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

Introdução Definição Classificação Acesso 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 Simplicidade Baixo custo Usabilidade Confiabilidade Latência 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 Confiabilidade Tolerância a falhas Paralelismo 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 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 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 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 Back-side cache Processador-memória (front-side) 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

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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 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 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 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 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

Comparação Entre Métodos de Compartilhamento de Barramento Processador mestre Arbitragem Daisy chain Colisão Token Desempenho Baixo Alto Alto para alta prioridade Alto para baixo tráfego Alto para poucos nodos Permite tratar prioridade Sim Não Sim por número de envios de token Permite evitar postergação indefinida Não (mas estatisticamente não ocorre) Complexidade física Baixa Alta Média Gargalo Polling do mestre Custo em conexões Prioridade fixa Acesso não controlado ao barramento Tratamento do token (inicialização, perda de token, ...)

Compromissos Entre Vazão e Custos Opção Alta vazão Baixo custo Pinagem Separação de dados e endereços Multiplexação de dados e endereços Largura do barramento Grande (Ex. 64 bits) Pequena (Ex. 8 bits) Tamanho do bloco Muitas palavras Poucas palavras Segmentação Múltiplos segmentos Único segmentos Método de compartilhamento Arbitragem Processador mestre, daisy chain, colisão, token Modelo de comunicação Síncrono Assíncrono

Alguns Padrões de Barramentos PCI / PCI 2.0 Peripheral Component Interconnect SCSI Small Computer System Interface USB / USB 3.0 Universal Serial Bus IEEE 1394 Firewire Transmissão Paralela Serial Largura (dados) 32, 64 bits, 64 bits 8, 16, 32 bits 2 bits (Half-duplex) 2 bits (half-duplex) Vazão 132, 264, 528 MB/s, 2.1, 4.3GB/s 5, 10, 20, 40, 80, 160 MB/s 12, 480 Mb/s, 5 Gb/s 50, 100, 200, 400, 800 Mb/s, 6,4 Gb/s Uso Barramento de E/S, Backplane Barramento E/S interno e externo Barramento E/S externo Barramento E/S Backplane externo N de dispositivos Até 32 Até 16 Até 127 Até 63 Endereço Automático Estático (jumpers) Dinâmico (negociado) Conexão de disp. Máquina desligada Máq. ligada (hot-pluggable) Negociação Bus mastering (pinos REQ, GNT) Similar a daisy-chain Canal virtual: pipe (negociado) Aplicações Interfaces de barramentos externos, placas de rede e gráficas, controlador RAID Fitas magnéticas, leitores de CD, Discos rígidos, Scanners, Zip Teclados, Monitores, Mouse, Joystick, pen-drive Aparelhos MIDI, Transmissão de vídeo, (Câmeras, televisão, videocassete), Discos rígidos

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

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 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 