Barramentos de Expansão em Computadores

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Barramentos
Como as informações existentes internamente (programas e dados) nos diversos componentes de um computador são representados por sinais elétricos, que indicam os dois valores que o sistema conhece (bit 0 e bit 1) para que estas informações “caminhem” de um local para o outro é necessária a existência de uma fiação apropriada para conduzir estes sinais elétricos. O conjunto de fios que conduzem os sinais elétricos entre os diversos componentes do computador é conhecido como barramento.
Os barramentos são usualmente constituídos de 3 partes:
Barramento de Dados (BD), que conduz os bits de dados.
Barramento de Endereços (BE), que conduz os bits de endereços.
Barramento de Controle (BC), que conduz sinais de controle e comunicação durante uma operação de transferência pelo barramento.
Vale ressaltar que a quantidade de pinos em um microprocessador está diretamente ligada ao tamanho de seu barramento, sendo formado pela soma de BD + BE + BC.
Barramento de Controle – BC
Trata-se de um conjunto de fios, onde cada um tem uma independência funcional, seja na direção do fluxo do sinal seja no instante em que o sinal surge. Ou seja, cada fio possui uma função específica e diferente dos demais.
Barramento de Endereços – BE
Como este barramento trata de endereçamento, sua característica mais marcante é a largura (L), que consiste na quantidade de fios existentes para transportar os bits. Quanto maior o valor de L, maior será a quantidade de endereços que podem ser usados no referido sistema, ou seja, maior será sua capacidade de memória, visto que:
N = 2L, sendo N quantidade de endereços e L quantidade de bits do BE ou de cada endereço.
Por exemplo, se L = 6 bits, significa que o BE possui 6 fios e cada endereço é um número de 6 bits. Pela fórmula acima, temos que:
N = 26 ou N = 64, ou seja, 64 endereços de memória.
Em outro exemplo, imaginemos que L = 32, então temos que:
N = 232 ou N = 4.294.967.296, ou seja, 4G endereços de memória.
Barramento de Dados – BD
Como o BD é o conjunto de fios que serve para transporte dos sinais elétricos correspondentes aos bits de dados, sua característica mais importante é taxa de transferência, ou seja, quantos bits ele consegue transportar por unidade de tempo.
A taxa de transferência de um BD é determinada por:
TX = L * V, sendo TX a taxa de transferência, L a largura do barramento e V a velocidade do relógio (clock, que será mais detalhado futuramente). A unidade mais comum é o Hz. De modo aproximado, nesse momento, podemos considerar que 1 Hz = 1 bit por segundo (ou bps).
Por exemplo, um computador com BD de L = 10 bits e velocidade = 100 Mhz, temos que:
TX = 10 + 100 ou N = 1000 Mbps (aproximadamente 1 Gbps).
Observação: considera-se possível aproximar 100 Mhz para 100 Mbps, ou seja, que o barramento transfira 1 bit por ciclo de clock. Na realidade, o valor é um pouco menor devido a ruídos e eventuais perdas. Outro motivo é o fato de que Mhz ou GHz são unidades do sistema decimal e múltiplos de 1000, enquanto Mbps ou Gbps são unidades do sistema binário e múltiplos de 1024.
Hierarquia barramentos
Quanto maior o numero de dispositivos conectados, maior o comprimento do barramento. Assim maior o atraso na propagação dos sinais. Esse atraso define o tempo para que um dispositivo obtenha o controle do barramento. O atraso pode comprometer o desempenho.
Com isso, o barramento pode se tornar um gargalo quando a demanda de dados se aproxima da sua capacidade de transmissão. Aumentar a largura do barramento soluciona o problema mais amplia o espaço ocupado pelos dispositivos. Outra alternativa é ampliar a velocidade de transferência, contudo nem todos dispositivos podem trabalhar e altas velocidades.
A solução é criar uma hierarquia de barramentos. Num sistema hierárquico de barramentos existem vários níveis de barramento divididos pela prioridade e velocidade. Estes se níveis se comunicam através de interfaces (também chamadas de bridges).
A figura abaixo ilustra uma hierarquia típica de alto desempenho.
Principais componentes de uma hierarquia de alta performance:
Processor Bus: On-Chip, barramento interno ao processador;
Memory Bus: Barramento de ligação entre processador e memória. Dividido em:
Backside bus: conecta cache ao processador.
Frontside bus: conecta o subsistema de memória principal ao processador.
Local I/O Bus: Barramento de alta velocidade para conectar periféricos de desempenho crítico à memória e ao processador.
Standard I/O Bus: Conecta periféricos mais lentos ao barramento local.
