Arquitectura e Barramento são portanto dois termos que identificam elementos distintos, mas que nos últimos tempos, com a chegada da informática a um cada vez maior número de leigos se foram deturpando e é hoje em dia vulgar ouvi-los como sendo a mesma coisa.
Existem dois problemas fundamentais associados a estes dois elementos:
Figura 3.1 - Dispositivos externos comuns em computadores pessoais
Quando nos referimos aos termos chip set ou motherboard estamo-nos a referir especificamente à arquitectura do computador. No entanto:
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1. Slot 1 for
Pentium® II processor cartridge 2. ATX power connector 3. CPU fan headert 4. AGP slot Supports AGP 66MHz/133MHz (Sideband) 3.3V device 5. SB-LinkTM header 6. Super I/O chipset 7. Five PCI slots 8. System BIOS 9. Hardware monitoring 10. Two ISA slots 11. Two USB ports connectors 12. PS/2 mouse port connector 13. PS/2 keyboard port connector 14. Three 168-pin DIMM sockets support for SDRAM module 15. Floppy port connector 16. Primary IDE connector 17. Secondary IDE connector 18. Clock generator 19. Intel 440BXchipset (82443BX and 82371EB) 20. Front chassic fan header 21. Standard/EPP/ECP parallel port connector 22. 16550 fast UART compatible serial ports connector(COM2) 23. 16550 fast UART comlatible serial ports connector(COM1) |
Figura 3.2 - Imagem duma motherboard e seus constituintes principais
A arquitectura de computador tem 3 objectivos fundamentais:
O princípio fundamental de coordenação dentro do sistema são os pedidos de interrupções (interrupt request-IRQ). Quando determinado dispositivo necessitava de participar no processamento emite um pedido ao CPU (IRQ). Este por sua vez, reconhecendo o pedido (cada dispositivo emite um IRQ único no sistema), pára por momentos as suas tarefas e inicia o processamento das tarefas requeridas pelo periférico.
Todos os dispositivos funcionam baseados neste princípio, pelo que se considera o CPU o coordenador geral entre os componentes do sistema. Como o CPU é o único coordenador das transacções no sistema não ocorrem conflitos.
As comunicações são realizadas através do barramento (em inglês, bus).
Além de coordenar as actividades dos dispositivos, o CPU é responsável pela cópia de dados da memória para o periférico e do periférico para a memória.
O computador deve ter possibilidade de evolução ao longo do tempo. Ou seja, o sistema deve prevêr o acrécimo de novos componentes. Estes devem interligar-se de forma simples e normalizada, para que as alterações no resto do sistema sejam nulas ou mínimas.
O funcionamento genérico duma arquitectura apresenta um conjunto de interfaces físicas (slots), que permite que outros dispositivos sejam acrescentados ao sistema.
Como esses novos componentes se interligam com o resto do sistema através dos mecanismos de interrupção, a sua implementação é muito simples e normalizada, o que provoca o aparecimento de dispositivos externos variados e para os mais diversos propósitos.
No entanto, a tecnologia agora descrita é bastante limitada, pelo que ao longo dos anos foram surgindo evoluções. As evoluções verificadas surgiram fundamentalmente em três vectores:
Todos os dispositivos são tratados com a mesma importância, o que nem sempre é aconselhável ou desejável.
Com o evoluir da tecnologia, o desempenho que era suficiente, passou a ser verdadeiramente limitativo. Continuam a existir dispositivos que necessitam do mesmo desempenho, mas outros (e.g. interface de vídeo com o surgimento das interfaces gráficas) exigem novas capacidades.
Assim, não faz sentido que todos os dispositivos sejam tratados e tenham a mesma importância perante o sistema.
Esta característica tem sido expandida através da evolução no barramento.
Observe-se:
- O CPU, enquanto dedicado a tarefas de coordenação e comunicação não se dedica ao processamento efectivo da informação, o que faz com que a desempenho geral do sistema diminua consideravelmente.
- Com a evolução tecnológica dos processadores, a capacidade de transmissão do barramento passou a limitar a velocidade do processador. Como o CPU é o responsável pela transmissão gasta mui tempo nestas tarefas.
Torna-se portanto necessário que os dispositivos sejam responsáveis pelas suas próprias actividades no sistema, de forma a libertarem o CPU dessas tarefas.
Esta característica tem sido expandida através da evolução no barramento.
Cada dispositivo externo tem uma interface independente do resto do sistema, o qual obedece a regras de interligação já definidas. Com a evolução, determinados dispositivos externos passaram a ser comuns em muitos computadores (teclado, portas série/paralela, discos magnéticos, etc.)
