Barramentos

ARQUITETURA DE COMPUTADORES II

Prof. César Augusto M. Marcon

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• Definição– Barramento é uma infra-estrutura de comunicação que provê meio físico para interligar

sistemas a ele conectados

• Classificação– Infra-estrutura do tipo multiponto e temporal

• Acesso– Sistemas que usam o barramento apenas para leitura podem ter uma conexão direta

(normalmente com chaves para não sobrecarregar o barramento)– Sistemas que usam o barramento para escrita requerem componentes tipo tri-state

para compartilhar o mesmo ponto em instantes distintos

– Permite uma transação (escrita) por vez, porém podem existir diversas leituras (unicast, multicast ou broadcast)

Introdução

P1 P2 P3

CPU Memória

1 2

4 3

1 2 3 4 5 6

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• Simplicidade– Quando integrado tem poucos fios facilitando o posicionamento dos mesmos– Quando discreto: fácil de instalar e dar manutenção

• Baixo custo– Quando integrado: pouca área de placa ou silício– Quando discreto: é uma infra-estrutura passiva apenas um cabo coaxial– Quando comparando com demais infra-estruturas de comunicação, tem

menor tamanho total de conexões

• Usabilidade– Topologia mais comum entre as infra-estruturas de comunicação– Excelente para operações broadcast e multicast (um escritor e múltiplos

leitores)

• Confiabilidade– Se nodo (subsistema conectado ao barramento) falha, não afeta o

barramento (a menos que a falha seja na conexão e altere, por exemplo, a impedância do barramento)

• Latência– Latência média/baixa, quando comparado com outras infra-estruturas de

comunicação

Vantagens

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• Confiabilidade– Se cabo, conector ou terminal falhar, toda infra-estrutura falha

• Tolerância a falhas– Falha do barramento implica particionamento total

• Paralelismo– Não é adequado para tráfego pesado com múltiplos escritores

– Infra-estrutura altamente bloqueante

• Vazão de dados– Vazão média/baixa, quando comparado com outras infra-estruturas de

comunicação

• Escalabilidade– Baixa: limitada a algumas dezenas de nodos

• Necessidade de hardware auxiliar– Requer mecanismos e políticas para controlar o uso do barramento

Desvantagens

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Arquiteturas de Barramento

• Barramento Único– Periféricos e CPU estão ligados através de um único meio físico compartilhado– Hardware requer portas tipo tri-state, que permitem o compartilhamento temporal– Forma simples de interconexão– Barramento acomoda dispositivos com características e velocidades diferentes

Desempenho da comunicação cai

• Barramento Segmentado– Dois níveis– Hierárquico– Irregular

Memória P2 P3

CPU P1

Adaptador

P1 P2 P3

CPU Memória

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• Barramento em dois níveis– Processador e memória se comunicam através de barramento principal– Barramentos de E/S estão ligados ao barramento principal através de adaptadores,

compondo um segundo nível na arquitetura de barramentos– Barramento principal pode funcionar a uma maior velocidade

• Adaptadores se encarregam da comunicação com barramentos de E/S mais lentos

Arquiteturas de Barramento

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• Barramento hierárquico– Processador e memória se comunicam através de um barramento principal– Backplane concentra toda E/S do sistema e é ligado ao barramento principal

(só um adaptador é ligado ao barramento principal)– Ao backplane estão ligados diferentes barramentos de E/S através de

adaptadores

Arquiteturas de Barramento

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• Back-side cache– Conecta cache diretamente ao processador– Funciona na mesma freqüência do processador– É uma porta

• Processador-memória (front-side)– Curtos– Alta velocidade– Projetados de acordo com sistema de memória da placa– Protocolo proprietários do fabricante

• Backplane– Base para ligação de outros barramentos (espinha dorsal – backbone em redes)– Projetados para possibilitar a ligação de vários grupos de dispositivos de E/S através

de um único adaptador ao barramento PM (Processador-Memória)• Maximiza velocidade do barramento PM

• Entrada / Saída– Conecta dispositivos de E/S– Longos– Taxas de transmissão variadas– Padrão seguido por fabricantes. Exemplo: SCSI, NuBus– Normalmente não conectam diretamente periféricos ao sistema de memória

Tipos de Barramentos

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Estudos de Casos - Texas Instruments PC Architecture

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Estudos de Casos - Power Macintosh G3

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Estudos de Casos - Apple iMac

Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

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Estudos de Casos - Pentium 4

Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

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• Processador mestre– Um PE (Elemento de processamento) é eleito mestre que controla acesso ao

barramento

– PE mestre utiliza um algoritmo de escalonamento para determinar o próximo candidato ao uso do barramento. E.g. uma fila sem prioridade

– O escalonamento determina a prioridade de acesso ao barramento

– PE mestre realiza pollings, conforme algoritmo de escalonamento, para ver se o PE escalonado deseja usar o barramento

– Exemplo: processador é o PE mestre, controlando todos os acessos ao barramento, porém perde muito tempo de CPU. Além de fazer diversos pollings infrutíferos

Compartilhamento do Barramento

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• Arbitragem– Um árbitro decido qual PE terá o controle do barramento

– Cada PE tem sua própria linha de requisição (Req_i), normalmente gerando uma interrupção para o árbitro

– PE permanece aguardando o sinal de confirmação do árbitro (Ack_i) para então controlar o barramento

– A arbitragem deve balancear os seguintes critérios• PEs com maior prioridade devem ser atendidos primeiro• PEs de menor prioridade não podem ter atendimento postergado indefinidamente