External I/O Bus: Conecta dispositivos externos
Barramento I/O
Os principais barramentos de expansão (ou barramentos de I/O) são:
ISA (Industry Standard Architecture)
EISA (Extended Industry Standard Architecture)
VLB (VESA Local Bus)
PCI (Peripheral Component Interconnect)
AGP (Accelerated Graphics Port)
PCI Express (successor do PCI e AGP)
USB (Universal Serial Bus)
Firewire (IEEE 1394)
IrDA (Infrared Developers Association)
ISA (Industry Standard Architecture)
A IBM nunca definiu seguramente as especificações do barramento do PC em relação a detalhes técnicos, como carga e sincronização. Isso impedia que um projetista de adaptadores pudesse garantir que sua placa fosse funcionar em todos os sistemas baseados no PC. Para remediar essa situação, a Intel começou a definir as informações de sincronização e carga, para forçar a utilização de um padrão definitivo. A Intel obteve o suporte para a criação desse padrão de alguns fabricantes de clones de PC. A especificação resultou no barramento que foi utilizado no PC-AT, criado segundo o que os consórcios de fabricantes de clones achavam ser a intenção da IBM para o PC. Essa especificação ficou conhecida como barramento ISA (Industry Standard Architecture). A partir daí, a IBM não detinha mais a arquitetura do PC sob seu exclusivo controle: ele havia começado a adquirir vida própria.
Utiliza conectores de 62 e 96 pinos e trabalha com uma largura de barramento de 8 ou 16 bits (este último introduzido depois). Usando um clock de 8 MHz,resulta numa velocidade de comunicação teórica de 16 MB/s. Na prática, porém, a velocidade no barramento ISA fica em torno de 2,5 MB/s. 
Os slots de expansão ISA têm ainda a vantagem de aceitar a conexão de adaptadoras antigas de 8 bits. As placas mais antigas simplesmente utilizam a subdivisão do slot ISA.
EISA
O EISA é um barramento peculiar. As dimensões são as mesmas de um slot ISA de 16 bits, porém o slot é mais alto e possui duas linhas de contatos. A linha superior mantém a mesma pinagem de um slot ISA de 16 bits, de forma a manter a compatibilidade com todos os periféricos, enquanto a linha inferior inclui 90 novos contatos, utilizados pelas placas de 32 bits.
As placas ISA atingiam apenas os contatos superficiais do conector, enquanto as placas EISA utilizavam todos os contatos. Embora o uso de tantos contatos esteja longe de ser uma solução elegante, é preciso admitir que o EISA foi uma solução engenhosa para o problema da compatibilidade. 
Assim como o ISA, o barramento EISA operava a 8.33 MHz. Entretanto, a transferência de 32 bits por ciclo e a eliminação dos tempos de espera entre um ciclo e outro faziam com que ele fosse até 4 vezes mais rápido.
VLB (VESA Local Bus)
Desenvolvido pelo grupo Vídeo Eletronics Standard Association, para ser ligado ao barramento local dos 486. Utiliza conectores de 168 pinos, largura de barramento de 32 bits, que conseguia ser muito mais rápido, trabalhando a uma frequência nominal de 33 MHz e oferecendo taxas de transferência teóricas de até 133 MB/s.
Inicialmente o VLB (ou VESA, como é chamado por muitos) surgiu como barramento próprio para a conexão da placa de vídeo. Graças à boa velocidade, o VLB acabou tornando-se o padrão também para outros periféricos, como controladoras IDE e SCSI. 
Novamente, existiu a preocupação de manter compatibilidade com as placas ISA, de forma que os slots VLB são na verdade uma expansão, onde temos um slot ISA (16 bits) tradicional, seguido por um segundoconector, que inclui os pinos adicionais.
Isso rendeu o apelido de "Very Long Bus" (barramento muito comprido) e trouxe uma série de problemas de mal contato, já que se a placa-mãe não estivesse muito bem presa ao gabinete, a pressão necessária para encaixar as placas fazia com que a placa envergasse, comprometendo o encaixe. O grande stress mecânico ao instalar e remover as placas acabava danificando os contatos com o tempo, o que, combinado com a oxidação natural, acabava fazendo com que muitas placas realmente deixassem de funcionar depois de removidas e reinstaladas algumas vezes.
Como o nome sugere, o VLB é um barramento local, onde os contatos são ligados diretamente aos pinos do processador. Esse design simples barateava a produção das placas-mãe, mas fazia com que a utilização do processador fosse alta e tornava inviável a utilização de mais de 3 placas VLB no mesmo micro.
O VLB se tornou rapidamente o padrão de barramento para placas para micros 486, mas acabou desaparecendo com a introdução do barramento PCI. Uma curiosidade é que as placas soquete 4 (a primeira geração de placas-mãe para micros Pentium 1, que suportavam apenas as versões de 60 e 66 MHz) chegaram a incluir slots VLB, utilizando uma versão adaptada do barramento.