É portanto razoável que o chip set permita e disponibilize de origem, interfaces e controladores para esses dispositivos. Esta metodologia, permite o balanceamento e optimização geral do sistema, o que seria dificíl de conseguir se os dispositivos fossem integrados a postriori.
Apesar de por vezes a integração ser sinónimo de limitações na expansão, neste caso não se verifica, pois praticamente todos os controladores podem ser "desligados" para que outros executem as suas tarefas.
Hoje em dia, os chip set disponibilizam variadíssimas funcionalidades como por exemplo:
- Controlador de memória;
- Controlador EIDE;
- Controlador de barramento PCI;
- Controlador de barramento ISA;
- Controlador de barramento AGP;
- RTC (real-time clock);
- Controlador DMA;
- Controlador de teclado;
- Controlador de rato;
- Controlador de memória cache secundária (L2);
- Controlador de portas série/paralela;
- Controlador de barramento USB;
- etc.
Assim, cada chip set está preparado para trabalhar com um conjunto limitado desses componentes, pelo que determinado computador é evolutível dentro de determinados limites tecnológicos. Diz-se por exemplo que um chip set está preparado para suportar:
- CPU:
- Pentium® II 350 ~ 450 MHz (a 100MHz RTC)
- Pentium® II 233 ~ 333 MHz (a 66MHz RTC)
- Celeron® 266 ~ 333 MHz (a 66MHz RTC)
- Memória:
- 3 sockets DIMM support SDRAM module 168-pin
- Máximo de 384MB (8, 16, 32, 64, 128MB SDRAM)
- ECC
- Cache Memory:
- Nível 1 e Nível 2 existente na cartridge do Intel Pentium ®II
- Barramentos (expansão):
- 2 slots ISA
- 5 slots PCI
- 1 slot AGP
O Barramento é o componente da arquitectura do computador que interliga todos os componentes do computador. Trata-se dum conjunto de condutores eléctricos através dos quais passa três tipos de informação:
Embora nem sempre tenham existido sob estes termos, distinguem-se dois tipos de barramento dentro do computador:
Figura 3.3 - Esquema de barramento local e de E/S [fonte]
No caso de ser um barramento E/S, pode ainda ser caracterizado em relação à sua aplicação:
Figura 3.4 - Esquema de barramento local, interno e externo
Como se referiu em Coordenação, os pedidos de interrupção
(IRQ) servem para o CPU coordenar as transacções entre os
diversos componentes do sistema no acesso a memória e
barramento. Este funcionamento é necessário pois apenas um
dispositivo pode aceder ao barramento e memória num dado
momento. Se mais do que um dispositivo aceder em simultâneo a
comunicação é impossível.
Para isso, cada dispositivo tem associado um IRQ (numérico)
único no sistema, que o identifica e lhe confere diferentes
prioridades.
Por norma, um computador pessoal dispõe de vários IRQ’s, que são distribuídos pelos dispositivos no arranque. Cada dispositivo deverá requisitar um IRQ que ainda não tenha sido requisitado, o que a acontecer provocará conflitos de comunicação graves.
Como se referiu em Comunicação, o CPU é responsável pela transacções entre periféricos e memória, o que quer dizer que o CPU está completamente dedicado à comunicação enquanto esta se realiza. Se está dedicado a tarefas de comunicação então não realiza o processamento das intruções propriamente ditas, o que faz diminuir o desempenho geral do sistema.
Para obviar este problema a solução encontrada foi implementar fora do CPU a capacidade de gerir o acesso à memória e barramento. Esta capacidade denomina-se Acesso Directo a Memória (Direct Memory Access - DMA) e está implementado exteriormente ao barramento e ao dispositivos, ou seja, é implementado como um novo componente da arquitectura.
Cada dispositivo dispõe dum canal de DMA que utiliza para informar o controlador de DMA do pedido de transferência de dados. O controlador por sua vez, realiza as tarefas de comunicação sem a participação do CPU que continuará a realizar as suas instruções. Por norma existe apenas um controlador de DMA em cada arquitectura, que disponibiliza quatro canais de DMA, o que permite ter quatro dispositivos interligados através de DMA, aumentando com isso o desempenho particular de cada dispositivo e por conseguinte do sistema em geral.
Os primeiros computadores pessoais, basedos no Intel 8088 e 8086, funcionavam a velocidades de 4,77 e 6 MHz. A estas velocidades, o desempenho do barramento é suficiente para acompanhar o resto do sistema.
