribuídos de maneirauniforme por todos os discos

• Diminui a ocorrência de gargalos noatendimento a solicitações simultâneas

34Leitura/escrita

Palavras de 32 bits

RAID 6

• Provê um bloco de paridade adicional• Usa Códigos Reed-Solomon para proteção contra erros

em dois discos

35

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/RAID_6.svg

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 cm37

Barramentos SCSI

• Principais alterações promovidas pelo SCSI-2(cont.)– Enfileiramento de comandos

• Permite um dispositivo aceitar vários comandosconcorrentes, vindos de vários outros dispositivos

– Novo conjunto de comandos• Extensão do conjunto antigo de comandos

• Novos dispositivos (scanners, drives de CD, etc) foramentão 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 emtrês categorias:– Comandos

• Grupos de comandos para todos os dispositivos e/oudispositivos 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 WideSCSI

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 WideSCSI

16 20 MHz 40 MB/s 16 1.5-3 m - 25 m

Ultra2SCSI

8 40 MHz 40 MB/s 8 - 12 m 25 m

Ultra2 Wide SCSI

16 40 MHz 80 MB/s 16 - 12 m 25 m

Ultra3 SCSI

16 40 MHz 160 MB/s 16 - 12 m -

Ultra-320SCSI

16 80 MHz 320 MB/s 16 - 12 m -

Ultra-640 SCSI

16 160 MHz 640 MB/s 16 - 12 m -

40

Barramentos ISA

• O ISA (Industry Standard Architecture) foi oprimeiro barramento de expansão usado emPCs

• 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; noPC 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 umatransferência e outra

– Na prática, o barramento funciona à metade dafreqüência nominal

• Em barramentos de 16 bits operando a 8,33 MHz, ataxa de transferência é de apenas 8,33 MB/s

• Considerando alguns outros tipos de overhead, a taxade transferência cai para 5 MB/s, aproximadamente

44

Barramentos ISA

• Freqüente a presença dejumpers para definição deendereços de E/S, solicitaçãode interrupção (IRQ) e DMAusados pela placa

• Era necessário extremocuidado para se evitarconflitos de hardware– Por exemplo, dois ou mais

periféricos usando o mesmoendereço de E/S

• Desconforto eliminado peloISA plug and play– Configuração de endereços

feita pelo BIOS durante ainicialização do computador

– O BIOS verifica quaisendereços estão ocupados eatribui outros endereços aosnovos periféricos instalados

45

Barramentos MCA

• Com o surgimento do 80386 (que trabalhava com32 bits) e de periféricos mais rápidos, tornou-senecessário um novo barramento

• A primeira resposta foi o barramento MCA (MicroChannel 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 eramequipadas com barramentos ISA – o mesmo queequipava 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 oEISA (Extended ISA) e abrisse suas especificações

• O EISA também operava a 8,33 MHz, só quetransferindo 32 bits e sem tempos de espera– Taxa de transferência ≈ 32 MB/s 47

Barramentos EISA

• As dimensões do EISA são as mesmas do ISAde 16 bits, porém o slot é mais alto e possuiduas linhas de contato

48

Barramentos EISA

• Contatos de uma placa EISA

• Slot EISA

49

Barramentos VLB

• O EISA acabou tendo vida curta, pois em 1993surgiu o barramento VLB (VESA Local Bus)

• O VLB é um padrão aberto para transferênciade 32 bits numa freqüência de 33 MHz– Taxa de transferência ≈ 133 MB/s

• Surgiu como um barramento próprio paraconexão da placa de vídeo

• Foi posteriormente utilizada por outrosperiféricos

50

Barramentos VLB

• Busca pela compatibilidade com o ISA rendeu-lhe o apelido de Very Long Bus

• Era um barramento local – seus contatos eramligados diretamente aos pinos do μP

– μP era muito solicitado

– Uma máquina não podia ter mais que 3 slots VLB51

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 dobarramento (32 bits → 64 bits) e a freqüêncianominal nativa (33 MHz → 66 MHz)

52

Barramentos PCIFreqüência

do sinal de clock

Largurado

barramento

Bloco de dados transferidos / pulso de clock

Taxade

Transferência

33 MHz 32 bits 1 133 MB/s




Slots PCI

53

Barramentos PCI

54

Barramentos PCI-X

• Projetados especificamente para utilização emservidores

VersãoFreqüência

do sinal de clock

Largurado

barramento


Taxade

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 AcceleratedGraphical Port

• Lançado em 1996, com asseguintes finalidades:– Acelerar o desempenho de

placas de vídeo em máquinasequipadas com µP Pentium II

– Desafogar o barramento PCI

• É formado por um único slot

• Tecnicamente, o AGP não éum barramento – é umaconexão ponto-a-pontoprojetada para conexão daplaca de vídeo

Slot AGPSlots PCI

56

Barramentos AGP

Modode

Operação

Freqüênciado

sinal de clock

Largurado

barramento


Taxade

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 alimentaçãopara 1,5V/3,3V (universal) sendoinstalada em um slot AGP de 1,5V

Não é possível instalar uma placade vídeo com alimentação para 3,3Vem um slot AGP de 1,5V

61

Barramentos PCI Express

• Com a insuficiência do PCI em suportarperiféricos cada vez mais rápidos, foi lançadoo barramento PCI Express (PCIe)

• Originalmente conhecido como 3GIO, o PCIetambém não é um barramento, estritamentefalando – é uma conexão ponto-a-ponto

• Além deste, outro ponto de ruptura do PCIeem relação aos barramentos anteriores é autilização da transmissão serial, emdetrimento da transmissão paralela

62

Transmissão Paralela x Transmissão Serial

63

Por que Serial?