PCI (Peripheral Component Interconnect)
Desenvolvido pela Intel para ser seu próprio padrão de barramento, “matou” o VLB. Diferente do VLB, não é ligado diretamente ao barramento local, mas através de uma ponte (bridge – parte do chipset). Não é compatível com o ISA, porém é totalmente independente de processador. Possui conectores menores e ranhuras mais densamente acondicionadas que as ISA. Em geral, trabalha com slots de 32bits (existindo versões de slots para 64bits), a uma freqüência de 33MHz (usual) ou 66MHz.
A primeira versão (1.0) da especificação foi disponibilizada em 22/06/92. Revisada, uma nova versão, a 2.0, foi disponibilizada em abril de 1993. A revisão seguinte da especificação 2.1, ficou disponível em 1995.
O barramento PCI pode ter conectado vários adaptadores que requerem acessos rápidos, uns entre os outros e/ou sistemas de memória, que podem ser acessados por um processador, no próprio adaptador, podendo atingir até velocidades que se aproximam da velocidade nativa total do barramento do processador.
Características do PCI:
	Característica
	Descrição
	Independência de Processadores
	Componentes desenhados para barramento PCI não estão atrelados a um processador específico.
	Suporta até 256 mecanismos PCI
funcionais.
	O barramento PCI suporta um volume de até 32 dispositivos físicos PCI , para um total de 256 possíveis funções PCI por barramento
	Baixo consumo de Energia. 
	O maior objetivo da especificação PCI é a criação de um sistema que puxe pouca corrente.
	Uso de transferência de Rajada para todas as leituras e escritas.
	Suporta uma taxa de transferência para ambas as operações , de leitura e de escrita, de 132MB/s para 32 bits , taxa de 264MB/s para 64 bits. Taxa de até 528MB/s são realizadas em barramento PCI de 66MHz.
	Velocidade do barramento. 
	A versão 2.0 suporta velocidade de barramento de até 33MHz, enquanto a versão 2.1 adiciona suporte de operações de até 66MHz.
	Largura do barramento de 64 bits. 
	Definição completa de uma extensão de 64 bits.
	Acesso rápido. 
	60ns (em um barramento de 33MHz , quando o iniciador estacionado no barramento PCI está escrevendo em um alvo PCI ).
	Operação concorrente no barramento. 
	Suporta todas as concorrências do barramento, com o barramento hospedeiro , barramento PCI e , as extensões do barramento em uso, simultaneamente.
	Suporta o barramento Master. 
	Todo o suporte do barramento PCI permite aos inicializadores, acessos de igual para igual no barramento , bem como acesso à memória principal e expansão de mecanismos. Em adicional , a master PCI pode acessar um alvo de hierarquia menor.
	Arbitragem oculta do barramento.
	A arbitragem par o barramento PCI pode ser feita enquanto um outro barramento máster está em poder do barramento PCI. Isto elimina a latência encontrada durante as arbitragens em outros barramentos.
	Baixo nº de pinos. 
	O uso econômico de sinais permite implementar alvos PCI com 47 pinos e inicializadores com 49 pinos.
	Checagem de integridade de
transação.
	Checagem da paridade de endereçamentos, comandos e dados.
	Três espaços de endereçamento.
	Toda a definição de memória, I/O e configuração de espaço de endereços.
	Auto configuração.
	Completa especificação de BIT-LEVEL dos registradores necessários para o suporte, detecção e configuração de periféricos automaticamente.
	Software transparente.
	Os DRIVERS utilizam os mesmos comandos e definições de STATUS quando se comunicam com mecanismos PCI ou expansões orientadas do barramento.
	Expansão dos adaptadores.
	A especificação inclui uma definição para conectores PCI e adaptadores adicionais.
	Tamanho dos adaptadores de
expansão.
	A especificação define três tamanhos: Long , Short e Variable-Height Short.
AGP (Accelerated Graphics Port)
Projetado especialmente para vídeo, pela Intel, que permite a uma interface de vídeo a comunicar-se diretamente com a memória RAM do computador. Fisicamente o barramento AGP é conectado ao mesmo circuito que contém a ponte PCI barramento local (norte). Utiliza largura de barramento de 32bits, operando a uma freqüência máxima de 66MHz, porém possuindo 4 modos de operação: x1, x2, x4 e x8.
PCI Express
Também conhecido como PCIeou PCI-EX é o sucessor do AGP e do PCI. Sua velocidade vai de x1 até x32 (atualmente só existe disponível até x16).
A frequência usada é de 2,5 GHz. PCI Express 1x consegue trabalhar com taxas de 250 MB por segundo, um valor bem maior que os 133 MB/s do padrão PCI de 32 bits. No caso das placas de vídeo, um slot PCI Express x16 é duas vezes mais rápido que um AGP 8x.
