Buses de comunicación en un circuito impreso.
En Arquitectura de computadores, el
bus es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de un
computador o entre computadores. Están formado por cables o pistas en un
circuito impreso, dispositivos como resistencias y condensadores además de
circuitos integrados. En los primeros computadores electrónicos, todos los buses eran de tipo paralelo, de manera que la comunicación entre las partes de computador se hacía por medio de cintas o muchas pistas en el circuito impreso, en los cuales cada conductor tiene una función fija y la conexión es sencilla requiriendo únicamente puertos de entrada y de salida para cada dispositivo.
La tendencia en los últimos años es el uso de buses seriales como el USB, Firewire para comunicaciones con periféricos y el reemplazo de buses paralelos para conectar toda clase de dispositivos, incluyendo el microprocesador con el chipset en la propia placa base. Son conexiones con lógica compleja que requieren en algunos casos gran poder de computo en los propios dispositivos, pero que poseen grandes ventajas frente al bus paralelo que es menos inteligente.
Existen diversas especificaciones de bus que definen un conjunto de características mecánicas como conectores, cables y tarjetas, además de protocolos eléctricos y de señales.
La mayoría de los buses están basados en conductores metálicos por los cuales se trasmiten señales eléctricas que son enviadas y recibidas con la ayuda de integrados que poseen una interfaz del bus dado y se encargan de manejar las señales y entregarlas como datos útiles. Las señales digitales que se trasmiten son de datos, de direcciones o señales de control.
Los buses definen su capacidad de acuerdo a la frecuencia máxima de envío y al ancho de los datos. Por lo general estos valores son inversamente proporcionales: si se tiene una alta frecuencia, el ancho de datos debe ser pequeño. Esto se debe a que la interferencia entre las señales (crosstalk) y la dificultad de sincronizarlas, crecen con la frecuencia, de manera que un bus con pocas señales es menos susceptible a esos problemas y puede funcionar a alta velocidad.
Todos los buses de computador tiene funciones especiales como las interrupciones y las DMA que permiten que un dispositivo periferico acceda a una CPU o a la memoria usando el minimo de recursos.
Primera Generación
Bus Backplane del PDP-11 junto con algunas tarjetasLos primeros computadores
tenían 2 sistemas de buses, uno para la memoria y otro para los demás
dispositivos. La CPU tenia que acceder a dos sistemas con instrucciones para
cada uno, protocolos y sincronizaciones diferentes. La empresa DEC noto que el uso de dos buses no era necesaria si se combinaban las direcciones de memoria con los de los periféricos en un solo espacio de memoria (mapeo), de manera que la arquitectura se simplificaba ahorrando costos de fabricación en equipos fabricados en masa, como eran los primeros minicomputadores.
Los primeros microcomputadores se basaban en la conexión de varias tarjetas de circuito impreso a un bus Backplane pasivo que servía de eje al sistema. En ese bus se conectaba la tarjeta de CPU que realiza las funciones de arbitro de las comunicaciones con las demás tarjetas de dispositivo conectadas; las tarjetas incluían la memoria, controladoras de diskette y disco, adaptadores de vídeo. La CPU escribía o leía los datos apuntando a la dirección que tuviera el dispositivo buscado en el espacio único de direcciones haciendo que la información fluyera a través del bus principal.
Entre las implementaciones mas conocidas, están los buses Bus S-100 y el Bus ISA usados en varios microcomputadores de los 70′s y 80′s. En ambos, el bus era simplemente una extensión del bus del procesador de manera que funcionaba a la misma frecuencia. Por ejemplo en los sistemas con procesador Intel 80286 el bus ISA tenia 6 u 8 Mhz de frecuencia dependiendo del procesador.
Segunda generación
Jerarquia de diversos buses en un equipo 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.
Ademas que la CPU utilizaba una parte considerable de su potencia en controlar
el bus. Desde que los procesadores empezaron a funcionar con frecuencias mas
altas, se hizo necesario jerararquizar los buses de acuerdo a su frecuencia: se
creo 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 para conectar todo
el sistema. El bus ISA utilizado como backplane en el PC IBM original paso de ser un bus de sistema a uno de expasión, dejando su arbitraje a un integrado del chipset e implementando un bus a una frecuencia mas alta para conectar la memoria con el procesador.
En cambio el bus Nubus era independiente desde su creación, tenia un controlador propio y presentaba una interfaz estandar al resto del sistema, permitiendo su inclusión en diferentes arquitecturas. Fue usado en diversos equipos, incluyendo algunos de Apple y se caracterizaba por tener un ancho de 32 bits y algunas capacidades Plug and play (autoconfiguración), que lo hacían muy versatil y adelantado a su tiempo. Entre otros ejemplos de estos buses autonomos, estan el AGP y el bus PCI.es algo q sirve para trasladar informacion
Tercera generación
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 numero 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 mas notables, estan los buses PCI-Express,
el Infiniband y el Hyper Transport
Tipos de Bus
Existen dos grandes tipos
clasificados por el método de envió de la información: bus paralelo o serial.
Hay diferencias en el desempeño y hasta hace unos años se consideraba que el
uso apropiado dependía de la longitud física de la conexión: para cortas
distancias el bus paralelo,para largas el serial.
Bus paralelo
Es un bus en el cual los datos son
enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de varias lineas 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. Diagrama de un Bus Backplane como extensión del bus de procesadorEl Front Side Bus de los procesadores Intel es un bus de este tipo y como cualquier bus presenta unas funciones en lineas dedicadas:
Las Lineas de Dirección son las encargadas de indicar la posición de memoria o el dispositivo con el que se desea establecer comunicación. Las Lineas de Control son las encargadas de enviar señales de arbitraje entre los dispositivos. Entre las más importantes están las lineas de interrupción, DMA y los indicadores de estado.
Las Lineas de Datos trasmiten los bits, de manera que por lo general un bus tiene un ancho que es potencia de 2.
Un bus paralelo tiene conexiones físicas complejas, pero la lógica es sencilla, que lo hace útil en sistemas con poco poder de computo. En los primeros microcomputadores, el bus era simplemente la extensión del bus del procesador y los demás integrados “escuchan” las linea de direcciones, en espera de recibir instrucciones. En el PC IBM original, el diseño del bus fue determinante a la hora de elegir un procesador con I/O de 8 bits (Intel 8088), sobre uno de 16 (el 8086), porque era posible usar hardware diseñado para otros procesadores, abaratando el producto.
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, tarjetas de
expansión y para el bus del procesador.
Bibliografía:
http://www.apuntesdeelectronica.com/microprocesador/buses.htm
+4 lab.
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