– Gargalo• Muitos fios de controle

Compartilhamento do Barramento

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• Daisy chain– PEs são encadeados fisicamente– Prioridade implícita pela ordem das conexões entre PEs

• PE mais próximo a CPU tem maior prioridade

– PEs tem sinais de pedido de uso do barramento (PI) e aviso de que ele pode usar o barramento (PO)

– Se um PE deseja usar o barramento, ativa sinal PI e espera pela confirmação em PO– PEs que receberem PI ativo, propagam o mesmo na sua porta de saída PI– Se um PE tiver em sua entrada o sinal PI ativo, mas deseja usar o barramento,

apenas propaga o PI, mas não propaga o recebimento do PO– Caso típico dos barramentos SCSI e FireWire

Compartilhamento do Barramento

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Colisão (CSMA/CD)– PEs escutam o barramento para ver se não tem mensagem trafegando– Caso o barramento esteja livre, podem enviar mensagem, passando a ser

temporariamente o dono do barramento– Caso dois ou mais PE lançaram mensagens praticamente ao mesmo tempo,

gera colisão e PEs envolvidos retentam um tempo pseudo-aleatório depois– Necessita de um hardware especial que interfacia com o barramento e

detecta se ocorreu ou não colisão– Não necessita de fios extras de controle

Compartilhamento do Barramento

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• Token– O acesso ao barramento é determinado com auxílio de uma mensagem

especial chamada de token

– O PE que está com o token controla o barramento. Os demais aguardam o recebimento do mesmo

– Quando dispositivo inicia sua operação na rede, este recebe uma identificação e sabe para quem deve transmitir o token após recebê-lo

– O token é transmitido de dispositivo para dispositivo, normalmente em uma ordem tipo fila, ou com uma prioridade pré-determinada (número de vezes que recebe o token pode ser diferenciada)

– Rede deve ter mecanismos para recuperar o token em caso de falha

Compartilhamento do Barramento

18 / 21 Comparação Entre Métodos de Compartilhamento de Barramento

Processador mestre

Arbitragem Daisy chain Colisão Token

Desempenho Baixo AltoAlto para alta

prioridadeAlto para baixo

tráfegoAlto para

poucos nodos

Permite tratar prioridade

Sim Sim Sim NãoSim por número

de envios de token

Permite evitar postergação

indefinidaSim Sim Não

Não (mas estatisticamente

não ocorre)Sim

Complexidade física

Baixa Alta Média Baixa Baixa

GargaloPolling do

mestreCusto em conexões

Prioridade fixa

Acesso não controlado ao barramento

Tratamento do token

(inicialização, perda de token, ...)

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Compromissos Entre Vazão e Custos

Opção Alta vazão Baixo custo

PinagemSeparação de dados e

endereçosMultiplexação de dados e

endereços

Largura do barramento Grande (Ex. 64 bits) Pequena (Ex. 8 bits)

Tamanho do bloco Muitas palavras Poucas palavras

Segmentação Múltiplos segmentos Único segmentos

Método de compartilhamento

ArbitragemProcessador mestre, daisy

chain, colisão, token

Modelo de comunicação Síncrono Assíncrono

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Alguns Padrões de Barramentos

PCI / PCI 2.0Peripheral

Component Interconnect

SCSISmall Computer System Interface

USB / USB 3.0Universal Serial

Bus

IEEE 1394Firewire

Transmissão Paralela Paralela Serial Serial

Largura (dados)

32, 64 bits, 64 bits 8, 16, 32 bits 2 bits (Half-duplex) 2 bits (half-duplex)

Vazão132, 264, 528 MB/s, 2.1, 4.3GB/s

5, 10, 20, 40, 80, 160 MB/s

12, 480 Mb/s, 5 Gb/s

50, 100, 200, 400, 800 Mb/s, 6,4 Gb/s

UsoBarramento de E/S, Backplane

Barramento E/S interno e externo

Barramento E/S externo

Barramento E/S Backplane externo

N de dispositivos

Até 32 Até 16 Até 127 Até 63

Endereço Automático Estático (jumpers)Dinâmico (negociado)

Dinâmico (negociado)

Conexão de disp.

Máquina desligada Máquina desligada Máq. ligada (hot-pluggable)

Máq. ligada (hot-pluggable)

NegociaçãoBus mastering (pinos REQ, GNT)

Similar a daisy-chainCanal virtual: pipe (negociado)

Similar a daisy-chain

Aplicações

Interfaces de barramentos externos, placas de rede e gráficas, controlador RAID

Fitas magnéticas, leitores de CD, Discos rígidos, Scanners, Zip

Teclados, Monitores, Mouse, Joystick, pen-drive

Aparelhos MIDI, Transmissão de vídeo, (Câmeras, televisão, videocassete), Discos rígidos

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1. Qual a função básica dos barramentos?

2. Qual a vantagem de normatizar barramentos? Existe alguma desvantagem?

3. Para que tipo de aplicação barramento é mais adequado? Por quê?

4. Cite três elementos que afetam o desempenho de um barramento

5. Quais os principais métodos para compartilhar barramentos?1. Como funciona cada método?

2. Compara cada método de compartilhamento falando em vantagens e desvantagens

6. O que são barramentos segmentados? Como comparar com barramentos monolíticos?

7. Quais são os tipos básicos de barramentos? Diga características de cada tipo

8. Para haver alto desempenho em um barramento, quais as características que dever ter:a. Grande largura do barramento (muitos dados transmitidos em paralelo)

b. Grande comprimento do barramento com muitos periféricos conectados

c. Comunicação com blocos que suportem muitos dados

d. Vários árbitros de barramento

e. Alta freqüência de operação

Exercícios