• Problemas enfrentados pela transmissãoparalela em altas freqüências de clock:

– Interferência eletromagnética

• Campos eletromagnéticos gerados pela passagem decorrente 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 nãotêm rigorosamente o mesmo tamanho. Isso faz comque os sinais transmitidos tenham atrasos depropagação diferentes

64

http://www.clubedohardware.com.br/fullimage.php?image=9249

http://www.clubedohardware.com.br/fullimage.php?image=9249

Por que Serial?- Interferência Eletromagnética

65

Por que Serial?- Atrasos de Propagação Diferentes

66


• Dados são transmitidos através de pares defios denominados pistas

• A transmissão é full duplex, cada pistapermitindo obter até 250 MB/s em cadadireção– Quase o dobro do que permite o PCI!

• O PCIe permite combinar várias pistas, deforma a melhorar o desempenho– Pode-se encontrar barramentos PCI Express com

1, 2, 4, 8, 16 e 32 pistas

67


68


Versão Taxa de Transferência

PCI Express x1 250 MB/s

PCI Express x2 500 MB/s

PCI Express x4 1.000 MB/s




• O PCI Express é hot plug• Pode-se instalar placas PCIe mesmo com a

máquina ligada

• Versão define o tamanho dos slots69


70


• Diferenças nos contatosde borda entre placasde vídeo PCI Express,AGP e PCI

72

Barramentos USB

• O barramento USB (Universal Serial Bus) surgiuem 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 aversão 2.0 do USB no final de 2000

73

Barramentos USB

• O USB 2.0 permite uma taxa de transferênciade 480 Mbps (60 MB/s)

• O conector continuou a ser o mesmo utilizadona versão anterior

+5V

Terra

dados

74

Barramentos USB

• Permitem conectar até 127 dispositivos aomesmo tempo

• Para tal, faz uso de hubs

– Os mais comuns são os de quatro e sete conectores

– permitem estender a distância máxima do dispositivoao computador de 5 m para 30 m

– Requerem alimentação externa, para a conexão devários dispositivos

• O USB é hot pluggable – dispositivos podem serconectados com a máquina ligada

75

Chipset

• Chipset é o conjunto de chips usados na placa-mãe

• Vários chips eram utilizados nos primeiroscomputadores

• Com o passar do tempo, os fabricantes passaram aintegrar vários chips dentro de chips maiores

• Hoje em dia, as placas-mãe possuem apenas doisgrandes chips

• Esses chips são denominados de Ponte Norte ePonte Sul

76

Placa Mãe de um PC XT 77

Placa Mãe de um 486

Chipset

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 dememória embutido

• Em alguns casos, Barramentos PCI Express x1também são controlados pela Ponte Norte

79

Chipset

• A Ponte Sul também é denominada ICH (I/O ControllerHub)

• Basicamente, sua função é controlar dispositivos on-board 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

Chipset

• Quando o conceito de pontes passou a ser usado,a comunicação entre a Ponte Norte e a Ponte Sulera feita através do barramento PCI

• Quando placas de vídeo e HDs de altodesempenho foram lançados, criou-se um gargaloautomaticamente– Um HD ATA-133 possui a mesma taxa de transferência

máxima do barramento PCI

• Para as placas de vídeo de alto desempenho, asolução foi a criação de um novo barramentoconectado à Porte Norte – o barramento AGP

83

Chipset

• A solução definitiva para o problema foiencontrada com um barramento dedicado àcomunicação entre as Pontes Norte e Sul

• Com ela, o barramento PCI ficou mais aliviado

• Foi a partir dessa arquitetura que a Intel deuàs Pontes Norte e Sul os nomes de MCH e ICH

• A velocidade e o nome dados à estebarramento variam de acordo com ofabricante do chipset

85

ChipsetFabricante Nome dado ao Barramento

Intel DMI (Direct Media Interface) ou Intel Hub Architecture

ULi/Ali HyperTransport

VIA V-Link

SiS MuTIOL

ATI A-Link ou PCI Express

nVidia HyperTransport

• Alguns chipsets são formados por apenas um chip

• Neste caso, esse chip assume as funções daPonte Norte e da Ponte Sul

87

Para Saber Mais

• Clube do Hardware

– www.clubedohardware.com.br

• Guia do Hardware

– http://www.guiadohardware.net

88

http://www.clubedohardware.com.br/





http://www.guiadohardware.net/

arquitetura de computadores - ufersa · –isa, portas seriais, etc →pci express, usb 2.0, etc...

Documents