IBM Software Group | Lotus software Maquinas Digitales R Pontificia Universidad Javeriana Maquinas Digitales BUSES INTERNOS: ISA, PCI Juan José Correa

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Pontificia Universidad Javeriana

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BUSES INTERNOS: ISA, PCI

Juan José CorreaHenry Robert FuentesWilliam GalindezAna Maria OcañaCristian Mauricio Ávila


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Buses

Bus es el conjunto de conexiones físicas (cables, placa de circuito impreso, etc.) que pueden compartirse con múltiples componentes de hardware para que se comuniquen entre sí. Los buses se utilizan principalmente para reducir el número de rutas para la comunicación entre los componentes, realizando las comunicaciones a través de un solo canal de datos.


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Buses

Un bus se caracteriza por la cantidad de información que se transmite en forma simultánea. Este volumen se expresa en bits

Por otra parte, la velocidad del bus se define a través de su frecuencia (Hertz),

es decir el número de paquetes de datos que pueden ser enviados o recibidos

por segundo. Asi es se puede determinar la velocidad de transferencia máxima

del bus, la cantidad de datos que puede transportar por unidad de tiempo, al

multiplicar su ancho por la frecuencia.


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Historia de los Buses

Primera Generacion: Los primeros computadores tenían 2 sistemas de buses, uno para la memoria y otro para los demás dispositivos. La CPU tenía que acceder a dos sistemas con instrucciones para cada uno, protocolos y sincronizaciones diferentes.


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Segunda Generacion: Jerarquía de diversos buses en un equipo relativamente moderno: SATA, FSB, AGP, USB entre otros. El hecho de que el bus fuera pasivo y que usara la CPU como control, representaba varios problemas para la ampliación y modernización de cualquier sistema con esa arquitectura. Además que la CPU utilizaba una parte considerable de su potencia en controlar el bus. Desde que los procesadores empezaron a funcionar con frecuencias más altas, se hizo necesario jerarquizar los buses de acuerdo a su frecuencia: se creó el concepto de bus de sistema (conexión entre el procesador y la RAM) y de buses de expansión, haciendo necesario el uso de un chipset


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Tercera Generacion: Los buses de tercera generación se caracterizan por tener conexiones punto a punto, a diferencia de los buses arriba nombrados en los que se comparten señales de reloj, y otras partes del bus. Esto se logra reduciendo fuertemente el número de conexiones que presenta cada dispositivo usando interfaces seriales. Entonces cada dispositivo puede negociar las características de enlace al inicio de la conexión y en algunos casos de manera dinámica, al igual que sucede en las redes de comunicaciones. Entre los ejemplos más notables, están los buses PCI-Express, el Infiniband y el HyperTransport.


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Tipos de Buses

Existen dos grandes tipos clasificados por el método de envío de la información: bus paralelo o bus serie.


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Bus paralelo

Es un bus en el cual los datos son enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de varias líneas que tienen funciones fijas. La cantidad de datos enviada es bastante grande con una frecuencia moderada y es igual al ancho de los datos por la frecuencia de funcionamiento. En los computadores ha sido usado de manera intensiva, desde el bus del procesador, los buses de discos duros, tarjetas de expansión y de vídeo, hasta las impresoras.


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Bus paralelo

El Front side bus de los procesadores Intel es un bus de este tipo y como cualquier bus presenta unas funciones en líneas dedicadas:

-Las Líneas de Dirección son las encargadas de indicar la posición de memoria o

el dispositivo con el que se desea establecer comunicación.

-Las Líneas de Control son las encargadas de enviar señales de arbitraje entre los dispositivos. Entre las más importantes están las líneas de interrupción, DMA.

-Las Líneas de Datos trasmiten los bits de forma aleatoria de manera que por lo

general un bus tiene un ancho que es potencia de 2.


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Bus Serie

En este los datos son enviados, bit a bit y se reconstruyen por medio de

registros o rutinas de software.

Está formado por pocos conductores y su ancho de banda depende de la

frecuencia. Es usado desde hace menos de 10 años en buses para discos duros,

unidades de estado sólido, tarjetas de expansión y para el bus del procesador.


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Subconjunto de un Bus

-El bus de direcciones, transporta las direcciones de memoria al que el

procesador desea acceder, para leer o escribir datos. Es un bus unidireccional.

