BARRAMENTOS 

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Tipos básicos de dispositivos• Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal• Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco• Sequencial. Tem acesso em ordem fixa. Ex. modem• Acesso randômico: Ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM• Síncrono: Tem tempo de resposta previsível. Ex. fita• Assíncrono: Tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado• Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo

tempo. Ex. teclado• Dedicado. Só pode ser usado por um processo por vez. Ex.

Impressora• Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, video

Barramentos (busses): Conectando Dispositivos de IO à CPU e Memória

• De uma forma simples, um barramento (bus) é a conexão entre vários chips/componentes em um computador.

• O barramento é responsável por enviar dados/controle entre esses vários componentes.

Barramentos - Protocolos - Padronização

4Placa-mãe da Asus com

suporte a diferentes slots PCI Express.

O conector do barramento PCI Express em placas-mãe

pode variar conforme a velocidade usada

Barramento de endereços

Barramento de dados

Barramento de controle

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Barramentos – Tipos

Barramentos

Bridge para o ISA ou EISA

EISA bus ou ISA bus

ISA ou EISA slots

DRAM

PCI bus

CPU

Bridge/Cont. de memória

slots

Cache

LAN

Controladorde Vídeo

ControladorSCSI

ControladorEIDE

AGP

EIDE - Enhanced Integrated Drive Electronics

Barramentos

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Hardware – UCP

Barramento Interno

Barramento do Sistema

Barramento de Expansão

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Arquitetura de Entrada/Saída• Portas (ports)

– Comunicação ponto a ponto– Ex: Porta serial e paralela

• Barramentos (bus)– Conjunto de condutores elétricos e com um protocolo rígido

que define como mensagens trafegam sobre esses condutores – Permite a comunicação entre vários componentes– Protocolo é um conjunto de regras que definem como as

comunicações no barramento serão efetuadas

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Arquitetura de E/S• Controladores

– Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s)Ex: Controlador da porta serial Controlador SCSI (Small Computer System Interface) Controlador de disco

• Device Drivers– Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso uniforme para

cada dispositivo– Traduz as chamadas de alto nível (usuário) para o dispositivo

específico– Conversão de dados– Detecção e correção de erros

Barramentos

• 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

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Controladores de Dispositivos• Componentes de dispositivos de E/S

– mecânico – eletrônico

• O componente eletrônico é o controlador do dispositivo– pode ser capaz de tratar múltiplos dispositivos

• Tarefas do controlador– converter fluxo serial de bits em blocos de bytes – executar toda correção de erro necessária– tornar o bloco disponível para ser copiado para a

memória principal

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Comunicação S.O.(CPU) – ControladorE/S mapeada na memória

(a) Arquitetura com barramento único(b) Arquitetura com barramento duplo (dual)

Barramentos - Protocolos - Padronização

UNIBUS - definido pela DEC, praticamente fora de uso.

MCA (Micro Channel Architecture) - definido pela IBM, sistemas PS-2.

ISA (Industry Standard Adapter) - definido pela IBM para o PC-AT e adotado por toda a indústria.

EISA (Extended ISA) - praticamente abandonado. 13

Barramentos - Protocolos - Padronização

PCI (Peripheral Component Interconnect) - desenvolvido pela Intel, quase um padrão para o mercado, com barramento de E/S de alta velocidade.

USB (Universal Serial Bus) - permite a conexão de muitos periféricos simultaneamente ao barramento e este, por uma única tomada, se conecta a placa mãe. Pretende ser norma os dispositivos que necessitem de baixo desempenho (Ex.: teclado, mouse, modem, scanner, impressoras, etc).

AGP (Accelerated Graphics Port) - visa acelerar as transferências de dados do vídeo para a memória, especialmente dados para 3D.

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Barramentos - Protocolos - Padronização

PCI Express (sucessor do AGP e do PCI) - conta com um recurso que permite o uso de uma ou mais conexões seriais, isto é, "caminhos" (também chamados de lanes) para transferência de dados. Se um determinado dispositivo usa um caminho, então diz-se que

este utiliza o barramento PCI Express 1X, se utiliza 4 conexões, sua denominação é PCI Express 4X e assim por diante. Cada lane pode ser bidirecional, ou seja, recebe e envia dados.

