Barramentos da antiguidade

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Barramentos da antiguidade: ISA, EISA, MCA e VLB
Por Carlos E. Morimoto em 7 de dezembro de 2010 às 14h32
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Os barramentos são utilizados para interligar os diferentes componentes da placa-mãe e também permitir o uso de placas de expansão. Assim como os demais componentes, os barramentos evoluíram de forma expressiva durante as últimas décadas, passando do ISA e das portas seriais, aos slots PCI Express e portas USB 2.0, que utilizamos atualmente.
O ISA foi o primeiro barramento de expansão utilizado em micros PC. Existiram duas versões: os slots de 8 bits, que foram utilizados pelos primeiros PCs e os slots de 16 bits, introduzidos a partir dos micros 286.
Embora fossem processadores de 16 bits, os 8088 comunicavam-se com os periféricos externos utilizando um barramento de 8 bits, daí o padrão ISA original também ser um barramento de 8 bits. Inicialmente, o barramento ISA operava a apenas 4.77 MHz, a freqüência de clock do PC original, mas logo foi introduzido o PC XT, onde tanto o processador quanto o barramento ISA operavam a 8.33 MHz. Com a introdução dos micros 286, o barramento ISA foi atualizado, tornando-se o barramento de 16 bits que conhecemos. Na época, uma das prioridades foi preservar a compatibilidade com as placas antigas, de 8 bits, justamente por isso os pinos adicionais foram incluídos na forma de uma extensão para os já existentes.
Como você pode ver na foto, o slot ISA é dividido em duas partes. A primeira, maior, contém os pinos usados pelas placas de 8 bits, enquanto a segunda contém a extensão que adiciona os pinos extra:
Uma coisa que chama a atenção nos slots ISA é o grande número de contatos, totalizando nada menos que 98. Por serem slots de 16 bits, temos apenas 16 trilhas de dados, as demais são usadas para endereçamento, alimentação elétrica, sinal de clock, refresh e assim por diante.
Apesar de toda a complexidade, o barramento ISA é incrivelmente lento. Além de operar a apenas 8.33 MHz, são necessários tempos de espera entre uma transferência e outra, de forma que, na prática, o barramento funciona a apenas metade da freqüência nominal. Dessa forma, chegamos a uma taxa de transmissão teórica de 8.33 MB/s (no ISA de 16 bits). Como existe um grande overhead causado pelo protocolo usado, na prática acaba sendo possível obter pouco mais de 5 MB/s de taxa de transferência real.
Com o surgimento dos processadores 386, que trabalhavam usando palavras binárias de 32 bits, tornou-se necessária a criação de um barramento mais rápido que o ISA para o uso de periféricos como placas de vídeo e HDs, que logo passaram a ter seu desempenho severamente limitado por ele.
A primeira resposta veio por parte da IBM, que desenvolveu o barramento MCA. Ele era bastante avançado para a época: além de ser um barramento de 32 bits, ele operava a 10 MHz, o que resultava numa taxa de transferência teórica de 32 MB/s. Ele também foi o primeiro barramento a suportar plug-and-play (oito anos antes do lançamento do Windows 95) e a suportar bus mastering, o que permitia que o HD e outros periféricos transferissem dados diretamente para a memória RAM (ao carregar um programa, por exemplo), deixando o processador livre para executar outras tarefas. Isso tornava o sistema bem mais responsível em relação às máquinas equipadas com placas ISA. O grande problema é que o MCA era um padrão proprietário, de forma que tanto outros fabricantes de PCs quanto fabricantes de periféricos precisariam licenciar a tecnologia e pagar royalties para produzir produtos compatíveis. Isso fez com que no final, o MCA acabou se revelando um grande fracasso.
Inicialmente, os demais fabricantes continuaram produzindo micros 386 e 486 utilizando apenas periféricos ISA, o que resultava em limitações óbvias, sobretudo com relação ao desempenho do HD e vídeo. Entretanto, não demorou para que a Compaq desenvolvesse o EISA e abrisse as especificações para os demais fabricantes, criando uma entidade sem fins lucrativos para impulsionar seu desenvolvimento.
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.
O EISA acabou tendo uma vida curta, pois em 1993 surgiu o VLB (VESA Local Bus), outro padrão aberto de barramento de 32 bits, que conseguia ser muito mais rápido, trabalhando a uma freqüência 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. Nesta época, o Windows 3.11 e os aplicativos gráficos já eram populares, de forma que existia uma grande demanda por placas de vídeo mais rápidas. O "rápido" que menciono aqui é a simples capacidade de atualizar a tela em tempo real enquanto edita uma imagem no Photoshop, não tem nada a ver com aceleração 3D ou exibição de vídeo em alta resolução, como temos hoje em dia :). Além de serem muito lentas, as placas de vídeo ISA eram limitadas à exibição de apenas 256 cores.
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 tradicional, seguido por um segundo conector, 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 faziam com que a placa envergasse, comprometendo o encaixe.
6 comentáriosPor Carlos E. Morimoto. Revisado 7 de dezembro de 2010 às 14h32
Como funciona o barramento PCI Express
por Tracy V. Wilson - traduzido por HowStuffWorks Brasil
Neste artigo
1. 
Introdução
2. 
PCI Express e recursos gráficos avançados
3. 
Mais informações
4. 
Veja todos os artigos sobreHardware
Introdução
Os slots de Interconexão de Componentes Periféricos (PCI, do inglês Peripheral Component Interconnect) estão tão integrados ao computador que muitas pessoas nem notam a sua presença. Há anos, o PCI tem sido um jeito versátil e funcional de conectar placas de som, vídeo e rede à placa-mãe.
Mas o PCI tem algumas limitações. Enquanto processadores e placas de vídeo, som e rede ficaram mais rápidos e mais potentes, o PCI não evoluiu. Continua com largura fixa de 32 bits e suporta somente 5 dispositivos por vez. O barramento mais novo, de 64 bits (PCI-X), tem mais largura de banda, mas a largura maior intensifica alguns dos outros problemas do PCI.
Um novo protocolo, chamado PCI Express (PCIe) elimina muitas destas deficiências, tem mais largura de banda e é compatível com os sistemas operacionais existentes. Neste artigo, falaremos das diferenças entre o PCIee o PCI. Também veremos como o PCI Express deixa o computador mais rápido, melhora o desempenho gráfico e substitui o slot AGP.
	
