El BUS de Expansión

Presentado por Jacinto Busquets

INTRODUCCIÓN

A pesar de que el bus tiene una significación muy elemental en la forma de funcionamiento de un sistema de ordenador, el desarrollo del bus del PC representa uno de los capítulos más oscuros en la historia del PC.

Aunque lBM intentó conseguir un sistema abierto y de hacer pública todo tipo de información, interrumpió la documentación de los pasos exactos de las señales del bus, seguramente bajo el supuesto de que nadie necesitaría esta información

INTRODUCCIÓN

EI bus representa básicamente una serie de cables mediante los cuales pueden cargarse datos en la memoria y desde allí transportarse a la CPU.

Por así decirlo es la autopista de los datos dentro del PC ya que comunica todos los componentes del ordenador con el microprocesador. El bus se controla y maneja desde la CPU.

INTRODUCCIÓN

El objetivo de conectar una tarjeta a un bus de expansión es que ésta funcione como si estuviera directamente conectada al procesador.

Con el fin de hacer factible estas características el bus de expansión XT presentaba el mismo ancho de bus (8 bits) y operaba a la misma velocidad de reloj (4.77 MHz) que el propio procesador 8088.

ISA (Industry Standard Arquitecture)

En 1984 IBM presenta el PC AT (con el procesador Intel 80286) se rompió la aparentemente inquebrantable relación entre bus y microprocesador .

Aunque en la practica el reloj del procesador de un AT funciona a la misma velocidad que su reloj de bus, IBM había abierto la puerta a la posibilidad de que este último fuese más rápido que el reloj del bus. Así pues el bus que incorporó el AT fue de un ancho de banda de 16 bits funcionando a 8.33 Mhz. Este enfoque de diseño no oficial se denominó oficialmente ISA (Industry Standard Arquitecture) en 1988.

 

EISA (Extended ISA)

Como el mercado necesitaba un bus compatible ISA que fuese más rápido, la mayoría de fabricantes establecieron las especificaciones del bus EISA (Extended ISA) que ensanchaba la ruta de datos hasta 32 bits,

La necesidad de compatibilidad con ISA hizo que este nuevo bus tuviese que cargar con la velocidad básica de transferencia de ISA (8.33 Mhz).

EISA (Extended ISA)

Los procesadores Intel 80486 y la invasión en el mercado de los sistemas gráficos como Windows hicieron necesario la aparición de un nuevo tipo de bus que estuviese a la altura de esta tecnología.

Al manejarse gráficos en color se producían grandes cuellos de botella al pasar del procesador al bus ISA (el 80486 funcionaba a 33 Mhz y el bus ISA a 8.33 Mhz).

VESA LOCAL BUS (VLB).

La solución era enlazar el adaptador gráfico y otros periféricos seleccionados directamente al microprocesador.

VESA ( un organismo de estandarización de dispositivos de vídeo) quién presentó el primer tipo de bus local

Se le llamo VESA LOCAL BUS (VLB). Este tipo de bus revolucionó el mercado ya que permitía una velocidad de 33 Mhz pudiéndose alcanzar una máxima de 50 Mhz y su ancho de banda era de 32 bits (aunque en su especificación 2.0 se alcanzan los 64 bits).

Ventajas del VLB

1.- Elevada velocidad de trabajo, puesto que las señales que aparecen en la expansión son las del CPU, de manera que la tarjeta insertada trabaja a la velocidad del CPU.

2.- Compatibilidad con las tarjetas ISA XT y AT. 3.- Facilidad del diseño de la circuitería. 4.- Gran aceptación por parte de los fabricantes

y el público.

PCI (Peripheral Component Interconnect)

En el año 1992 Intel presentó un nuevo bus local llamado PCI, que aunque no mejoró el rendimiento del VLB, superó las carencias que presentaba este bus que estaba orientado al diseño de los procesadores 80486.

La velocidad de este bus era inicialmente de 20 Mhz y funcionaba a 32 bits, aunque en la actualidad su velocidad de transferencia alcanza los 33 Mhz y su ancho de banda llega hasta los 64 bits.

 

Otra característica de este tipo de bus es la posibilidad de que se le conecten tarjetas que funcionen a distintos voltajes.

Los PCI están destinados a seguir por muchas años mas en el mercado.

PCI

Presenta un moderno bus que no sólo está meditado para no tener la relación del bus ISA en relación a la frecuencia de reloj o su capacidad sino que también la sincronización con las tarjetas de ampliación en relación a sus direcciones de puerto, canales DMA e interrupciones se ha automatizado finalmente de tal manera que el usuario no deberá preocuparse más por ello.

