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Arquitectura de Ordenadores

UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 1José A. Rodríguez Mondéjar Cesáreo Fernández Martínez

¿Qué es un bus?• Una comunicación compartida• Un conjunto de cables para comunicar múltiples

subsistemas

• El bus es un herramienta fundamental para construir grandes y complejos sistemas

Control

Datapath

Memoria

ProcesadorEntrada

Salida

Ejemplo: organización de un PC

Bus del procesador

Bus PCI

Otros buses de entrada/salida•IDE•USB•ISA

Pros y Contras de los buses• Ventajas:

– Flexibilidad del sistema• Facilidad para añadir nuevos componentes• Mover periféricos entre ordenadores que comparten el mismo bus

– Economía• Las mismas conexiones compartidas por múltiples componentes

– Manejar la complejidad partiendo el diseño: divide y vencerás• Desventajas

– Crea un cuello de botella• Todo pasa a través del bus• El ancho de banda del bus limita la velocidad en las transacciones

entre los componentes del sistema– Velocidad máxima limitada

• Longitud del bus• Número de dispositivos conectables• Flexibilidad para soportar diferentes tipos de dispositivos

– Más flexible: más lento

Organización física de un bus• Líneas de control

– Organizar las transferencias de datos entre los dispositivos conectados al bus

– Indicar qué tipo de información circula por el bus de datos• Líneas de datos

– Llevar la información desde la fuente al destino.– Datos y direcciones (bus de datos y bus de direcciones).– Comandos complejos

Líneas de datos

Líneas de Control

Organización de la comunicación del bus• Maestro/esclavo• Una transacción a través del bus incluye dos partes:

– Petición de operación a través de un comando• El comando lleva asociada una dirección para indicar a qué dispositivo

va dirigido– Transferencia del dato

• El maestro es quién inicia la transacción en el bus mandando el comando ( y la dirección si es necesario).

• El esclavo es el que responde al maestro enviando el dato al maestro o recibiéndolo del maestro– En los casos sencillos de entrada/salida el procesador es el

maestro (El comando es simplemente la dirección, R/W y CS).

Maestrodel bus

Esclavo del bus

Maestro envía comando

Dato va en uno de los sentidos

Tipos de buses en el ordenador• Buses de conexión CPU-Memoria

– Cortos y de alta velocidad– A la medida del procesador y la

memoria• Maximizar el ancho de banda

– Optimizados para transferencias de bloques de caché

• Buses de entrada/salida– Más largos y lentos– Estándar – Pensados para conectar un amplio

rango de periféricos• Cuando esos periféricos se agrupan

en grupos con necesidades semejantes aparecen diferentes tipos de bus

• Ejemplo: del bus PC original a ISA, PCI, AGP, USB

• Adaptadores entre buses

Ordenador con un solo bus• El bus (backplane) es usado para comunicar

– Procesador con la memoria– Procesador con dispositivos de entrada/salida

• Ventajas: simple y barato• Desventajas: lento, es el mayor cuello de botella del

sistema• Ejemplo: IBM PC – XT /AT

Procesador Memoria

Dispositivos de Entrada/Salida

Backplane

PC-XT original

Conector Bus PC XT

Organización Placa Madre 8088 y Bus PC-XT (ISA)

Bus PC-XTBus CPU

Ordenador con dos tipos buses• Buses de I/O que conectan con el bus principal del sistema

(CPU – memoria) a través de adaptadores– Un bus de alta velocidad para conectar CPU, memoria y

adaptadores a otros buses– Buses de I/O a la medida de los periféricos

• Ejemplo: Apple Macintosh-II– NuBus: procesador, memoria y dispositivos ultrarrápidos.– SCSI: resto de dispositivos

Procesador Memoria

I/OBus

Bus procesador-memoria

BusAdaptor

I/OBus

Ordenador con tres tipos de buses • Liberar el bus de la CPU – memoria de la Entrada/Salida

– Bus entre CPU, memoria y un sólo adaptador– Bus de entrada/salida de alta velocidad para conectar diferentes

tipos de periféricos o adaptadores con buses de más baja velocidad. Actualmente es el bus PCI

– Diferentes bus de entrada/salida según necesidades

Procesador MemoriaBus procesador memoria

BusAdaptor

I/O BusBackplane

I/O Bus

Organización de buses en un PC actual

Chipset y buses

Organización física

Otra organización: Compact PCI

Backplane con conectores para

tarjetas CompactPCICPU CompactPCI

¿Cómo se define un bus?• Nivel mecánico

– Conexión física, cables, conectores, tamaño de las placas, etc.• Nivel eléctrico

– Circuito eléctrico equivalente de los dispositivos que se conectan al bus: tensiones, corrientes, impedancias.