Conexão serial de alta velocidade
Quando a informática surgiu, uma enorme quantidade de dados era transferida via conexões seriais. Os computadores separavam os dados em pacotes e então moviam os pacotes, um de cada vez, de um lugar para outro. As conexões seriais eram confiáveis, mas eram lentas, então os fabricantes começaram a usar conexões paralelas para enviar múltiplos pacotes de dados simultaneamente.
Acontece que as conexões paralelas também têm problemas conforme as velocidades aumentam: por exemplo, os fios podem causar interferências eletromagnéticas entre si  e aí a balança volta a favorecer as conexões seriais otimizadas. Melhorias no hardware e no processo de dividir, classificar e remontar pacotes levoua conexões seriais muito mais rápidas, como aUSB 2.0 e a FireWire.
	Ajustando o tamanho
Placas PCIe menores vão caber em slots PCIe maiores. O computador simplesmente ignora as conexões extras. Por exemplo, uma placa x4 pode ser inserida em um slot x16. Mas uma placa x16 seria muito grande para um slot x4.
O PCI Express é uma conexão serial mais parecida com uma rede do que com umbarramento. Ao invés de um barramento que gerencia dados de múltiplas fontes, o PCIe tem um switch que controla várias conexões seriais ponto-a-ponto. Veja Como funcionam os Switches de LAN (rede de comunicação local) para mais detalhes. Estas conexões saem do switch e vão direto aos dispositivos para onde os dados precisam ir. Cada dispositivo tem sua própria conexão dedicada, então eles já não compartilham mais a largura de banda, como acontecia no barramento convencional.
Quando o computador inicia o PCIe determina quais dispositivos estão conectados à placa-mãe. Ele então identifica as ligações entre os dispositivos, criando um mapa de tráfego e negociando a largura de banda para cada ligação. Esta identificação de dispositivos e conexões é o mesmo protocolo que o PCI usa. Sendo assim, o PCIe não requer nenhuma mudança no software ou no sistema operacional.
	