PCI es independiente de la CPU, ya que entre la CPU y el bus PCI se instalará siempre un controlador de bus PCI, lo que facilita en gran medida el trabajo de los diseñadores de placas

Por ello también será posible instalarlo en sistemas que no estén basados en el procesador Intel si no que pueden usar otros, como por ejemplo, un procesador Alpha de DEC.

PCI

Como su ancho de bus es de 32Bits (4 Bytes), podemos transferir hasta 132MB (4 Bytes x 33MHz = 132).  Evidentemente, la tarjeta PCI que coloquemos debe ser capaz de soportar tal transferencia de datos.

Un dato importante es que los IRQ y DMA son asignados a la ranura de turno dinámicamente, es decir, por software y sobre la marcha.

  Esto ha provocado la aparición del estándar Plug-and-Play, según el cual ya no hay jumpers ni switches para la configuración, sino que todo se realiza por software, haciendo más cómoda la vida del usuario.

BUS Masteringdel PCI

Cuando tenemos una tarjeta que soporte un elevado flujo de datos,, es posible que la tarjeta se adueñe literalmente del bus con objeto de transferir los datos a la memoria o al controlador del disco duro. 

Esto hace que la transferencia de datos sea excepcionalmente rápida y fiable, sobre todo si la transferencia se hace de tarjeta a tarjeta siendo las dos compatibles Bus Master (por ejemplo, la transferencia de datos de la capturadora de vídeo a una tarjeta controladora de discos duros SCSI).

Ventajas del PCI Bus

1.- Debido al tamaño del bus, las placas son más pequeñas, abaratando los costos de fabricación.

2.- Mecánicamente no tiene los problemas de anclaje del VLB.

3.- Gracias al diseño de su arquitectura, pueden ponerse hasta ocho buses PCI.

4.- Transferencias tarjeta/bus de hasta 132MB por segundo.

5.- Permite técnicas muy refinadas de configuración y transferencia.

PCI BUS

También los procesadores PowerMacintosh de Apple se suministran en la actualidad con bus PCI.

PCI tarjetas usan 47 pins.

Las Velocidades de los Buses

Bus Type Bus Width Bus Speed MB/sec

ISA 16 bits 8 MHz 16 MBps

EISA 32 bits 8 MHz 32 MBps

VL-bus 32 bits 25 MHz 100 MBps

VL-bus 32 bits 33 MHz 132 MBps

PCI 32 bits 33 MHz 132 MBps

PCI 64 bits 33 MHz 264 MBps

PCI 64 bits 66 MHz 512 MBps

PCI 64 bits 133 MHz 1 GBps

I/O Address

Las interrupciones son algo que tiene todas los CPU

Consisten en una serie de líneas por donde se reciben peticiones de interrupción de la tarea de la CPU, para que pueda atender al dispositivo que le está haciendo la llamada

Las interrupciones deben tener unas prioridades entre ellas, según su importancia.

Debe haber alguna interrupción con máxima prioridad con objeto de atender a tareas o periféricos de emergencia.

La interrupción debe tratarse cuando se pueda, a menos que su prioridad sea la máxima

Tipos de Interrupciones

La prioridad de las interrupciones es un tema muy delicado.  Para ello existen básicamente dos tipos: Las interrupciones enmascarables (MI) y las interrupciones no enmascarables (NMI).

 Una interrupción enmascarable la puede hacer un dispositivo cualquiera a la CPU, y este terminará lo que esté haciendo y posteriormente atenderá a la interrupción.

Esto implica que las interrupciones enmascarables no tienen la prioridad necesaria para detener cualquier tarea .

Es decir, las distintas interrupciones enmascarables tienen una determinada prioridad, unas más y otras menos, y serán atendidas por orden en caso de que se produzcan dos llamadas simultáneamente.

IRQs

A esta petición de interrupción por parte de algún dispositivo se la denomina Interrupt Request (IRQ).

 En un principio, los PC´s disponían de 8 interrupciones, pero cuando se ampliaron los buses y las prestaciones de las máquinas, su número subió a 16, siendo numeradas del 0 al 15.

Estas son las interrupciones que normalmente están disponibles para el usuario y los dispositivos.

No todas están libres, ya que la mayoría son utilizadas por una serie de dispositivos y no pueden utilizarse, si bien una misma interrupción puede ser utilizada por dos dispositivos si no se va a producir una llamada simultánea por parte de éstos

IRQs

Como ejemplo, las tarjetas MultiMedia de sonido utilizan la IRQ7, que también es utilizada por la impresora. Normalmente no se imprime a la vez que oímos música.

