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ARQUITETURA DE COMPUTADORES II. Barramentos. Prof. César Augusto M. Marcon. Introdução. Definição Barramento é uma infra-estrutura de comunicação que provê meio físico para interligar sistemas a ele conectados Classificação Infra-estrutura do tipo multiponto e temporal Acesso

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barramentos
ARQUITETURA DE COMPUTADORES II

Barramentos

Prof. César Augusto M. Marcon

introdu o
Introdução
  • Definição
    • Barramento é uma infra-estrutura de comunicação que provê meio físico para interligar sistemas a ele conectados
  • Classificação
    • Infra-estrutura do tipo multiponto e temporal
  • Acesso
    • Sistemas que usam o barramento apenas para leitura podem ter uma conexão direta (normalmente com chaves para não sobrecarregar o barramento)
    • Sistemas que usam o barramento para escrita requerem componentes tipo tri-state para compartilhar o mesmo ponto em instantes distintos
    • Permite uma transação (escrita) por vez, porém podem existir diversas leituras (unicast, multicast ou broadcast)
vantagens
Vantagens
  • Simplicidade
    • Quando integrado tem poucos fios facilitando o posicionamento dos mesmos
    • Quando discreto: fácil de instalar e dar manutenção
  • Baixo custo
    • Quando integrado: pouca área de placa ou silício
    • Quando discreto: é uma infra-estrutura passiva  apenas um cabo coaxial
    • Quando comparando com demais infra-estruturas de comunicação, tem menor tamanho total de conexões
  • Usabilidade
    • Topologia mais comum entre as infra-estruturas de comunicação
    • Excelente para operações broadcast e multicast (um escritor e múltiplos leitores)
  • Confiabilidade
    • Se nodo (subsistema conectado ao barramento) falha, não afeta o barramento (a menos que a falha seja na conexão e altere, por exemplo, a impedância do barramento)
  • Latência
    • Latência média/baixa, quando comparado com outras infra-estruturas de comunicação
desvantagens
Desvantagens
  • Confiabilidade
    • Se cabo, conector ou terminal falhar, toda infra-estrutura falha
  • Tolerância a falhas
    • Falha do barramento implica particionamento total
  • Paralelismo
    • Não é adequado para tráfego pesado com múltiplos escritores
    • Infra-estrutura altamente bloqueante
  • Vazão de dados
    • Vazão média/baixa, quando comparado com outras infra-estruturas de comunicação
  • Escalabilidade
    • Baixa: limitada a algumas dezenas de nodos
  • Necessidade de hardware auxiliar
    • Requer mecanismos e políticas para controlar o uso do barramento
arquiteturas de barramento
Arquiteturas de Barramento
  • Barramento Único
    • Periféricos e CPU estão ligados através de um único meio físico compartilhado
    • Hardware requer portas tipo tri-state, que permitem o compartilhamento temporal
    • Forma simples de interconexão
    • Barramento acomoda dispositivos com características e velocidades diferentes  Desempenho da comunicação cai
  • Barramento Segmentado
    • Dois níveis
    • Hierárquico
    • Irregular
arquiteturas de barramento1
Arquiteturas de Barramento
  • Barramento em dois níveis
    • Processador e memória se comunicam através de barramento principal
    • Barramentos de E/S estão ligados ao barramento principal através de adaptadores, compondo um segundo nível na arquitetura de barramentos
    • Barramento principal pode funcionar a uma maior velocidade
      • Adaptadores se encarregam da comunicação com barramentos de E/S mais lentos
arquiteturas de barramento2
Arquiteturas de Barramento
  • Barramento hierárquico
    • Processador e memória se comunicam através de um barramento principal
    • Backplane concentra toda E/S do sistema e é ligado ao barramento principal (só um adaptador é ligado ao barramento principal)
    • Ao backplane estão ligados diferentes barramentos de E/S através de adaptadores
tipos de barramentos
Tipos de Barramentos
  • Back-side cache
    • Conecta cache diretamente ao processador
    • Funciona na mesma freqüência do processador
    • É uma porta
  • Processador-memória (front-side)
    • Curtos
    • Alta velocidade
    • Projetados de acordo com sistema de memória da placa
    • Protocolo proprietários do fabricante
  • Backplane
    • Base para ligação de outros barramentos (espinha dorsal – backbone em redes)
    • Projetados para possibilitar a ligação de vários grupos de dispositivos de E/S através de um único adaptador ao barramento PM (Processador-Memória)
      • Maximiza velocidade do barramento PM
  • Entrada / Saída
    • Conecta dispositivos de E/S
    • Longos
    • Taxas de transmissão variadas
    • Padrão seguido por fabricantes. Exemplo: SCSI, NuBus
    • Normalmente não conectam diretamente periféricos ao sistema de memória
estudos de casos apple imac
Estudos de Casos - Apple iMac

Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

estudos de casos pentium 4
Estudos de Casos - Pentium 4

Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

compartilhamento do barramento
Compartilhamento do Barramento
  • Processador mestre
    • Um PE (Elemento de processamento) é eleito mestre que controla acesso ao barramento
    • PE mestre utiliza um algoritmo de escalonamento para determinar o próximo candidato ao uso do barramento. E.g. uma fila sem prioridade
    • O escalonamento determina a prioridade de acesso ao barramento
    • PE mestre realiza pollings, conforme algoritmo de escalonamento, para ver se o PE escalonado deseja usar o barramento
    • Exemplo: processador é o PE mestre, controlando todos os acessos ao barramento, porém perde muito tempo de CPU. Além de fazer diversos pollings infrutíferos
compartilhamento do barramento1
Compartilhamento do Barramento
  • Arbitragem
    • Um árbitro decido qual PE terá o controle do barramento
    • Cada PE tem sua própria linha de requisição (Req_i), normalmente gerando uma interrupção para o árbitro
    • PE permanece aguardando o sinal de confirmação do árbitro (Ack_i) para então controlar o barramento
    • A arbitragem deve balancear os seguintes critérios
      • PEs com maior prioridade devem ser atendidos primeiro
      • PEs de menor prioridade não podem ter atendimento postergado indefinidamente
    • Gargalo
      • Muitos fios de controle
compartilhamento do barramento2
Compartilhamento do Barramento
  • Daisy chain
    • PEs são encadeados fisicamente
    • Prioridade implícita pela ordem das conexões entre PEs
      • PE mais próximo a CPU tem maior prioridade
    • PEs tem sinais de pedido de uso do barramento (PI) e aviso de que ele pode usar o barramento (PO)
    • Se um PE deseja usar o barramento, ativa sinal PI e espera pela confirmação em PO
    • PEs que receberem PI ativo, propagam o mesmo na sua porta de saída PI
    • Se um PE tiver em sua entrada o sinal PI ativo, mas deseja usar o barramento, apenas propaga o PI, mas não propaga o recebimento do PO
    • Caso típico dos barramentos SCSI e FireWire
compartilhamento do barramento3
Compartilhamento do Barramento

Colisão (CSMA/CD)

  • PEs escutam o barramento para ver se não tem mensagem trafegando
  • Caso o barramento esteja livre, podem enviar mensagem, passando a ser temporariamente o dono do barramento
  • Caso dois ou mais PE lançaram mensagens praticamente ao mesmo tempo, gera colisão e PEs envolvidos retentam um tempo pseudo-aleatório depois
  • Necessita de um hardware especial que interfacia com o barramento e detecta se ocorreu ou não colisão
  • Não necessita de fios extras de controle
compartilhamento do barramento4
Compartilhamento do Barramento
  • Token
    • O acesso ao barramento é determinado com auxílio de uma mensagem especial chamada de token
    • O PE que está com o token controla o barramento. Os demais aguardam o recebimento do mesmo
    • Quando dispositivo inicia sua operação na rede, este recebe uma identificação e sabe para quem deve transmitir o token após recebê-lo
    • O token é transmitido de dispositivo para dispositivo, normalmente em uma ordem tipo fila, ou com uma prioridade pré-determinada (número de vezes que recebe o token pode ser diferenciada)
    • Rede deve ter mecanismos para recuperar o token em caso de falha
exerc cios
Exercícios
  • Qual a função básica dos barramentos?
  • Qual a vantagem de normatizar barramentos? Existe alguma desvantagem?
  • Para que tipo de aplicação barramento é mais adequado? Por quê?
  • Cite três elementos que afetam o desempenho de um barramento
  • Quais os principais métodos para compartilhar barramentos?
    • Como funciona cada método?
    • Compara cada método de compartilhamento falando em vantagens e desvantagens
  • O que são barramentos segmentados? Como comparar com barramentos monolíticos?
  • Quais são os tipos básicos de barramentos? Diga características de cada tipo
  • Para haver alto desempenho em um barramento, quais as características que dever ter:
    • Grande largura do barramento (muitos dados transmitidos em paralelo)
    • Grande comprimento do barramento com muitos periféricos conectados
    • Comunicação com blocos que suportem muitos dados
    • Vários árbitros de barramento
    • Alta freqüência de operação
exerc cios1
Exercícios
  • (POSCOMP 2012, Questão 48) Com relação a barramento, atribua V (verdadeiro) ou F (falso) às afirmativas a seguir:

( ) Um barramento possui linhas de controle, de dados e de endereço

( ) Um barramento síncrono permite a melhor utilização de dispositivos com diferentes taxas de transferência

( ) A arbitração de um barramento pode ser centralizada ou distribuída

( ) A largura do barramento de endereço determina a quantidade de bits que podem ser transferidos de cada vez

( ) Um barramento multiplexado permite uma menor disputa de acesso por parte dos dispositivos do sistema

Assinale a alternativa que contém, de cima para baixo, a sequência correta

a) V, F, V, F, F

b) V, F, F, V, V

c) F, V, V, V, F

d) F, V, F, V, V

e) F, F, V, F, V

resposta de exerc cios
Resposta de Exercícios
  • (POSCOMP 2012, Questão 48) Com relação a barramento, atribua V (verdadeiro) ou F (falso) às afirmativas a seguir:

( ) Um barramento possui linhas de controle, de dados e de endereço

( ) Um barramento síncrono permite a melhor utilização de dispositivos com diferentes taxas de transferência

( ) A arbitração de um barramento pode ser centralizada ou distribuída

( ) A largura do barramento de endereço determina a quantidade de bits que podem ser transferidos de cada vez

( ) Um barramento multiplexado permite uma menor disputa de acesso por parte dos dispositivos do sistema

Assinale a alternativa que contém, de cima para baixo, a sequência correta

a) V, F, V, F, F

b) V, F, F, V, V

c) F, V, V, V, F

d) F, V, F, V, V

e) F, F, V, F, V

Não concordo com a resposta. Quem elaborou a questão pensou em barramento como um sistema com endereçamento, dados e controle 