Aula 14

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Organização de Computadores I
DCC006
Prof. Omar Paranaiba Vilela Neto
Aula 14 – Barramento
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Antes do Barramento
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O que é um barramento?
° Veículo lento que várias pessoas andam juntas 
• pode ser...
Um Monte de Fios
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Um barramento é:
° Link de comunicação compartilhado
° Conjunto de fios usados para conectar múltiplos 
subsistemas
° Um barramento é também uma ferramenta fundamental 
para composição de sistemas grandes e complexos.
Control
Datapath
Memory
Processor
Input
Output
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Examplo: Organização do Sistema Pentium 
Barramento 
Processador/Memória
Barramento PCI
Barramento de I/O
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Vantagens dos Barramentos
° Versatilidade:
• Novos dispositivos podem ser adicionados facilmente
• Periféricos podem ser trocados entre sistemas que utilizam o mesmo 
padrão de barramento
° Baixo Custo:
• Um simples conjunto de fios é compartilhado em múltiplos caminhos
MemóriaProcessador
I/O I/O I/O
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Desvantagens dos Barramentos
° Cria um engarrafamento na comunicação
• O bandwidth do barramento pode limitar o máximo throughput do I/O
° A velocidade máxima do barramento é limitada por:
• Comprimento do barramento
• Número de dispositivos sob o barramento
• Necessidade de suportar vários dispositivos com:
- Latencias variando enormemente
- Taxa de transferência de dados variando enormemente
MemóriaProcessador
I/O I/O I/O
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Organização Geral de um Barramento
° Linhas de Controle:
• Sinais de requisição e acknowledgments
• Indica que tipo de informação está nas linhas de dados
° Linhas de Dados - Leva a informação entre a fonte e o 
destino:
• Dados e endereços
• Comandos complexos
Linhas de Dados
Linhas de Controle
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Mestre versus Escravo
° Uma transação de barramento inclui duas partes:
• Estabelecendo o comando (e endereço) – requisição
• Transferência de dados – ação
° Mestre é aquele que inicia a transação no bus por:
• emite o comando (e endereço)
° Escravo é aquele que responde para o endereço por:
• Postando dados para o mestre se o mestre solicita dados
• Recebendo dados do mestre se o mestre deseja enviar dados
Bus
Mestre
Bus
Escravo
Mestre comanda
Dados podem ir em várias direções
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Tipos de Barramentos
° Barramento Processador-Memória (projeto específico)
• Curto e alta velocidade
• Atende somente o sistema de memória
- Maximiza o bandwidth da memória para o processador
• Conecta diretamente ao processador 
• Otimiza transferência de blocos para o cache
° Barramento I/O (padrão industrial)
• Usualmente é longo e lento
• Atende a vários tipos de dispositivos de I/O
• Conecta ao barramento processador-memória ou ao backplane
° Barramento Backplane (padrão ou proprietário)
• Backplane: Uma estrutura de interconexão no chassi
• Permite processadores, memória e dispositivos I/O coexistirem
• Vantagem do custo: um barramento para todos os componentes
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Um computador com um Barramento: Backplane Bus
° Um simples barramento (backplane bus) é usado para:
• Comunicação processador memória
• Comunicação entre dispositivos I/O e memória
° Vantagens: Simples e baixo custo
° Desvantagens: lento e pode tornar o maior gargalo
° Exemplo: IBM PC - AT
Processador Memória
Dispositivo I/O
Backplane Bus
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Sistema de dois Barramentos
° Barramento I/O comunica com barramento processador-
memória via adaptadores de barramento:
• Barramento Processador-memória: principalmente para o tráfego 
processador-memória
• Barramento I/O: provê expansão de slots para dispositivos de I/O
° Apple Macintosh-II
• NuBus: Processador, memória, e alguns selecionados dispositivos de I/O 
• SCCI Bus: O restante dos dispositivos de I/O
Processador Memória
I/O
Bus
Barramento Processador Memória
Bus
Adaptador
Bus
Adaptador
Bus
Adaptador
I/O
Bus
I/O
Bus
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Sistema de Três Barramentos
° Um pequeno número de barramento backplane é ligado ao 
barramento processador-memória
• Barramento processador-memória é usado para o tráfego processador 
memória 
• Barramento I/O são conectados ao barramento backplane
° Vantagem: A carga sobre o barramento processador 
memória é reduzida
Processador Memória
Barramento Processador Memória
Bus
Adaptador
Bus
Adaptador
Bus
Adaptador
I/O Bus
Backplane Bus
I/O Bus
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O que define um barramento?
Fios
Característica física/mecânica dos
 conectores
Especificação elétrica
Especificação de sinalização e temporização
Protocolo de Transação
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Barramento Síncrono e Assíncrono
° Barramento Síncrono:
• Inclui um clock nas linhas de controle
• Um protocolo fixo para comunicação que é relativo ao clock
• Vantagem: Necessita pouca lógica e pode rodar muito rápido
• Desvantagens:
- Todos os dispositivos no barramento deve rodar no mesmo clock 
- Clock skew - Ele não pode ser longo se for rápido
° Barramento Assíncrono:
• Não é clocked
• Pode comportar grande número de dispositivos
• Pode ser longo sem piorar skew
• Requer protocolo handshaking
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Protocolo Assincrono de aperto de mãos – Escrita de dados
Address
Data
Read
Req
Ack
Master Asserts Address
Master Asserts Data
Next Address
t0 t1 t2 t3 t4 t5
° t0 : Mestre obtem o controle do barramento colocando os dados a serem 
escritos.