Esta implementação define por isso um único barramento para interligar CPU, RAM e todos os outros dispositivos (Figura 3.5). Este tipo de barramento surgiu com o IBM XT, é síncrono com o processador e tem uma largura de 8 bits. Posteriormente este barramento adoptou o nome de ISA XT ou ISA de 8 bits.
Nota: Quando dois dispositivos se baseiam no "sinal de velocidade" para coordenar a comunicação entre os dois, diz-se que são síncronos.
Figura 3.5 - Esquema de barramento único aplicado no IBM PC-XT (ISA-XT)
Em 1984 com o surgimento do processador Intel 80286 surgiu a norma ISA (Industry Standard Architecture), que é uma evolução do barramento anterior. O i80286 trabalha a velocidades entre 12-16MHz, o que é substancialmente superior à velocidade permitida pelo barramento anterior.
Optou-se então pela pela desincronização entre CPU e barramento. O barramento ISA trabalha sempre a 8 MHz, enquanto a velocidade do CPU varia. O barramento ISA (Figura 3.6), também denominado ISA AT para se distinguir do anterior, tem 16 bits de largura e a sua capacidade de transmissão atinge teoricamente os 6 MBps.
Figura 3.6 -Esquema de barramento E/S e CPU assíncrono (ISA AT)
Posteriormente (1987), quando surgiu o processador Intel 80386 a 16-40MHz, o desempenho do barramento ISA passou a ser verdadeiramente limitativo do desempenho geral do sistema. Surgiram então duas normas muito semelhantes em conceitos mas incompatíveis em termos funcionais:
- MCA (Micro-Channel Architecture). É um barramento desenvolvido e patenteado pela IBM, o que implicou que não tivesse sucesso comercial. No entanto, as suas características técnicas e desempenho eram evoluídos. Tinha um barramento de 32 bits, funcionava a velocidades de 10 MHz, e a sua capacidade de transmissão atingia os 40 MBps.
- EISA (Enhanced Industry Standard Architecture), é o barramento desenvolvido por um consórcio de empresas como resposta à proposta fechada da IBM. Pretendeu ser uma evolução e manter compatibilidade com a norma ISA, mas incluindo grande parte das potencialidades do MCA. As suas características técnicas são semelhantes ao EISA, nomeadamente a adopção do conceito de bus mastering. Tem uma largura de 32 bits, trabalha a 8MHz e tem uma capacidade de transmissão máxima de 32 MBps. As suas utilizações limitaram-se a servidores, pelo que em termos comerciais não teve grande sucesso e foi rapidamente abandonada quando surgiu a norma PCI (1993).
Em 1993 surgiu a norma VESA Local Bus (VLB), a qual se caracteriza fundamentalmente pelo sincronismo do barramento e CPU. Ou seja, tal como aconteceu com o primeiro barramento, o barramento está intimamente dependente do CPU e da sua velocidade (Figura 3.7). Esta norma surgiu simultaneamente com o processador i80486 e as suas principais implementações verificaram-se em arquitecturas baseadas nesse processador. Além disso, e porque a VESA é uma associação de empresas de equipamento de vídeo, as suas implementações foram quase exclusivamente nesse domínio. Quando surgiu o processador Intel Pentium, a norma não estava preparada para trabalhar com esse processador, pelo que foi ultrapassada pela concorrente PCI.
Figura 3.7 -Esquema de barramento integrado VLB (síncrono) e ISA(assíncrono)
Em simultaneo com a norma VLB, surgiu a norma PCI (Peripheral Component Interconnect), desenvolvida pela Intel mas sem patente, o que permitui a sua implementação por diferentes OEM’s sem pagamento de royalties e o consequente sucesso comercial.
A norma PCI (Figura 3.8) caracteriza-se por:
- Existência dum controlador de interface entre barramento local e barramento PCI, o que cria independência da norma em relação ao processador ou arquitectura. Esta característica permite que a norma seja utilizada noutros tipos de computadores que não PC’s baseados na família Intel 80x86, tal como o Machintosh da Apple ou os Alpha da Digital;
- Assincronismo entre CPU e barramento, o que permite a sua utilização em diferentes arquitecturas (ao contrário da VLB que estava preparada e optimizada para trabalhar com o i486);
- Buferização, o que permite que os dispositivos sejam libertados das suas tarefas de comunicação, sendo o controlador/interface de PCI responsável pelo seguimento da transmissão;
- Por todas estas razões, o barramento PCI, não pode ser considerado um barramento local, embora erradamente seja considerado como tal;
- Apesar de não ser um barramento local, as suas capacidade de transferência práticas atingem as da VLB.
Figura 3.8 -Esquema de barramento E/S e CPU assíncrono (ISA AT)
Além do barramento de E/S, o barramento local funciona a determinada velocidade, que nem sempre é a mesma da do processador. Por isso, quando atrás se referiu que os barramento de E/S é síncrono ou assíncrono com o CPU. Isto acontece pois os processadores evoluiram no sentido de trabalharem a velocidades internas múltiplas da do barramento. Chama-se a isso multiplicação de velocidade. Além desta discrepância entre CPU e barramento local existe ainda a diferença entre barramento local e barramento E/S. É sobre esta diferença que se deveria referir os termos síncrono/assíncrono, pelo que o correcto seria dizer que determinado barramento "é síncrono ou assíncrono com o barramento local".
Antes de 1993, altura em que surgiu o processador Intel 80486DX2-50 (ver Processador-Velocidade de relógio), os barramento locais trabalhavam à mesma velocidade que o processador, portanto CPU e barramento local eram síncronos.
Quando surgiu a técnica da multiplicação de velocidade, o barramento local funcionava à velocidade de base, ou seja, se o processador tinha uma velocidade máxima de 50 MHz e duplicação (2x) de velocidade, então a velocidade do barramento local era de 25MHz.
Posteriormente, passou a haver fundamentalmente dois tipos de barramento caracterizados pela sua velocidade, 66 MHz e 100 MHz, sendo este último utilizado apenas em arquitecturas baseados no Pentium II.
A tabela seguinte apresenta um resumo das características dos barramentos de E/S apresentados:
Barramento |
Ano |
Largura |
Velocidade |
Transmissão |
Comentário |
| ISA (XT) | 1980 | 8 | Síncrono: 4.77, 6 | 4-6 | Barramento e norma original |
| ISA (AT) | 1984 | 16 | Assíncrono: 8 | 8 | Extensão do anterior. Lento mas ainda usado. |
| MCA | 1987 | 32 | Assíncrono: 10 | 40 | Utilizado pela IBM. Abandonado. |
| EISA | 1988 | 32 | Assíncrono: 8 | 32 | Utilizado em servidores. Abandonado |
| VLB | 1993 | 32 | Síncrono: 33, 40, 50 | 100-166 | Utilizado em i486 e adaptadores de video. |
| PCI | 1993 | 32 | Assincrono: 33 | 132 | Alto desempenho e independente de arquitectura. |
Tabela 3.1 - Diversos tipos de barramentos de E/S e suas carcaterísticas [fonte]
AGP (Advanced Graphics Port)
é uma extensão da norma PCI e do seu barramento. Foi
desenvolvido pela Intel com o obejctivo de dotar o sistema de
video com desempenho superior ao resto dos dispositivos ao mesmo
tempo que liberta ainda mais o resto do barramento e CPU para
outras tarefas.
Para isso, a arquitectura deve incluir a norma AGP, o que implica
a implementação de um novo protocolo e gestão de prioridades.
Caracteriza-se por:
O conector é muito semelhante ao do PCI, mas colocado numa posição diferente (ver Slot/Conector). Praticamente todas as arquitecturas baseadas no processador Intel Pentium suportam esta norma.
É um conceito de acesso directo ao barramento e memória surgido em 1987 (MCA e EISA) que difere do conceito de DMA no sentido em que o capacidade de gestão dos acessos não depende de nenhum controlador independente mas sim de cada dispositivo (embora a arquitectura deva prever o facto). Assim, cada dispositivo que tenha capacidade de bus mastering sonda o barramento antes de qualquer acesso. Este conceito introduz o conceito de buferização de dados, o que possibilita que o dispositivo enquanto espera pelo acesso ao barramento/memória realize novas tarefas. Este conceito é também usado pela norma PCI.
Barramento de alto desempenho desenvolvido pela Apple,
mediante a norma IEEE 1394. Pretende substituir grande parte das
portas de grande capacidade de transgferência do computador hoje
em dia existentes, tal como as portas paralelas e as SCSI.
A norma carcateriza-se por:
Num computador pessoal, existem 15 IRQ's. No entanto, vários
estão previamente atribuídos e reservado, pelo que não é
possível utilizá-los para dispositivos externos adicionais. Por
norma um sistema tem disponíveis 9 ou 10 IRQ's, que têm de ser
distribuídos por (se existirem) teclado, portas série e
paralela, interface de video, discos e disquestes, interfaces de
rede, etc. Depois de incluir todos estes dispositivos (apenas os
mais típicos), poucos ou nenhum IRQ restará.
Surgiu então a necessidade de partilhar IRQ's. Este conceito
surgiu inicialmente com as normas MCA e EISA e é actualmente
usado pela norma PCI.
Basicamente o que acontece é que cada dispositivo tem um
interface com o barramento de sistema, sendo esta interface
responsável pela identificação de cada dispositivo e posterior
encaminhamento dos dados até ao destino. A interface funciona
portanto como um espécie de multiplexer (Figura 3.9).
Figura 3.9 -Esquema de barramento com partilha de IRQ's
O conceito de Plug and Play (PnP) (Liga e Pronto) é uma norma
de interligação de dispositivos adicionais que facilita a
rápida e automática ligação destes ao resto do sistema.
Como se fez notar anteriormente, a configuração de IRQ’s,
canais de DMA, endereços de E/S de cada dispositivo nem sempre
é uma tarefa simples e rápida.
Por exemplo, a instalação dum modem num computador
poderá ser uma tarefa complicada visto que o IRQ normalizado
para a seu funcionamento coincide com o IRQ para uma porta
série. Se o modem for compatível com a norma PnP tem
capacidade de negociar com o barramento a utilização
destes parâmetros dinamica e rapidamente sem necessidade da
intervenção do utilizador.
Além disso é necessário que a arquitectura do computador e o sistema operativo sejam compatíveis PnP. Desde o surgimento do processador Pentium que todas as arquitectura são compatíveis PnP. Quanto a sistemas operativos apenas o MS-Windows 95/98 é compatível PnP.
Uma porta é por definição um local por onde se entra e sai. Em termos de tecnologia informática não é excepção.
Uma porta série (ver Figura 3.2-22 e 23) num computador pessoal da família Intel 80x86 baseia-se na norma RS-232. Esta é uma norma que define múltiplas características eléctricas sendo a mais importante o facto de definir a transmissão em série, que significa que existe apenas um canal por onde os sinais são transmitidos um a seguir ao outro. Além disso, é uma comunicação assíncrona, pois existem sinais de controlo adicionais para além da velocidade previamente negociada entre as portas intervenientes. Tem uma capacidade de transmissão variável entre 75bps e 115200bps, pelo que é utilizado em domínios em que as exigências não sejam muitas (rato, impressoras série, modems, etc.).
Uma porta paralela (ver Figura 3.2-21)
num computador pessoal da família Intel 80x86 está conforme a
norma Centronics. Ao contrário da porta série, em portas
paralelas o sinal eléctrico é enviado em simultâneo e como tal
tem um desempenho superior à porta série.No caso desta norma
são enviados 8 bits de cada vez e o que faz com que a
sua capacidade de transmissão atinja os 100KBps. Esta porta é
vulgarmente utilizada para interface com impressoras, scanners.
A nova norma EPP/ECP (Enhanced
Parallel Port/Enhanced Capability Port), mantendo a
compatibilidade com a norma anterior, é capaz de elevar a
capacidade de transmissão a mais de 1MBps o que a aconcelha para
interface de discos removíveis (ZIP, CD-ROM, SCSI, etc.).
Esta norma, apesar de se poder considerar um barramento, dado a sua aplicação principal ser no domínio dos discos, será abordado nessa altura.
Qualquer dispositivo externo deve ser interligado com o
sistema através do barramento. Existem por norma vários
dispositivos externos, como o teclado, as portas série e
paralela, etc. Esses dispositivos são interligados com o sistema
através de barramentos E/S internos.
Ao contrário destes, há dispositivos externos que não são
comuns a todos os computadores e que se torna necessário
acrescentar ao sistema ao longo do tempo. Estes dispositivos não
podem ser interligados através do barramento interno, pelo que
existem slots (Figura 3.10) de expansão normalizados
que permite a conecção de novos adaptadores.
O adaptador por seu turno dispõe dum conector (Figura 3.11)
normalizado que encaixa no slot respectivo.
Figura 3.10 -Esquema de slots para três normas de barramentos [fonte]
Figura 3.11 -Esquema de conectores para várias normas de barramentos [fonte]
USB significa Universal Serial Bus, e pretende ser o
barramento norma para todos os dispositivos que necessitem de
baixo desempenho, tal como: teclado, rato, modem, scanner,
impressoras, etc.
Hoje em dia já grande parte das arquitecturas (chip sets)
existentes, disponibilizam este tipo de barramento (ver Figura 3.2-11),
e apenas uma certa inércia (ou estratégia comercial) da
indústria ainda não permitiu que este barramento seja
completamente utilizado.
O objectivo deste estudo é:
Última actualização: 02 Maio 2005