• Nivel lógico– Equivalencia entre los valores eléctricos y los valores lógicos

• Nivel de temporización básica– Establece los cronogramas para la realización de un ciclo de bus

• Nivel de transferencia elemental– Transferencia de un dato elemental por el bus

• Nivel de transferencia de bloque– Bloque de información

• Buses estándar (IEEE) y estándar de facto (fabricantes)

Nivel mecánico: Ejemplo de conectores

Temporización: Síncrono/Asíncrono• Buses síncronos

– Una línea del control es el reloj– Todo ocurre a ritmo del reloj: la temporización es fija– Ventajas

• Muy rápido y necesita poco hardware– Desventajas

• Todo dispositivo debe funcionar a la velocidad del reloj• Corto para que no haya clock skew

• Buses asíncronos– No hay reloj (No hay problema de clock skew)– Se puede acomodar a dispositivos de diferentes velocidades– Necesita de un protocolo de handshake

• Maestro avisa a esclavo para realizar una operación• Esclavo avisa a maestro que ha realizado la operación

– Más lentos y complejos

Ejemplo de operación síncrona/asíncrona• Síncrona

• Asíncrona

Más sobre temporización: Ciclo de bus• Bus de ciclo completo

– El bus está ocupado mientras dura una transferencia elemental entre dos dispositivos

– El bus puede estar ocupado mucho tiempo esperando a que un periférico responda

• Bus de ciclo partido– El tiempo del bus se divide en slots de tiempo para poder compartir

varias operaciones de bus entre diferentes periféricos• Ejemplo:

– En un slot el maestro mada un comando para un periférico– En el siguiente, en vez de esperar la respuesta del periférico,

manda un comando para otro– A continuación espera, o ya recoge el resultado del primer

comando– Es llevar el pipeline al bus– Muy complejo de gestionar

Ejemplo de ciclo de bus completo/ ciclo partido• Ciclo de bus completo

• Ciclo de bus partido (pipelined bus)

Tamaño del bus: multiplexado/demultiplexado• Separado o demultiplexado

– Direcciones y datos son enviados en el mismo ciclo de bus

– Problema del número de líneas• Multiplexado

– Primero se envían las direcciones y después los datos

– Direcciones y datos comparten el mismo bus

– Menor coste– Más complejo

Cronograma de un bus multiplexado

Tamaño del bus: grado de paralelismo• Paralelo

– La información circula en grupos de bits– Esquema visto hasta ahora– Más cerca de la CPU: mayor número de líneas en paralelo

• El ancho de banda depende de la velocidad y del número de líneas en paralelo

• Serie– La información circula bit a bit entre dispositivos

Transferencial elemental: Control del bus• Caso de un solo maestro:

– Caso simple visto• Varios posibles maestros

– Varias CPUs que comparten un mismo sistema de memoria

– Arbitraje para que en cada momento haya un solo maestro.

• Centralizado– Un arbitro único

• Distribuido– Cada dispositivo tiene un

árbitro que puede tomar el control del bus

– Ejemplo: Ethernet

Tipos de arbitraje centralizado• Daisy-chain

• Paralelo

Opciones en los buses

AsíncronoSíncronoReloj

SeriePipelineProtocolo

Dato a datoRáfagaTransferencia de datos

UnoMúltiplesMaestros del bus

Ancho mínimo (menos líneas: más barato) 1 bit, 8 bits

Ancho máximo (32 bits, 64 bits)

Ancho del dato

Líneas de datos y direcciones multiplexadas

Líneas de datos y direcciones separadas

Ancho del bus

Bajo costeBuses de altas prestaciones

Opción

Comparación a nivel de ancho de banda de buses

Más datos de comparación entre buses

Cuestiones sobre buses• Bus PLUG&PLAY (PnP)

– Detección automática de dispositivos e incorporación funcional al nivel de sistema operativo.

• Problemas de los sistemas no PnP– Configuración manual (jumpers)– Configuración mediante programa propio del fabricante– Recursos únicos y predeterminados para cada periférico (ej:

interrupciones, canal DMA)– Colisiones entre dispositivos.

• Componentes de un sistema Pnp– Tarjetas PnP– Bus PnP– BIOS PnP– Drivers PnP– SO PnP

• Diseño de un sistema sencillo PnP

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