° t1: Mestre ativa a linha de requisição
° t2: Escravo ativa a linha ack, indicando que recebeu os dados
° t3: Mestre desativa a linha de requisição
° t4: Escravo desativa a linha de ack.
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Protocolo Assincrono de aperto de mãos – Leitura de dados
Address
Data
Read
Req
Ack
Master Asserts Address Next Address
t0 t1 t2 t3 t4 t5
° t0 : Mestre obtem o controle do barramento inserindo o endereço de 
memória a ser lido.
° t1: Mestre ativa a linha de requisição
° t2: Escravo ativa a linha ack, indicando que está pronto para receber os 
dados
° t3: Mestre desativa a linha de requisição, quando os dados já estiverem 
sido enviados. 
° t4: Escravo desativa a linha de ack
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Transações do Barramento
° Arbitragem
° Requisições
° Ações
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Arbitragem: Obtendo acesso ao Barramento
° Uma das mais importantes decisões no projeto do 
barramento:
• Como o barramento será reservado pelo dispositivo que deseja usa-lo?
° O problema é resolvido pelo arranjo mestre-escravo:
• Somente o mestre pode controlar o acesso ao barramento:
Ele inicializa e controla todas as requisições do barramento
• Um escravo responde as requisições de leitura e escrita
° O sistema mais simples:
• Processador é o único mestre do barramento
• Todas as requisições devem ser controladas pelo processador
• Maior desvantagem: o processador esta envolvido em cada transação
Bus
Mestre
Bus
Escravo
Controle: Mestre inicia requisições
Dado pode vir de qq lugar
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Múltiplo Bus Mestre: A necessidade da Arbitragem
° Esquema da arbitragem:
• Um mestre desejando usar o barramento envia uma requisição
• Um mestre não pode usar o barramento enquanto sua requisição não for 
concedida
• O mestre deve sinalizar ao árbitro o término da utilização
° Esquemas de arbitragem usualmente balanceiam dois 
fatores:
• Prioridade: O dispositivo de maior prioridade deve ser servido primeiro
• Acesso: Mesmo os dispositivos de mais baixa prioridade devem ter acesso 
ao barramento
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Múltiplo Bus Mestre: A necessidade da Arbitragem
° Esquemas de arbitragem podem ser divididos em quatro 
classes:
• Daisy chain: Uma linha com requisição está ligada a todos os dispositivos.
• Centralizada (arbitragem paralela): alta velocidade
• Distribuído com acesso por auto-seleção: cada dispositivodesejando o 
barramento envia um código que o identifica.
• Distribuído por detecção de colisão: Ethernet usa esta.
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Esquema de arbitragem Daisy Chain
° Vantagem: simples
° Desvantagens:
• Pode não assegurar o acesso:
Uma baixa prioridade do dispositivo pode deixa-lo fora indeterminadamente
• O uso do sinal Grant limita a velocidade do barramento
Bus
Árbitro
Device 1
Highest
Priority
Device N
Lowest
Priority
Device 2
Grant Grant Grant
Release
Request
wired-OR
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Esquema de Arbitragem Centralizada 
° Usada essencialmente em todos barramentos 
processador-memória e em barramentos I/O de alta 
velocidade
Bus
Árbitro
Device 1 Device NDevice 2
Grant Req
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Esquema de arbitragem distribuído por seleção
° Usa diversas linhas para requisição de acesso
° Cada dispositivo que deseja acessar o barramento, 
coloca no barramento um identificador 
° Todos os dispositivos tem acesso aos códigos do 
barramento.
° Próprios dispositivos decidem, baseado em prioridade, 
qual dispositivo comunicará.
° Vantagem: Não necessita de árbitro central.
° Desvantagem: Utilização de mais linhas.
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Esquema de arbitragem distribuído com acesso por detecção 
de colisão
° Dispositivos requisitam acesso ao barramento de forma 
independente.
° Requisições simultaneas resultam em colisão.
° Colisão é resolvida utilizando padrão Ethernet.
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Aumento da Banda Passante do Barramento
° Linhas de endereço e dados separadas versus 
multiplexadas
• Linhas separadas: endereço e dados podem ser transmitidos em um único 
ciclo de clock.
• Custo
- Necessidade de mais linhas de barramento
- Aumento da complexidade.
° Tamanho do barramento de dados:
• Transferência de muitas palavras exige menos ciclos de clock.
• Custo:
- Necessidade mais linhas de barramento
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Aumento da Banda Passante do Barramento
° Transferência de bloco:
• Permite a transferência de várias palavras contíguas em ciclos sucessivos
• O endereço é enviado apenas no inicio da transação.
• Custo:
- Aumento da complexidade
- Diminuição do tempo de resposta para requisição.
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