Cada caminho ("lane") de uma conexão PCI Express contém dois pares de fios: um para envio e outro para recepção. Pacotes de dados movem-se pela "lane" na razão de um bit por ciclo. Uma conexão x1, a menor conexão PCIe, tem uma "lane" composta por quatro fios. Ela carrega um bit por ciclo em cada direção. Uma ligação x2 tem oito fios e transmite dois bits por vez, uma x4, quatro bits, e assim por diante. As outras configurações são x12, x16 e x32.
	
O PCI Express está disponível para PCs de mesa e laptops. Seu uso pode levar a uma redução de custo na produção de placas-mãe, uma vez que suas conexões têm menos pinos que conexões PCI. Também pode suportar muitos dispositivos, inclusive placas Ethernet, USB 2 e placas de vídeo.
	Dois x dois
O "x" em "x16" significa "por". As conexões PCIe são escalonáveis por um, por dois, por quatro e assim por diante.
Mas como uma conexão serial pode ser mais rápida do que os 32 fios do PCI ou dos 64 fios do PCIx? Na próxima seção, veremos como o PCIe é capaz de ter uma grande largura de banda em um formato serial.
PCI Express: velocidades de conexão
O barramento PCI de 32 bits tem velocidade máxima de 33 MHz, o que permite que um máximo de 133MB de dados passe pelo barramento por segundo. O barramento PCI-X de 64 bits tem duas vezes a largura de barramento do PCI. Diferentes especificações de PCI-X possibilitam diferentes taxas de transferência de dados, de 512MB a 1GB de dados por segundo.
	
Dispositivos PCI compartilham um barramento comum, mas cada dispositivo PCI Express tem sua própria conexão dedicada ao switch
Cada "lane" do PCI Express, no entanto, suporta 200MB de tráfego em cada direção por segundo. Um conector PCIe x16 consegue transportar incríveis 6.4GB de dados por segundo em cada direção. Com tais velocidades, uma conexão x1 pode facilmente gerenciar uma conexão Ethernet gigabit, e mais aplicativos de áudio e armazenamento. Uma conexão x16 consegue facilmente gerenciar adaptadores de vídeo poderosos.
Como isto é possível? Alguns avanços simples contribuíram para este grande salto na velocidade de conexão serial:
	
priorização de dados, que permite que o sistema transfira primeiro os dados mais importantes e ajuda a evitar gargalos
transferências de dados em tempo real
melhorias nos materiais usados na fabricação das conexões
melhor handshake e detecção de erros
melhores métodos para quebrar os dados em pacotes e montá-los de volta. Além disso, como cada dispositivo tem sua própria conexão ponto-a-ponto dedicada com o switch, sinais de múltiplas fontes não precisam mais utilizar o mesmo barramento
	Barramento mais lento
Interferência e degradação de sinal são comuns em conexões paralelas. Materiais de qualidade inferior e sinal cruzado vindo de fios próximos resultam em ruído, que deixa a conexão mais lenta. A largura de banda adicional do barramento PCI-X significa que ele pode carregar mais dados, o que pode gerar ainda mais ruído. O protocolo PCI também não prioriza dados, então dados mais importantes podem ficar presos em gargalos. O uso do slotAccelerated Graphics Port (AGP, Porta de Aceleração Gráfica) para placas de vídeo diminui bastante o tráfego, mas não o suficiente para acompanhar processadores mais rápidos e dispositivos de entrada/saída.
PCI Express e recursos gráficos avançados
Chegamos à conclusão de que o PCIe elimina a necessidade de uma conexão AGP. Um slot PCIe x16 consegue suportar muito mais dados por segundo do que as atuais conexões AGP. Além disso, um slot PCIe x16 fornece 75 watts de energia para a placa de vídeo, mais do que os 25 watts/42 watts da conexão AGP 8x. Mas o PCIe ainda tem um potencial muito mais impressionante guardado para o futuro da tecnologia gráfica.
	