La interrupción no enmascarable, es la de máxima prioridad, de manera que cuando es solicitada, las tareas que se puedan cerrar se cerrarán y las que no se puedan tendrán que ser cerradas de emergencia.

Además, si el sistema tiene algún tipo de modo supervisor, puede activarse para intentar corregir el error que provocó la interrupción.

Los IRQs

IRQ 0: reloj, no disponible. IRQ 1: teclado, no disponible. IRQ 2:  puente al segundo controlador IRQ. IRQ 3: COM2 y COM4, compartida. IRQ 4:  COM1 y COM3, compartida. IRQ 5: LPT 2, disponible compartida. IRQ 6: disquetera, no disponible. IRQ 7: LPT1, disponible compartida. IRQ 8:  reloj del sistema, no disponible. IRQ 9: puente al primer controlador IRQ. IRQ 10: disponible. IRQ 11: disponible. IRQ 12: disponible si no hay ratón tipo PS2. IRQ 13: coprocesador o MMX, no disponible. IRQ 14: puerto primario IDE, no disponible. IRQ 15: puerto secundario IDE, no disponible.

Las Direcciones de I/O

Las I/O Address (Input/Output Address, direcciones de entrada/salida) son unas direcciones de memoria en las cuales se almacenan los datos obtenidos desde un periférico, tarjeta, etc. 

Los valores de cualquier periféricos son colocados en una posición de memoria fija, a la cual el CPU puede acceder para procesar la información, o bien para mandarla al programa, o donde corresponda.  Esa dirección es la I/O Address.

Las Direcciones de I/O

En un principio, cualquier dirección de memoria base puede ser una I/O Address, siempre y cuando no interfiera con nada.  Las I/O Address pueden ser necesarias para la transferencia de datos desde un scanner, una capturadora, etc.

Lo que sucede es que ya hay una serie de direcciones Standard para determinados dispositivos, los que siempre acompañan al ordenador, y el software debe saber que se usan para esos dispositivos y nada más.

Los I/O Address son el puente entre los periféricos y dispositivos y el CPU y su proceso.

Direcciones de I/O

I/O 1F0: Primer disco duro. I/O 1F8: Segundo disco duro. I/O 170: Tercer disco duro. I/O 178: Cuarto disco duro. I/O 3F8: COM1. I/O 2F8: COM2. I/O 3E8: COM3. I/O 2E8: COM4. I/O 378: LPT1. I/O 278: LPT2. I/O 3BC: LPT3.

DMA (Direct Memory Allocation)

Es el método utilizado cuando el flujo de datos es tan grande que es imposible utilizar los I/O Address.

Cuando vamos a hacer un DMA, el dispositivo toma el control y comienza a volcar los datos obtenidos en la memoria directamente, siempre y cuando haya sitio para ello. 

Se ahorra el hacer el paso intermedio del I/O, y la información circula a la velocidad que permite el ordenador, no de byte en byte como en el sistema I/O.

El DMA se utiliza con los dispositivos que tienen gran flujo de datos, quedando el método I/O para dispositivos lentos, como los ratones, teclados o las impresoras

DMA

En los primeros PC´s, los canales de DMA existentes eran sólo cuatro, todos ellos de 8Bits. 

Cuando aparecieron los ordenadores 286 se añadieron cuatro canales más, pero de 16Bits.  Por tanto, en un PC actual tenemos disponibles 8 canales de DMA

Los canales DMA no están tan ocupados como las IRQ, dándonos más libertad para elegir.

DMA 0: Uso interno, 8 bits, ocupado.

DMA 1: Libre, 8 bits. DMA 2: Disquetera, 8 bits,

ocupado. DMA 3: Libre, 8 bits. DMA 4: Uso interno, 16 Bits,

ocupado. DMA 5: Libre, 16 bits. DMA 6: Libre, 16 bits. DMA 7: Libre, 16 bits.

La Nueva Tecnología

Infiniband es la culminación de dos estándar propuestos. Intel's Next Generación I/O (NGIO) y Future I/O, el cual fue diseñado conjuntamente con IBM, Hewlett Packard and Compaq.

Infiniband puede transferir información entre dos nodos hasta GBps en la versión 12-channel y 1.25 GBps la versión four-channel.

Infiniband ya se usa en los Server pero no se ha extendido a las PC.

HyperTransport, el Standard de Advanced Micro Devices, Inc. (AMD),

Propone dos links de 2 bits a 32 bits de anchura con la máxima velocidad de 6.4 GBps.

HyperTransport esta diseñado específicamente para conectar componentes internos.