Barramentos - Arquitetura de computadores Professora Sand

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Arquitetura de Computadores
Aula 11-12 – Barramento
Prof. Sand Luz Corrêa
 
Revisando ...
● Os sistemas de computação atuais, na sua
maioria, seguem a arquitetura de Von
Neumann
● Dados e instruções são armazenados em uma
única memória de leitura-escrita
● O conteúdo da memória é acessado através de
posições endereçáveis, independentemente do
conteúdo (dado ou instrução).
● A execução dos programas ocorre de forma
sequencial, a partir da primeira instrução.
 
Visão Geral dos Componentes
Principais de um Computador
 
Estrutura de Interconexão
● Um computador consiste em um conjunto de
componentes ou módulos conectados entre si
● O conjunto de caminhos conectando os
diferentes módulos é chamado de estrutura de
conexão ou barramento
● O projeto de um barramento depende do tipo
de informação trocada
 
Tipos de informações trocadas entre
módulos 
Memória
Read
Write
Endereço
Dado
Dado/Instrução Dispositivo
I/O
Read
Write
Endereço
Dado
Dado
Interrupção
Processador
Instruções
Dado
Interrupção
Endereço
Dado
Sinais de Controle
 
Tipos de informações trocadas entre
módulos 
● Portanto os barramentos devem permitir os
seguintes tipos de transferências
● Memória para o Processador
● Processador para a Memória
● E/S para Processador
● Processador para E/S
● E/S de/para Memória: alguns dispositivos
podem trocar dados diretamente com a
memória (Direct Memory Access - DMA)
 
Barramentos
● Um barramento é um
caminho conectando
dois ou mais
componentes
● Todo barramento é um
meio de transmissão
compartilhado
● Quando um dispositivo
transmite um sinal no
barramento, todos os
dispositivos conectados
recebem o sinal
CPU Memória
Principal Disco Impressora
Barramento
 
Característica
● Quando dois ou mais
dispositivos transmitem
ao mesmo tempo no
barramento, os sinais se
sobrepõem
● Logo, apenas um
dispositivo pode usar o
barramento por vez
CPU Memória
Principal Disco Impressora
Barramento
 
Característica
● Um barramento é
formado por várias
linhas
● Cada linha pode
transmitir apenas um
bit (0 ou 1) por vez
● Um barramento com
8 linhas pode
transmitir 8 bits em
um dado instante
 
Característica
● Num computador
existem vários tipos
de barramentos:
● Barramentos internos
ao processador
● Barramento CPU-
Memoria
● Barramento de E/S CPU Memória
Principal Disco Impressora
Barramento
 
Hierarquia de Barramentos
● Barramento Interno:
● Barramentos dentro do chip do processador
● Transportam dados dos registradores para a UAL e
vice-versa
● Transportam dados da CPU para a cache e vice-
versa
● São normalmente proprietários
 
Hierarquia de Barramentos
● Barramento externo
● Barramento de memória e barramento de E/S
● Seguem regras bem definidas de como o
barramento funciona → protocolo do barramento
● Esse protocolo permite que dispositivos de
memória e E/S fabricados por terceiros possam se
conectar ao barramento.
● Exemplos de barramentos externos:
– ISA, AGP, PCI, PCI-Express 
 
Projeto de um Barramento
● Principais questões levadas em consideração
no projeto de um barramento
● Largura do barramento
● Barramentos dedicados ou multiplexados
● Temporização de eventos
● Arbitragem do barramento
● Tipo de dispositivo conectado
 
Barramentos dedicados vs multiplexados
 
Barramento Dedicado
● Possui linhas dedicadas para cada tipo de informação
● Linhas de dados (barramento de dados): 
– movimentam dados entre componentes do sistema
● Linhas de endereço (barramento de endereço):
– movimentam endereços entre os componentes do
sistema
● Linhas de controle (barramento de controle)
– Movimentam sinais de controle: escrita de memória,
leitura de memória, escrita de E/S, leitura de E/S,
solicitação de uso do barramento, consentimento de uso
de barramento, interrupção, etc.
 
Barramento Dedicado
Desvantagem: aumento na largura do barramento, aumenta o
tamanho do barramento
 
Barramento Multiplexado
● As linhas de dados e endereço não são
separadas
● No início de uma operação de barramento, o
endereço é colocado nas linhas.
● Depois, as mesmas linhas são usadas para
transportar os dados.
● Vantagem: permite aumentar a largura do
barramento sem aumentar o tamanho do
barramento
● Desvantagem: a transferência de dados (ou a
transação no barramento) leva mais tempo, pois
dado e endereço não podem ser transmitidos ao
mesmo tempo
 
Largura do Barramento
 
● A largura do barramento é a quantidade de
bits que podem ser transmitidos em um
dado instante.
● Como cada linha de um barramento pode
transmitir apenas um bit, a largura de um
barramento é dada pelo seu número de
linhas. 
Largura de Barramento
 