Placa de vídeo PCI Express
	
Placa de vídeo AGP 8x
Com o hardware certo, uma placa-mãe com duas conexões PCIe x16 suporta dois adaptadores de vídeo ao mesmo tempo. Muitos fabricantes estão desenvolvendo e lançando sistemas para aproveitar esta característica:
NVIDIA Scalable Link Interface (SLI - Interface de Ligação Escalonável) - com uma placa-mãe certificada para SLI, duas placas de vídeo SLI e um conector SLI, um usuário pode usar duas placas de vídeo no mesmo sistema. As placas trabalham juntas e dividem a tela pela metade. Cada placa controla metade da tela, e o conector garante a sincronia entre elas.
	
Foto: cortesia da NVIDIA
Placa de interface de ligação NVIDIA SLI
ATI CrossFire - duas placas de vídeo ATI Radeon, uma delas com um chip "composite engine", são conectadas em uma placa-mãe compatível. A tecnologia da ATI é centrada na qualidade da imagem e não requer duas placas de vídeo idênticas, apesar de sistemas de alta-performance precisarem de placas idênticas. O CrossFire divide o trabalho de desenhar a imagem na tela optando por uma entre as seguintes maneiras:
dividir a tela ao meio e atribuir uma metade para cada placa (processo chamado de "cortar com a tesoura", do inglês "scissoring")
dividir a tela em blocos (como um tabuleiro de damas) e atribuir os quadrados "brancos" para uma placa desenhar e os "pretos" para a outra
deixar cada placa desenhar um quadro completo por vez
Alienware Vídeo Array - duas placas de vídeo não convencionais são juntadas a um Vídeo Merger Hub e a um software proprietário. Este método irá utilizar sistemas de resfriamento e energia especializados para administrar o calor e energia extra das placas de vídeo. A tecnologia da Alienware suporta até quatro placas de vídeo.
	
Foto: cortesia da NVIDIA
Duas placas de vídeo funcionando em paralelo
O futuro do PCI Express
Como o PCI, o PCI-X e o PCI Express são compatíveis, os três vão coexistir por tempo indeterminado. Até agora, as placas de vídeo são as que fizeram a transição mais rápida para o formato PCIe. Adaptadores de rede e som, assim como outros periféricos, têm evoluído lentamente. Mas como o PCIe é compatível com os sistemas operacionais atuais e apresenta velocidades mais altas, é provável que ele eventualmente venha a substituir o PCI como padrão para computadores. Aos poucos, as placas PCI vão se tornar obsoletas.
O barramento PCI Express
O barramento PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, notado PCI-e ou 3GIO para "Third Generation I/O"), é um canal de interconexão que permite a adição de placas de extensão no computador. O canal PCI Express foi criado em Julho de 2002. Contrariamente ao canal PCI, que funciona em conversão paralela, o canal PCI Express funciona em conversão série, o que lhe permite obter uma banda concorrida muito mais elevada que este último. 
Características do barramento PCI Express
O barramento PCI Express declina-se em várias versões, 1X, 2X, 4X, 8X, 12X, 16X e 32X, permitindo obter débitos compreendidos entre 250 Mo/s. e. 8 Go/s, ou seja, quase 4 vezeso débito máximo das portasAGP 8X. Assim, com um custo de fabrico similar ao da porta AGP, o canal PCI Express vai substitui-lo progressivamente. 
Conectores PCI Express
Os conectores PCI Express são incompatíveis com os antigos conectores PCI e possuem dimensões variáveis e um consumo eléctrico mais fraco. Uma das características interessantes do canal PCI Express é a possibilidade de ligar ou desligar componentes quentes, ou seja sem estar a apagar ou arrancar a máquina. Os conectores PCI Express são reconhecíveis graças à sua pequena dimensão e à sua cor antracite :
O conector PCI Express 1X possui 36 conectores e destina-se a um uso de entrada/saída a elevado débito :
O conector PCI Express 4X possui 64 conectores e destina-se a um uso sobre servidores :
O conector PCI Express 8X possui 98 conectores e é destinado a um uso sobre servidores :
O conector PCI Express 16X possui 164 conectores, e mede 89 mm de largura e serve de porta gráfica :
O padrão PCI Express tem igualmente vocação para suplantar a tecnologia PC Card sob a forma de conectores "PCI Express Mini Card". Além disso, contrariamente aos conectores PCI cujo uso estava limitado à técnica das conexões interna, o padrão PCI Express permite ligar periféricos externos com a ajuda de cabos. No entanto, não faz concorrência às portas USB ou FireWire.