-El bus de datos transfiere tanto las instrucciones que provienen del procesador

como las que se dirigen hacia él. Es un bus bidireccional.

-El bus de control transporta las órdenes y las señales de sincronización que

provienen de la unidad de control y viajan hacia los distintos componentes de

hardware. un bus bidireccional.


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Buses principales

Se tienen dos buses principales:

-Bus interno o sistema :El bus interno permite al procesador comunicarse con la

memoria central del sistema .

- Bus de expansión: permite a diversos componentes de la placa madre (USB,

puerto serial o paralelo, tarjetas insertadas en conectores PCI, discos duros,

unidades de CD-ROM y CD-RW, etc.) comunicarse entre sí.


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Buses de acuerdo a las normas


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Funcionamiento

En el bus se encuentran dos pistas separadas, el bus de datos y el bus de direcciones.

La CPU escribe la dirección de la posición deseada de la memoria en el bus de direcciones accediendo a la memoria, teniendo cada una de las líneas carácter binario.

Solo pueden representar 0 o 1 y de esta manera forman conjuntamente el número de la posición dentro de la memoria (es decir: la dirección). Cuanto mas líneas haya disponibles, mayor es la dirección máxima y mayor es la memoria a la cual puede dirigirse de esta forma.


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ESTRUCTURACIÓN DE LOS BUSES

Existen dos organizaciones físicas de operaciones E/S que tienen que ver con los

buses que son:

-Bus único

-Bus dedicado


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BUS UNICO BUS DEDICADO

No permite un controlador DMA (todo se controla desde la CPU)

Soporta este controlador

Considera a la memoria y a los periféricos como posiciones de memoria

Trata a la memoria de manera distinta que a los periféricos (utiliza un bus especial)


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El bus dedicado consta de 4 partes fundamentales:

-Datos: Intercambio de información entre la CPU y los periféricos.

-Control: Lleva información referente al estado de los periféricos (petición de interrupciones).

-Direcciones: Identifica el periférico referido.

-Sincronización: Temporiza las señales de reloj.


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EL BUS XT

En 1980 IBM fabricó su primer PC, este contaba con un bus de expansión conocido como XT que funcionaba a la velocidad de 4.77 Mhz. El ancho de banda de este bus era de 8 bits pero con la evolucion de los procesadores con buses de 16 bits apareció un nuevo bus en el mundo del PC, que en relación con el bus de datos tenía finalmente 16 bits (ISA), el nuevo estándar de 16 bits se le llama habitualmente AT bus architecture.

La única diferencia fue que el bus XT era síncrono y el nuevo AT era asíncrono.


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ISA (Industry Standard Architecture):

Tiene un bus de 16 bits y la velocidad de reloj pasó de 6 a 8 MHz y finalmente a

8,33 MHz, ofreciendo una velocidad de transferencia máxima de 16 Mb/s (en la

práctica solamente 8 Mb/s porque un ciclo de cada dos se utilizó para

direccionar).

El bus ISA admitió el bus maestro, es decir, permitió que los controladores

conectados directamente al bus se comunicaran directamente con los otros

periféricos sin tener que pasar por el procesador.


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ISA (Industry Standard Architecture):

Una de las consecuencias del bus maestro es sin dudas el acceso directo a memoria (DMA). Sin embargo, el bus ISA únicamente permite que el hardware direccione los primeros 16 megabytes de RAM.

Conector ISA de 8 bits:

Conector ISA de 16 bits:


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BUS MICRO CHANNEL (MCA)

Vistas las limitaciones que tenía el diseño del bus ISA en IBM se trabajó en un nueva tecnología de bus que comercializó con su gama de ordenadores PS/2. El diseño MCA (Micro Channel Arquitecture) permitía una ruta de datos de 32 bits, más ancha, y una velocidad de reloj ligeramente más elevada de 10 Mhz, con una velocidad de transferencia máxima de 20 Mbps frente a los 8 Mbps del bus ISA.

Pero lo que es más importante el novedoso diseño de bus de IBM incluyó un

circuito de control especial a cargo del bus, que le permitía operar

independientemente de la velocidad e incluso del tipo del microprocesador del

sistema.