Largura de Barramento
● A largura do barramento de endereço influencia
diretamente a quantidade de memória que a CPU
pode endereçar
● Se um barramento de endereço tem n linhas, então a
CPU pode endereçar 2n posições de memória 
● A largura do barramento de dados influencia o
desempenho geral do sistema.
● Se o barramento de dados que conecta a CPU à
memória principal tem 32 bits de largura e as instruções
têm um tamanho de 64 bits, a CPU tem que acessar a
memória 2 vezes para obter a instrução
 
Largura de Barramento
● Em geral, há duas formas de aumentar a taxa
de transmissão (qtde de bits transmitida por
unidade de tempo) de um barramento:
● Diminuindo o tempo de ciclo do barramento (ou
seja, aumentando a frequência do relógio do
barramento)
– Problemas
● aumenta a interferência entre as linhas do barrameto 
● atraso de propagação diferentes
● perda de compatibilidade com placas já existentes
● Aumentando o número de linhas de dados
– Problema: aumenta o tamanho, complexidade e o custo
do barramento
 
Largura de Barramento
 
Largura de Barramento
● A Solução para esse problema tem sido o uso
de barramentos multiplexados.
 
Temporização
 
Temporização
● De acordo com o relógio, os barramentos
podem ser classificados em:
● Síncronos
● Assíncronos
 
Barramento Síncrono
● Os eventos no barramento são guiados por um
relógio (próprio do barramento)
● Esse relógio é uma linha que carrega o sinal de
uma onda quadrada, que se repete com uma
determinada frequência (entre 5 e 100MHz).
● Todas as atividades no barramento tomam um
número inteiro de ciclos.
 
Barramento Síncrono
● Vantagem:
● Simples de implementar porque o tempo é
discretizado
● Desvantagem:
● Todos os eventos de barramento levam um tempo
múltiplo de relógio
– Se a CPU e a memória fisicamente são capazes de
completar uma transferência em 3.1 ciclos, eles terão
que prolongar a transferência até o 4o. ciclo.
● Isso ocorre pois não existe tempo fracionado neste
sistema.
 
Barramento Assíncrono
● Não existe um relógio mestre
● O controle do tempo ocorre exclusivamente por sinais
trocados entre os dispositivos (transmissor e receptor)
● Esse conjunto de sinais é denominado protocolo de
handshaking
● Desvantagem
● Mais complexo e mais caro que barramentos
síncronos
● Atualmente, a maioria dos barramentos são
síncronos
 
Arbitragem de Barramento
 
Arbitragem de Barramento
● Embora o barramento seja compartilhado por
vários dispositivos, duas transmissões não
podem ocorrer simultaneamente num mesmo
barramento
● Logo, deve haver um mecanismo que arbitra 
o uso do barramento.
● Mecanismos de arbitragem podem construídos
de forma 
● Centralizada
● Distribuída
 
Arbitragem de Barramento
Centralizado
● Existe uma entidade central que arbitra o uso do barramento
(chip próprio,ou dentro do chip do processador)
● Todo dispositivo que usa o barramento é conectado a duas
linhas de controle: request e grant
 
Arbitragem de Barramento
Centralizado
● Quando um dispositivo quer usar o barramento, ele seta o sinal
request
● Ao perceber um request, o árbitro seta o grant, que é
percebido primeiro pelo dispositivo mais próximo ao árbitro
 
Arbitragem de Barramento
Centralizado
● Se esse dispositivo quer usar o barramento, ele assume o
controle e não propaga o sinal . 
● Caso contrário, ele propaga o sinal de grant para o próximo
dispositivo na cadeia.
● Esse mecanismo de arbitragem é também chamado de daisy
chain
 
Arbitragem de Barramento
Descentralizada
● Existem n linhas de requisições cada uma com uma prioridade
diferente
● Em cada linha, conecta-se apenas um dispositivo.
● Não existe árbitro central: cada dispositivo monitora todas as
linhas
● Quando um dispositivo deseja usar o barramento, ele seta sua
linha de requisição (request)
● No final do ciclo, o dispositivo verifica se é o requisitante de
prioridade mais alta. Caso seja, ele usa o barramento.
● Problema: limita o número de dispositivos conectados ao
número de linhas de requisições existentes.
 
Tipo de Dispositivo Conectado
● Barramento de Memória
● Barramento de E/S
 
Tipo de Dispositivo Conectado
● Barramento de Memória
● Barramento de E/S
Um chip da placa mãe responsável 
por tratar a comunicação 
com a CPU, memória, placa de 
vídeo e ponte sul.
 