Em janeiro de 2007 foi concluído o desenvolvimento do padrão PCI Express 2.0. Ele oferece o dobro de velocidade do padrão antigo, ou seja, 500 MB/s. Um slot PCI Express x16, no padrão 2.0, poderá transferir até 8 GB/s contra 4 GB/s do padrão anterior.
USB (Universal Serial Bus)
Trata-se de uma tecnologia que tornou mais simples, fácil e rápida a conexão de diversos tipos de aparelhos (câmeras digitais, HDs externos, pendrives, mouses, teclados, MP3-players, impressoras, scanners, leitor de cartões, etc) ao computador, evitando assim o uso de um tipo específico de conector para cada dispositivo. 
Antigamente, conectar dispositivos ao computador era uma tarefa pouco intuitiva, muitas vezes digna apenas de técnicos ou usuários com experiência no assunto. Para começar, diante de vários tipos de cabos e conectores, era necessário descobrir, quase que por adivinhação, em qual porta do computador conectar o dispositivo em questão.
Quando a instalação era interna, a situação era pior, já que o usuário tinha que abrir o computador e quase sempre configurar jumpers e/ou IRQs. Somente de pensar em ter que encarar um emaranhado de fios e conectores, muitos usuários desistiam da ideia de adicionar um novo item à sua máquina.
Diante de situações desse tipo, a indústria entendeu a necessidade de criar um padrão que facilitasse a conexão de dispositivos ao computador. Assim, em 1995, um conjunto de empresas - entre elas, Microsoft, Intel, NEC, IBM e Apple - formou um consórcio para estabelecer um padrão. Surgia então o USB Implementers Forum. Pouco tempo depois disso, as primeiras especificações comerciais do que ficou conhecido como Universal Serial Bus (USB) surgiram. 
Vantagens do Padrão USB:
Padrão de conexão: qualquer dispositivo compatível como USB usa padrões definidos de, assim não é necessário ter um tipo de conector específico para cada aparelho;
Plug and Play (algo como "Plugar e Usar"): quase todos os dispositivos USB são concebidos para serem conectados ao computador e utilizados logo em seguida. Apenas alguns exigem a instalação de drivers ou softwares específicos. No entanto, mesmo nesses casos, o sistemaoperacional reconhecerá a conexão do dispositivo imediatamente;
Alimentação elétrica: a maioria dos dispositivos que usam USB não precisa ser ligada a uma fonte de energia, já que a própria conexão USB é capaz de fornecer eletricidade. Por conta disso, há até determinados dispositivos, como telefones celulares e MP3-players, que têm sua bateria recarregada via USB. A exceção fica por conta de aparelhos que consomem maior quantidade de energia, como scanners e impressoras;
Conexão de vários aparelhos ao mesmo tempo: é possível conectar até 127 dispositivos ao mesmo tempo em uma única porta USB. Isso pode ser feito, por exemplo, através de hubs, dispositivos que utilizam uma conexão USB para oferecer um número maior delas. Mas, isso pode não ser viável, uma vez que a velocidade de transmissão de dados de todos os equipamentos envolvidos pode ser comprometida. No entanto, com uma quantidade menor de dispositivos, as conexões podem funcionar perfeitamente;
Ampla compatibilidade: o padrão USB é compatível com diversas plataformas e sistemas operacionais. O Windows, por exemplo, o suporta desde a versão 98. Sistemas operacionais Linux e Mac também são compatíveis. Atualmente, é possível encontrar portas USB em vários outros aparelhos, como televisores, sistemas de comunicação de carros e até aparelhos de som, como mostra a foto abaixo:
Hot-swappable: dispositivos USB podem ser conectados e desconectados a qualquer momento. Em um computador, por exemplo, não é necessário reiniciá-lo ou desligá-lo para conectar ou desconectar o dispositivo;
Cabos de até 5 metros: os cabos USB podem ter até 5 metros de tamanho, e esse limite pode ser aumentado com uso de hubs ou de equipamentos capazes de repetir os sinais da comunicação.
Para muitos, não é exatamente um barramento, mas uma porta serial de alta velocidade.
Firewire (IEEE 1394)
A idéia é semelhante a do USB, porém com diferente foco: pretende substituir o padrão SCSI (Small Computer System Interface). Com taxa de transferência maior que o USB (200 a 400Mbits), poderá num futuro próximo ser utilizado na conexão de discos rígidos.
IrDA (Infrared Developers Association)
É um barramento sem fios, onde a comunicação é feita através de luz infravermelha. Pode-se ter até 126 periféricos “conversando” em uma mesma porta. Comum em notebooks pode estar diretamente na placa-mãe ou conectado a porta serial. Existem dois padrões, com taxas de transferência de 115200bps e 4Mbps;
Exercícios