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BUS MICRO CHANNEL (MCA)

Bajo MCA, la CPU no es más que uno de los posibles dispositivos dominantes del bus a los que se puede acceder para gestionar transferencias. La circuitería de control, llamada CAP (punto de decisión central), se enlaza con un proceso denominado control del bus para determinar y responder a las prioridades de cada uno de los dispositivos que dominan el bus.

Para permitir la conexión de más dispositivos, el bus MCA especifica interrupciones

sensibles al nivel, que resultan más fiables que el sistema de interrupciones del bus ISA.

De esta forma es posible compartir interrupciones. Pero además se impusieron estándares

de rendimiento superiores en las tarjetas de expansión.

Es cierto que el progreso conlleva un precio: La nueva arquitectura de IBM es totalmente

incompatible con las tarjetas de expansión que se incluyen en el bus ISA. Esto viene

derivado de que los conectores de las tarjetas de expansión MCA eran más pequeños que

las de los buses ISA.


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EISA (Extended ISA)

El principal rival del bus MCA fue el bus EISA, también basado en la idea de controlar el bus desde el microprocesador y ensanchar la ruta de datos hasta 32 bits. Sin embargo EISA mantuvo compatibilidad con las tarjetas de expansión ISA ya existentes lo cual le obligo a funcionar a una velocidad de 8 Mhz (exactamente 8.33). Esta limitación fue a la postre la que adjudico el papel de estándar a esta arquitectura, ya que los usuarios no veían factible cambiar sus antiguas tarjetas ISA por otras nuevas que en realidad no podían aprovechar al 100%.

Su mayor ventaja con respecto al bus MCA es que EISA era un sistema abierto, ya que fue

desarrollado por la mayoría de fabricantes de ordenadores compatibles PC que no

aceptaron el monopolio que intentó ejercer IBM. Estos fabricantes fueron: AST, Compaq,

Epson, Hewlett Packard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse y Zenith.


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EISA (Extended ISA)

Esta arquitectura de bus permite multiproceso, es decir, integrar en el sistema varios buses dentro del sistema, cada uno con su procesador. Si bien esta característica no es utilizada más que por sistemas operativos como UNIX o Windows NT.

En una máquina EISA, puede haber al mismo tiempo hasta 6 buses principales con

diferentes procesadores centrales y con sus correspondientes tarjetas auxiliares.


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EISA (Extended ISA)

En este bus hay un chip que se encarga de controlar el tráfico de datos señalando prioridades para cada posible punto de colisión o bloqueo mediante las reglas de control de la especificación EISA. Este chip recibe el nombre de Chip del Sistema Periférico Integrado (ISP). Este chip actúa en la CPU como un controlador del tráfico de datos.


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EISA (Extended ISA)

El motivo para que ni MCA ni EISA hayan sustituido por completo a ISA es muy sencillo: Estas alternativas aumentaban el coste del PC (incluso más del 50%) y no ofrecían ninguna mejora evidente en el rendimiento del sistema. Es más, en el momento en que se presentaron estos buses (1987-1988) esta superioridad en el rendimiento no resultaba excesivamente necesaria: Muy pocos dispositivos llegaban a los límites del rendimiento del bus ISA ordinario.


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LOCAL BUS

Teniendo en cuenta las mencionadas limitaciones del bus AT y la infalibilidad de los buses EISA y MCA para asentarse en el mercado, en estos años se han ideado otros conceptos de bus. Se inició con el llamado Vesa Local Bus (VL-Bus), que fue concebido y propagado independientemente por el comité VESA, que se propuso el definir estándares en el ámbito de las tarjetas gráficas y así por primera vez y realmente tuviera poco que ver con el diseño del bus del PC. Fueron y son todavía las tarjetas gráficas quienes sufren la menor velocidad del bus AT. Por eso surgió, en el Comité VESA, la propuesta para un bus más rápido que fue el VESA Local Bus.


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Vesa Local Bus

Al contrario que con el EISA, MCA y PCI, el bus VL no sustituye al bus ISA sino que lo complementa. Un PC con bus VL dispone para ello de un bus ISA y de las correspondientes ranuras (slots) para tarjetas de ampliación. Además, en un PC con bus VL puede haber, sin embargo, una, dos o incluso tres ranuras de expansión, para la colocación de tarjetas concebidas para el bus VL, casi siempre gráficos. Solamente estos slots están conectados con la CPU a través de un bus VL, de tal manera que las otras ranuras permanecen sin ser molestadas y las tarjetas ISA pueden hacer su servicio sin inconvenientes.


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Vesa Local Bus

El VL es una expansión homogeneizada de bus local, que funciona a 32 bits, pero que puede realizar operaciones a 16 bits.

VESA presentó la primera versión del estándar VL-BUS en agosto de 1992. La

aceptación por parte del mercado fue inmediata. Fiel a sus orígenes, el VL-BUS

se acerca mucho al diseño del procesador 80486. De hecho presenta las mismas

necesidades de señal de dicho chip, exceptuando unas cuantas menos estrictas

destinadas a mantener la compatibilidad con los 386.


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Vesa Local Bus

La especificación VL-Bus como tal, no establece límites, ni superiores ni inferiores, en la velocidad del reloj, pero una mayor cantidad de conectores supone una mayor capacitancia, lo que hace que la fiabilidad disminuya a la par que aumenta la frecuencia. En la práctica, el VL-BUS no puede superar los 66 Mhz. Por este motivo, la especificación VL-BUS original recomienda que los diseñadores no empleen más de tres dispositivos de bus local en sistemas que operan a velocidades superiores a los 33 Mhz. A velocidades de bus superiores, el total disminuye: a 40 Mhz solo se pueden incorporar dos dispositivos; y a 50 Mhz un único dispositivo que ha de integrarse en la placa. En la práctica, la mejor combinación de rendimiento y funciones aparece a 33 Mhz.


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VL-Bus versión 2.0

Tras la presentación del procesador Pentium a 64 bits, VESA comenzó a trabajar en un nuevo estándar (VL-Bus versión 2.0).

La nueva especificación define un interface de 64 bits pero que mantienen toda

compatibilidad con la actual especificación VL-BUS. La nueva especificación 2.0 redefine

además la cantidad máxima de ranuras VL-BUYS que se permiten en un sistema sencillo.

Ahora consta de hasta tres ranuras a 40 Mhz y dos a 50 Mhz, siempre que el sistema

utilice un diseño de baja capacitancia.

En el nombre del bus VL queda de manifiesto que se trata de un bus local. De forma

distinta al bus ISA éste se acopla directamente en la CPU. Esto le proporciona por un lado

una mejora substancial de la frecuencia de reloj (de la CPU) y hace que dependa de las

línea de control de la CPU y del reloj. A estas desventajas hay que añadirle que no en

todos los puntos están bien resueltas las especificaciones del comité VESA, hecho que a la

larga le llevará a que el éxito del bus VL se vea empañado por ello.


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PCI

El bus PCI (Interconexión de componentes periféricos) fue desarrollado por Intel el 22 de junio de 1992. Se trata de un bus intermedio ubicado entre el bus de procesador y el bus de entrada/salida . Consiste en un bus de ordenador estándar para conectar dispositivos periféricos directamente a su placa base. Estos dispositivos pueden ser circuitos integrados ajustados en ésta (los llamados "dispositivos planares" en la especificación PCI) o tarjetas de expansión que se ajustan en conectores. Es común en PC, donde ha desplazado al ISA como bus estándar, pero también se emplea en otro tipo de ordenadores.

A diferencia de los buses ISA, el bus PCI permite configuración dinámica de un

dispositivo periférico.


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PCI

La interconexión de componentes periféricos [Peripheral Component Interconnect (PCI)] es un puerto de computadora estándar para conectar dispositivos periféricos a la tarjeta madre de la computadora (llamado puerto local). Estos dispositivos pueden ser circuitos integrados ajustados en la misma tarjeta madre (llamado dispositivos planares en la especificación PCI) o tarjetas de expansión que se ajustan en enchufes.

Es común en PCs, donde ha desplazado el ISA como el puerto estándar, pero es también

usado en otro tipo de computadoras. A diferencia de los puertos ISA, el puerto PCI

permite configuración dinámica de un dispositivo periférico. En el tiempo de arranque de

la máquina las tarjetas PCI y el sistema BIOS interactúan y negocian los recursos que son

pedidos por la tarjeta PCI. Esto permite asignación de IRQs y direcciones del puerto por

medio de un proceso dinámico diferente del puerto ISA donde los IRQs tienen que ser

configurados manualmente usando jumpers externos.

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