Barramentos

1. ARQUITETURA DE COMPUTADORES II Barramentos Prof. César Augusto M. Marcon

2. 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)

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Estudos de Casos - Texas Instruments PC Architecture

10. Estudos de Casos - Power Macintosh G3

11. Estudos de Casos - Apple iMac Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

12. Estudos de Casos - Pentium 4 Matriz de Chaveamento ao invés de barramento

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. Comparação Entre Métodos de Compartilhamento de Barramento

19. Compromissos Entre Vazão e Custos

20. Alguns Padrões de Barramentos

21. 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

22. 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

23. 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 