Buses


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Una computadora personal requiere de transferir datos del disco a la UCP, de la UCP a la memoria y de la memoria al adaptador de video, al de red, módem... y no se pueden tener circuitos eléctricos separados para cada par de dispositivos.

La solución para el problema de la comunicación entre dispositivos dentro de la computadora fue la utilización de un transporte de datos genérico, también conocido como bus, que es la palabra inglesa para autobús, haciendo referencia a que puede llevar varios pasajeros en un mismo vehículo, en específico, al transporte de datos en un mismo medio. Este transporte de datos es simplemente un conjunto de líneas eléctricas comunes que conectan todos los dispositivos y componentes de la computadora, en donde los circuitos observan las cargas en estas líneas para identificar los datos y responder cuando su número de identificación es transmitido y comienzan a transmitir o recibir datos en otro conjunto de cables. Este transporte es el medio por el cual viajan los datos y pueden tener las siguientes características:

  • Ancho de la ruta de datos, que es la cantidad de bits que puede transportar de manera simultánea. Los primeros tenían una ruta de datos de 4 bits.
  • Velocidad del ciclo de reloj, que hace referencia a la cantidad de grupos de datos por segundo que se pueden enviar por la ruta de datos. A la velocidad elemental de la computadora usualmente se le llama velocidad de transporte frontal.
  • El ancho de banda es la combinación de las dos anteriores, dando como resultado la cantidad de bits por segundo que pueden viajar a través del transporte. La fórmula para calcular el ancho de banda es: Ancho de la ruta de datos * Velocidad del ciclo de reloj.

Las primeras computadoras tenían espacios de almacenamiento independientes para los datos y los programas o instrucciones. John Von Neumann introdujo lo que más adelante se conocería como arquitectura Von Neumann, que combinaba datos e instrucciones en la misma memoria, simplificando la arquitectura. La diferencia entre los datos y las instrucciones era interpretativa. En los 1970s, algunos procesadores implementaron sistemas para mapear dinámicamente qué partes de la memoria eran para código y cuáles para datos, de tal forma que se asegurara que los datos no fueran interpretados como código y que el código no fuera interpretado como datos. Este aislamiento de datos y código ayudó a prevenir caídas del sistema así como otros problemas de código fugado, que comenzaba a borrar otros programas al escribir incorrectamente datos sobre código, ya fuera sobre el mismo programa o el de algún otro usuario. En una versión más reciente, se agregaron transportes para unir datos e instrucciones, lo que acelera el proceso al permitir que el procesador mismo seleccionara la siguiente instrucción, o grupo de las mismas, al mismo tiempo que está leyendo o escribiendo datos de la instrucción precedente.

En gran parte de los 80s, la computadora contaba con un transporte que forzaba toda la circuitería a funcionar con la misma frecuencia, situación que presentó problemas con los procesadores que ofrecían una velocidad o ruta de datos mayor que aquella a la cual los dispositivos estaban diseñados.

buses.jpg (22200 bytes)Evidentemente, los transportes no fueron ajenos a esta evolución, y se han sucedido uno tras otro los diferentes diseños, modelos y estándares de sistemas de transporte, en busca de más velocidad y, en general, de un mayor rendimiento. La principal aportación del primero de los PCs de IBM fue su construcción modular; es decir, el ordenador estaba formado por un conjunto de componentes conectados entre sí de forma que se facilitaban tanto el mantenimiento como la posterior ampliación del hardware. En el interior de una caja metálica, que cumplía a un tiempo las funciones de armazón y de estructura, se colocaban la fuente de alimentación, los dispositivos de almacenamiento y una placa base con el circuito impreso principal sobre el que se conectan los componentes esenciales del ordenador: la memoria, el procesador y las tarjetas de ampliación. Los elementos encargados de conectar estos componentes esenciales son los buses, que consisten, básicamente, en unas líneas de comunicación situadas en la placa base, para que los dispositivos y componentes que se acoplen en ella, actúen como si estuvieran directamente conectados al procesador. En una tarjeta madre se encuentran diferentes tipos de buses conforme a su función o a su tecnología.

El intercambio de información entre dispositivos se realiza a través de transportes de datos con su respectivo conector distintivo como ISA, EISA, VESA, Micro Canal, etc. Estos transportes presentaban una limitación de velocidad de transmisión debido a su baja frecuencia de operación, el número de bits que pueden transportar y del tiempo de acceso a los dispositivos. La capacidad máxima de transferencia es aproximadamente de 8.3 MB/s para el ISA, 33 MB/s para el EISA y  40 MB/s para el Micro Canal y VESA.

Las aplicaciones gráficas son un claro ejemplo de la limitación de estos buses. Un entorno multiventanas típico precisa de un refresco constante para la presentación de los datos en tiempo real y por otra parte, los periféricos multimedia y de almacenamiento masivo actuales demandan intercambio de gran cantidad de datos.

El Transporte Local de Datos (Bus local)

La solución para los cuellos de botella en la transportación de datos fue situar los periféricos con alta exigencia de ancho de banda en el bus de la UCP del sistema incrementándose notablemente la velocidad de transmisión, lo cual se conoce como bus local.

El primera especificación para el desarrollo de un bus local estándar se debe a VESA dando lugar al estándar VL 1.0 con la que se obtiene una notable mejora en la velocidad de transmisión que llega a los 132 Mb/s. Pero aún existen limitaciones en cuanto al número de periféricos que pueden conectarse y una fuerte dependencia del microprocesador, lo que obliga a su rediseño en futuras generaciones de procesadores. