SSC0513 Organização e Arquitetura de Computadores/Barramento Short

Estrutura da máquina de von Neumann:

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Estruturas de interconexão:

Existem diferentes tipos de conexão
- Memória
- E/S
- CPU

Tipos de transferência:

Memória para processador (load)
Processador para memória (store)
E/S para processador (inchar-teclado)
Processador para E/S (outchar - tela)
Transferência entre um dispositivo de E/S e a memória

Barramentos:

Conexão ideal: ponto a ponto
- necessidade de interligação de diferentes partes de computadores onde a transferência de dados era necessário
- principalmente CPU-MEMÓRIA-PERIFÉRICOS
- ligação ponto-a-ponto(inserir imagem)
- Desvantagem: caro e complicado
Barramento comum
- Todos os dispositivos ligados ao mesmo barramento(inserir imagem)
- Problemas
  - Maior número de dispositivos, maior o comprimento e maior o atraso na propagação dos sinais
  - Gargalo quando a quantidade de dados a ser transferida se aproxima da capacidade do barramento
  - Falta de paralelismo
- Solução: Utilização de múltiplos barramentos (hierarquia)

Hierarquia de Barramentos:

Barramento da Memória (System Bus)
- Conecta a memória ao processador
Barramento de E/S local (High-Speed Bus)
- Barramento de alta velocidade utilizado para conectar processador e memória com dispositivos de E/S de desempenho crítico (placas de vídeo, dispositivos para armazenamento de dados, redes de alta velocidade, etc.)

Barramento de E/S padrão (Expansion Bus)
- Barramento utilizado para conectar os dispositivos de E/S mais lentos (mouse, modem, placa de som, redes de baixa velocidade, etc.)

Tipos de barramentos de E/S:

Barramentos de E/S padrão:
- ISA - Industry Standard Architecture
- EISA - Extended Industry Standard Architecture

Barramentos de E/S locais:
- VLB - VESA Local Bus
- PCI - Peripheral Component Interconnect
- AGP - Accelerated Graphics Port

Barramento de alto desempenho:

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Estrutura do barramento:

Um barramento de sistema contém de 50 a 100 linhas

Três grupos funcionais:
- Linhas de dados
- Linhas de endereço
- Linhas de controle

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Barramento de dados:

Transmissão de dados
- Neste nível, não existe diferença entre “dados” e “instruções”

O desempenho é definido pela sua largura (quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo):
- 8, 16, 32, ou 64 bits

Barramento de endereço:

Essas linhas identificam a origem e o destino dos dados transferidos pelo barramento de dados
- Exemplo: leitura de uma palavra na memória

A largura do barramento de endereço determina a capacidade máxima da memória

Endereça também portos de E/S

Barramento de controle:

Controla o acesso as outras linhas
Transmite comando e sinais de temporização
- Escrita/Leitura na memória
- Escrita/Leitura em porta de E/S
- ACK de transferência
- Requisição / Concessão do barramento
- Requisição / ACK de Interrupção
- Relógio
- Iniciação
- ...

Conceitos gerais:

Mestres: ativam a transferência de informação no barramento
N° de Mestres: pode haver mais de um -> deve haver um esquema para relacionar qual usa o barramento
Uso do Barramento: somente 1 mestre pode ativar transferências no barramento em um dado instante
Escravos: recebem informação enviada pelo mestre. Pode haver n escravos ativos no sistema
Troca de informação (Transação): um ou mais escravos podem ser selecionados por um mestre:
- Mestre endereça escravo
- Escravos comparam o endereço do barramento com o próprio endereço
- Quando o endereço coincide -> escravo se conecta ao barramento
- Durante a conexão Mestre-Escravo(s) -> troca de informações <->
- Ao final, o mestre quebra a conexão com os escravos
- Mestre pode liberar o barramento ou iniciar outra transação.
Transações entre M-E
- endereços
- dados
- controle (temporização, por exemplo)

Elementos de projeto de barramentos:

Tipo:
- Dedicado
- Multiplexado
Método de arbitração
- Centralizado
- Distribuído
Temporização
- Síncrona
- Assícrona

Tipos de barramento:

Dedicado:
- Linhas separadas são utilizadas para transferência de dados e endereços
- Exemplo: barramento de E/S
- Vantagem: alta taxa de transferência
- Desvantagem: maior custo e tamanho
Multiplexado:
- As linhas são compartilhadas para a transmissão de dados, endereços e controle
- Vantagem: poucas linhas
- Desvantagens: unidades mais complexas e redução do desempenho

Método de arbitração:

Necessidade de uma arbitração para que não exista colisão

Centralizada

Dispositivo de hardware: controlador de barramento
Responsável por alocar tempo de utilização do barramento a cada módulo do sistema
Árbitro: controlador de barramento(inserir imagem)
Como funciona:
- Mestre pede o uso do barramento
- Árbitro reconhece (aloca o barramento) ou não, dependendo das regras de prioridade.
Prioridade:
- Por exemplo: o barramento é sempre alocado ao mestre com mais alta prioridade
- Pode causar problemas -> monopólio
Round-Robin:
- O barramento é dado aos mestres de modo cíclico (cada vez um).
Prioridade Variante:
- aumenta-se a prioridade de um mestre toda vez que o pedido é negado
- retorna ao valor inicial quando é atendido.

Distribuição

Mais de um módulo pode controlar o barramento
- compartilhar o barramento
A escolha do mestre é feita de maneira distribuída
No ciclo de arbitragem, cada mestre querendo usar o barramento coloca nas “linhas de arbitragem” o seu código
- processo de comparação
Se um dado mestre possui a prioridade mais alta, o barramento será garantido a ele.

Método de arbitração:

Síncrona:

Ocorrência de eventos determinada por um relógio
O barramento deve iniciar uma transmissão no início de um ciclo de relógio

Assíncrona:

Validade dos sinais é obtida através de uma troca de sinais de controle entre Mestre e Escravo (handshake)
O ciclo do barramento será variável no tempo

Transferência de dados:

Três tarefas no barramento

Arbitragem (A)
Endereçamento (B)
Transferência dos dados (C)

Três tarefas de Bloco de Dados

Arbitragem
Endereçamento
Bloco de dados (leitura ou escrita) -> Permite altas taxas de transferência

“Read Modify Write” – RMW

Arbitragem
Endereçamento
Leitura – Escrita <- Indivisível

“Read After Write” – RAW

Arbitragem
Endereçamento
Escrita – Leitura <- Indivisível

-> Verificação da informação escrita

“Split Transfer”

Permite a divisão da transferência quando um dado não está disponível no momento
Exige mecanismos de controle para reativar uma transação bloqueada

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Método de arbitração:

Também chamado throughput – Mbytes/s
Refere-se a soma total de dados que pode ser, teoricamente, transferida em um barramento em uma dada unidade de tempo
Sobrecargas de comandos, endereçamentos, etc. impedem a maioria dos barramentos de atingir bandwidth nominal

Velocidade do Barramento:

Quantos bits de informação podem ser enviados em cada segundo - MHz
Maior parte dos barramentos transmitem 1 bit de dado por linha por ciclo de clock
Analogia – estrada com 4 faixas com carros a uma velocidade de 100Km/hora.
- Largura do barramento – numero de faixas
- Velocidade do barramento – velocidade dos carros
- bandwidth do barramento – no. de faixas X velocidade
  - Reflete a soma de tráfego que a estrada pode suportar por hora

Barramentos de E/S:

Barramentos em hierarquia
- Processador / Memória (System Bus)
- E/S local (alta velocidade)
- E/S padrão (expansão)

Tabela comparativa:

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