Tipo de Dispositivo Conectado
● Barramento de Memória
● Barramento de E/S
Um chip da placa mãe responsável 
por tratar a comunicação 
dos dispositivos de E/S com a 
ponte norte
 
Barramento de Memória
● São pequenos
● Operam em alta velocidade
● São em geral conectados diretamente à CPU para
maximizar a taxa de transferência entre memória
CPU
● Conectam tpos de dispositvos conhecidos (CPU e
Memória)
 
Barramento de E/S
● São barramentos de ordem geral, permitndo que vários
dispositvos diferentes possam ser conectados.
● Podem ser longos.
● Podem ter diferentes tpos de dispositvos conectados a ele.
● São, em geral, mais lentos que os barramentos de memória.
 
Exemplos de Barramento
 
Exemplos de Barramentos de E/S
• PCI
• AGP
• PCI-Express
• SATA
• SCSI
• Firewire
• USB
 
PCI (Peripheral Component
Interconnect)
• Defnido pela Intel para estabelecer um padrão de
barramento de alta desempenho que permitsse
diferenciações na implementação.
• Características
– Barramento síncrono.
– Arbitragem centralizada
– 32 ou 64 bits, 33 MHz (ou 66MHz, na versão 2.1).
– Dados e endereços são multplexados.
– 133 MB/s (4 bytes x 33MHz) até 533 MB/s (8 bytes x 66 MHz)
– Cada controlador permite cerca de 4 dispositvos
– Plug-and-Play
 
USB (Universal Serial Bus)
● Idealizado em 1995, é um padrão da indústria
para conectar computadores pessoais a
dispositivos como mouse, teclado, impressora,
câmera, etc.
● Pode ser usado também como conector de
energia
● Um controlador USB permite que sejam
conectados até 127 equipamentos com
velocidades de transmissão de 1,5 ou 12 Mbps.
● USB 2.0 (480 Mbps) e, mais recentemente,
USB 3.0 (4,8 Gbps)
 
PCI Express
● A demanda por maiores taxas em operações
de E/S, tem levado ao surgimento de
dispositivos de E/S cada vez mais rápidos
● Uma limitação para o aumento da taxa de
transmissão nos barramento é a transmissão
em paralelo. Ela apresenta os seguintes
problemas:
● À medida que a frequência do relógio aumenta,
aumenta a interferência de uma linha na outra;
aumenta também o atraso na chegada dos bits.
● A mesma linha é usada para transmitir e receber
dados (Half-duplex )
 
PCI Express
● Ruptura com a arquitetura tradicional de
barramento
● Substitui os barramentos paralelos por conexões
seriais ponto a ponto de alta velocidade.
– Barramento paralelo: transmite vários bits por vez
– Barramento serial: transmite apenas um bit por vez
● Idéia trazida do mundo de redes ---> switches
Ethernet
– Um PC é uma coleção de chips de CPU, memória e
controladores de E/S que precisam ser conectados
– PCI Express provê um “switch” de propósito geral para
conectar chips usando ligações seriais 
 
PCI Express
● Trabalha no modo full-duplex. Os dados são transmitidos
nesse barramento através de dois pares de fios chamados
pista.
● Cada pista permite obter taxa de transferência máxima de
250 MB/s em cada direção.
● Podemos encontrar sistemas PCI Express com 1, 2, 4, 8,
16 e 32 pistas. 
● Por exemplo, a taxa de transferência de um sistema PCI
Express com 8 pistas (x8) é de 2 GB/s (250 * 8).
● O barramento PCI Express é hot plug, ou seja, é possível
instalarmos e removermos placas PCI Express mesmo
com o micro ligado.
 
PCI Express
 
PCI Express
 
PCI Express
Processador
Ponte Sul Ponte Norte
Slot de 
memória
 
1) Considere um computador com um barramento
síncrono com ciclo de 50 ns, durante o qual ele pode ler
ou escrever uma palavra de 16 bits na memória. O
computador tem um disco que usa esse barramento e que
tem uma taxa de transferencia de 20 Megabytes/s (Mega
= 106).
a) Quantos bytes o barramento consegue transportar por
segundo?
b) Supondo que a CPU normalmente busca e executa
uma instrução de 16 bits a cada 50 ns, quantas instruções
a CPU processa por segundo?
c) O barramento pode ser considerado um gargalo para a
CPU?
d) Quantos ciclos de barramento são necessários para
transportar o volume de dados que o disco produz por
segundo?
 
2) Considere um microprocessador conectado a um
barramento de dados de E/S de 16 bits e relogio de 8 MHz.
Assume-se que o ciclo desse barramento tem duracao de
quatro ciclos de relogio. Pergunta-se:
a) Qual e a taxa maxima de transferencia de dados, em
bytes/s, atraves do barramento que conecta o
microprocessador aos dispositivos de E/S?
b) Para aumentar o desempenho do sistema de E/S, seria
melhor fazer seu barramento de dados de 32 bits ou dobrar a
frequencia do relogio do barramento? 
 
Bibliografia
● Arquitetura e Organização de Computadores
(William Stallings)
● Capítulo 3
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	Slide 40
	Slide 41
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	Slide 44
	Slide 45
	Slide 46
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	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50
	Slide 51
	Slide 52