Tecnologia PCI Express se mostra muito promissora (tende a ser um padrão). 15

Motivação• Desempenho de CPU: 60% por ano• Desempenho de Sistemas de I/O: Limitado por

Delays Mecânicos (disco I/O)– 10% por ano (IO por seg)

• Lei de Amdahl: Speed-up Limitado pelo Sub-Sistema mais lento!– Se IO é 10% do tempo e melhorarmos 10x a CPU

• Desempenho do sistema será ~5x maior (perda de ~50%)– Se IO 10% do tempo e melhorarmos 100x CPU

• O desempenho do sistema será ~10x maior (perda de ~90%)

Barramentos

Network

>1000 m

10 - 1000 Mb/s

alta ( 1ms)

baixaExtensive CRC

Channel

10 - 100 m

40 - 1000 Mb/s

média

médiaByte Parity

Backplane

0.1 m

320 - 2000+ Mb/s

baixa (Nanosecs.)

altaByte Parity

Distância

Bandwidth

Latência

Confiabilidade

• Interconexão = liga as interfaces dos componentes do sistema• Interfaces de hw de alta velocidade + protocolo lógico• Networks, channels, backplanes

memory-mappedwide pathways

centralized arbitration

message-basednarrow pathwaysdistributed arbitration

Conexão Máquinas ChipsDevices

Barramentos Systemas com Um Barramento - Backplane Bus

• Single Bus (Backplane Bus) é usado para:– Comunicação entre o Processador e a Memória– Comunicação entre dispositivos de I/O e memória

• Vantagens: Simples e baixo custo• Desavantagens: lento e o barramento, em

geral, torna-se o maior gargalo• Exemplo: IBM PC - AT

Processor Memory

I/O Devices

Backplane Bus

• Synchronous Bus:– Inclui um clock nas linhas de controle– Protocolo de comunicação fixo baseado no clock– Vantagens: involve muito menos lógica e pode operar em altas velocidades– Desvantagens:

• Todo dispositivo no barramento deveoperar no mesmo clock rate• Para evitar clock skew, os barramentos não podem ser longos se

são rápidos

• Asynchronous Bus:– Não usam sinal de clock– Podem acomodar uma grande variedade de dispositivos– Podem serem longos sem se preocupar com clock skew– Requer um protocolo de handshaking

BarramentosSíncronos e Assíncronos

BarramentosArbitragem: Obtenção de Acesso

• Uma das questões mais importantes em bus design:– Como o barramento é reservado por um dispositivo

que o quer usar?• O Caos pode ser evitado pelo arranjo master-

slave :– Somente o bus master pode controlar o acesso ao

barramento:• Ele inicia e controla todas as requisições do barramento

– Um bus slave responde a requisições de leitura e/ou escrita

• Sistema mais simples:– O Processador é o único bus master– Toda bus requests deve ser controlada pelo

processador– Maior desvantagem: o processador participa em

todas as transações

BusMaster

BusSlave

Control: Master initiates requests

Data can go either way

Barramentos° ° °Master Slave

Control LinesAddress LinesData Lines

• Bus Master: tem abilidade de controlar o barramento, inicia as transações

• Bus Slave: módulo ativado por uma transação• Bus Communication Protocol: especificação de

uma seqüência de eventos e timing requeridos em uma transferência de informação.

• Asynchronous Bus Transfers: linhas de controle (req, ack) servem para realizar o seqüenciamento.

• Synchronous Bus Transfers: a seqüência é relativa a um clock comum.

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Princípios do Hardware de E/S Diversidade

Taxas de dados típicas de dispositivos, redes e barramentos

125MB/s = 1Gb/s,Observe a diferença de Bytes (B) e bits (b)

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ISA EISA VLBUS PCIAno 1984 1987 1992 1993Dispositivos Vários Vários 2 4

Largura (bytes) 2 (16 bits) 4 (32 bits) 4 (32 bits) 4 a 8(32 a 64 bits)

Frequência (MHz)

8,3 8,3 CPU 33 a 66

Taxa (MB/s) 7,9 31,8 127,2 a 508,6

Obs. Restrito ao 80486

Dados e end. multiplexados

Introdução aos BarramentosComparação

EISA - Extended Industry Standard ArchitecturePCI - Peripheral Component InterconnectVLBUS (ou VLB) - VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus