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Los buses son el mecanismo mas común para la comunicación entre los dispositivos del computador.
Físicamente son conductores por donde viajan señales eléctricas.
Bueno los buses son casi todos esos camino que se ven en las motherboard de las imágenes anteriores.
El bus es un dispositivo en común entre dos o mas dispositivos, si dos dispositivos transmiten al mismo tiempo señales las señales pueden distorcionarce y consecuentemente perder información.
Por dicho motivo existe un arbitraje para decidir quien hace uso del bus.
Por cada linea se pueden trasmitir señales que representan unos y ceros, en secuencia, de a una señal por unidad de tiempo. Si se desea por ejemplo transmitir 1 byte, se deberán mandar 8 señales, una detrás de otra, en consecuencia se tardaría 8 unidades de tiempo. Para poder transmitir 1 byte en 1 sola unidad de tiempo tendríamos que usar 8 lineas al mismo tiempo.
Existen varios tipos de buses que realizan la tarea de interconexión entre las distintas partes del computador, al bus que comunica al procesador, memoria y E/S se lo denomina BUS DEL SISTEMA y es que que vamos a detallar ahora.
La cantidad de lineas del bus a medida que pasa el tiempo se va incrementando como uno de los métodos para incrementar la velocidad de transferencia de señales en el computador, y así incrementar el desempeño.
Cada linea tiene un uso especifico, y hay una gran diversidad de implementaciones, pero en general podemos distinguir 3 grandes grupos de buses.
Bus de datos: Por estas lineas se transfieren los datos, pueden ser de 8, 16, 32 o mas lineas( no se realmente en cuanto andan hoy en día), lo cual nos indica cuantos datos podemos transferir al mismo tiempo, y es muy influyente en el rendimiento del sistema. Por ejemplo si el bus es de 8 lineas y las instrucciones son de 16 bits, el sistema va a tener que acceder 2 veces a memoria para poder leer la instrucción, el doble de tiempo en leer instrucciones comparado con un bus de datos de 16 lineas.
Bus de direcciones: Por estas lineas se envía la dirección a la cual se requiere hacer referencia para una lectura o escritura, si el bus es de 8 lineas por ejemplo, las combinaciones posibles para identificar una dirección irían del 00000000 al 11111111, son 256 combinaciones posibles, en consecuencia el ancho del bus de datos nos indica la cantidad de direcciones de memoria a la que podemos hacer referencia.
Dentro de la direcciones posibles, en general el sistema no usa todas para hacer referencia a la memoria principal, una parte las usa para hacer referencia a los puertos de E/S.
Bus de control: Estas líneas son utilizadas para controlar el uso del bus de control y del bus de datos. Se transmiten ordenes y señales de temporización. las ordenes son muy diversas las mas comunes son:
Escritura en memoria.
Lectura de memoria.
Escritura de E/S.
Lectura de E/S.
Transferencia reconocida.
Petición del bus.
Cesión del bus.
Petición de interrupción.
Interrupción reconocida.
Señal de reloj.
Inicio..
Las señales de temporización indican la validez de los datos que están en el bus en un momento dado..
Todo elemento que este conectado al bus tiene que saber reconocer si la dirección que esta en el bus de datos le corresponde, tiene que reconocer algunas ordenes transmitidas por el bus de control, y puede emitir algún tipo de señal por el bus de control (señal de interrupción, señal de reconocimiento de alguna petición, etc).
En general, cuanto mas dispositivos conectamos al bus, disminuye el rendimiento del sistema; las causantes de esto son varias, pero las mas importantes son el tiempo de sincronización que se necesita para coordinar el uso del bus entre todos los dispositivos, y que el bus tiene una capacidad máxima, la cual puede llegar a convertirse en un cuello de botella del sistema.
Una de las formas de tratar este problema es implementando jerarquía de buses.
Jerarquía de buses:
Para mejorar el rendimiento del bus, las jerarquías de buses fueron implementadas cada vez mas, una primera aproximación a una jerarquía de bus básica seria la siguiente:
Primero tenemos un bus local, de alta velocidad que conecta el procesador a la cache, el controlador de la cache también puede acceder al bus del sistema, con esta implementación, la mayor parte de los datos a los que va a acceder el procesador, que están en la cache, serán entregados a una alta velocidad, otro punto a destacar de esta parte es que los accesos a memoria por parte de la cache no van a interrumpir el flujo de datos entre procesador y cache.
También se ve la posibilidad de conectar un dispositivo de entrada salida al bus local.
Luego tenemos el bus del sistema, al cual esta conectada la memoria y por debajo el bus de expansión, al cual se pueden conectar una amplia diversidad de dispositivos, entre el bus del sistema y el bus de expansion se encuentra una interfase, que entre las principales tareas esta la de adaptar las velocidades de transmision, por ejemplo para un dispositivo muy lento conectado al bus de expansión la interfase podría acumular una cierta cantidad de datos y luego transmitirla a través del bus del sistema.
El hecho de que cada vez mas salgan al mercado dispositivos que requieren mas velocidad de transmision en los buses, hizo que los fabricantes implementaran los buses de alta velocidad, el cual esta muy estrechamente ligado al bus local, solo hay un adaptador que los une. debajo de este bus tenemos el bus de expansión, mas lento conectado mediante otro adaptador.
Existen varios parámetros y elementos en los buses con los cuales podemos clasificarlos.
Tipos de buses:
Una clarificación que podemos hacer es según la funcionalidad de este, los podríamos dividir en dedicados o multiplexados..
Un ejemplo común de dedicados serian el bus de datos y el bus de direcciones, cada uno se utiliza solo para una función especifica. Esta situación de bus de datos y de direcciones dedicados es lo mas común, pero podría llegar a implementarse con un solo bus multiplexado el el tiempo. Esto funcionaria a grandes rasgos de la siguiente forma:
Al comienzo de la transferencia se sitúa en el bus la dirección de donde se quiere leer o a donde se desea escribir, luego se emite por el bus de datos una señal indicando que en el bus se encuentra una dirección valida.
A partir de ese momento se dispone de una unidad de tiempo para que los dispositivos identifiquen si es su dirección, luego de esto se pone en el mismo bus los datos y se realiza la transferencia en el sentido que lo indique una orden emitida por el bus de control.
Ventaja de este método es la reducción de la cantidad de lineas, lo cual ahorra espacio y costos, la desventaja son que para poder implementar es forma de operar la circuitería en cada modulo tiene que ser mas compleja, y que el rendimiento del sistema sera menor por no poder transmitir los datos simultáneamente, en paralelo (datos y dirección).
Otro tipo de clarificación podría ser según su dedicación física: Podríamos poner como ejemplo el bus de E/S, el cual se encarga de conectar solo los dispositivos de E/S, este bus se conecta al bus principal mediante algún adaptador, la ventaja esta en que al ser dedicado solo a E/S, el rendimiento de este va a ser mejor, ya que solo van a operar con el los módulos de E/S, y no va a haber tanta competencia por el bus, este ejemplo lo voy a explicar mas detalladamente cuando llegue al la parte de E/S.
Método de arbitraje:
Por la razón de que en un momento dado solo puede usar el bus un solo dispositivo, debe existir un método para decidir quien hace uso de el.
Todos los métodos que existen en general pueden ser clasificados en 2 grandes grupos:
Arbitraje centralizado: Una parte del hardware del sistema denominada controlador del bus se encarga de decidir el uso del bus en cada momento, este dispositivo puede ser un modulo separado o puede estar incorporado al procesador.
Arbitraje distribuido: En este esquema no existe un controlador centralizado, en su lugar, cada dispositivo que hace uso del bus tiene que tener incorporada la logica necesaria para poder interactuar con los demás dispositivos y decidir quien hace uso del bus.
En cualquiera de los dos casos lo que se busca es que se decida quien va a tener la posesión del bus en un momento dado, procesador, modulo de E/S o memoria, al cual se lo denomina maestro del bus, el maestro del bus establecerá una comunicación con otro dispositivo (lectura o escritura) al cual se lo denominara esclavo.
Temporización:
La temporización clasifica al método utilizado para coordinar los eventos dentro del bus. Según la temporización usada podemos clasificar los buses en 2 grupos.
Temporización síncrona: Todos los eventos del bus se rigen a travez del reloj del computador. Una de las lineas del bus transmite continuamente una señal de reloj, simplemente una secuencia de unos y ceros, la cual puede ser leída por todos los dispositivos conectados al bus.
Al intervalo transcurrido en la emisión de un uno y un cero se lo llama ciclo de reloj, todo los eventos ocurridos dentro del bus comienzan el principio del ciclo y pueden durar uno mas .
En este método de temporización todos van al ritmo del reloj.
BIen, en el diagrama anterior podemos apreciar como seria en forma simplificada una lectura de datos a travez del bus.
Tener en cuenta que hay muchisimas mas lineas que no se figuran en el grafico, por ejemplo la linea del reloj, que seria algo mas constante como el siguiente grafico.
Las lineas solo pueden tener uno de dos estados, uno o cero.
La velocidad en el ritmo que se alterna de un uno a un cero en la linea del reloj nos da la velocidad del bus, y como todas las operaciones se van a realizar al ritmo del reloj, al aumentar la velocidad del ciclo vamos a aumentar la velocidad del sistema.
Con referencia al gráfico de un ciclo de lectura de datos, el maestro (el que tiene permiso para el uso del bus) pone en el bus de direcciones la dirección de la cual desea leer su contenido, luego de haber puesto la dirección en las lineas correspondientes, envía por una linea del bus de control una señal indicando que desea hacer una lectura, el dispositivo correspondiente a esa dirección reconoce la dirección, y pone en el bus de datos la información solicitada, tras lo cual, manda otra señal por una linea del bus de control indicando que se le a reconocido su petición (que los datos situados en el bus de datos son validos, son los datos solicitados)
Todo con este método de temporización empieza o finaliza rigiendose de las señales del reloj, en general la mayoría de los eventos tiene un duración de un ciclo.
Temporización asíncronica:
Aca los eventos no se rigen por la linea del reloj, en general todo evento es disparado por otro evento anterior.
El procesador pone en el bus de direcciones la dirección a ser leída y en el bus de control por la linea correspondiente señal de lectura, luego de un breve tiempo para que las señales eléctricas se estabilicen, se manda señal por la linea MSYN (sincronización del maestro) indicando que hay señales validas en el bus de dirección y de control, el modulo correspondiente reconocerá su dirección, pone el dato solicitado en el bus de datos y emite una señal (SSYN sincronización del esclavo) por la en bus de control indicando el las señales del bus de datos son validas(son los datos solicitados)
La temporización síncrona es mas fácil de implementar y comprobar, pero es menos flexible que la síncrona. Por ejemplo, en el caso de que hubiesen varios dispositivos conectados al bus, de distintas velocidades, todos tienen que funcionar a la velocidad del reloj, si hay uno mas rápido, este tiene que bajar su velocidad: En cambio con el asíncrono, cada uno funcionaria a su velocidad, en el mismo bus se trabajaría a distintas velocidades, cada transferencia se haría con la velocidad óptima de sus dos partes (maestro-esclavo).
Anchura del bus:
La anchura del bus ya lo he explicado, es simplemente la cantidad de lineas que posee, y esta directamente relacionado con el rendimiento del sistema, cuanto mas ancho el bus de direcciones, mayor va a ser la cantidad de direcciones posibles utilizadas para direccionar memoria y dispositivos de E/S, y cuanto mas ancho el bus de datos, mayor ya a ser la cantidad de bis que se va a poder transmitir en paralelo.
Tipo de transferencia de datos:
Todos los buses permiten la transferencia de datos, ya sea para escritura como para lectura.
En el gráfico tenemos ejemplificado una escritura y una lectura, en este caso el bus esta multiplexado en el tiempo, primero se utiliza para transmitir la dirección y luego los datos.
En el segundo diagrama se puede apreciar un periodo nombrado con "Access time", ese tiempo es el necesario para acceder al medio en donde se encuentra el dato (disco rígido, memoria principal, etc) y ponerlo en el bus.
Para optimizar el rendimiento existen algunas operaciones combinadas en las cuales se pasa la dirección una sola vez, por ejemplo "lectura-modificación-escritura", seria la lectura del dato, se le aplica alguna modificación y luego se escribe nuevamente. Todo esto es una sola operación, nadie puede acceder al bus en el medio de la operación, se utiliza para proteger los recursos de memoria compartida en sistemas con multiprogramación para mantener la integridad de los datos. Otra instrucción es "lectura después de escritura" que serviría para comprobar el resultado.
Otra operación muy común es la transferencia por bloque, se pasa al principio de la operación la dirección inicial y luego se realiza lectura o escritura a las siguientes direcciones, la cantidad de direcciones siguientes también es un parámetro que hay que pasar.
Bien, ahora tendría que enumerar algunos buses en especial, pero como tienen muchos datos tecnico que pueden ser medios pesados, voy a poner algunas imágenes donde se pueden ver distintas implementaciones y velocidades.
Nobleza obliga, estas diapositivas las tome de las teorías de la cátedra de Arquitectura de computadoras de la carrera de Licenciatura en Informática de la Universidad Nacional de La Plata.
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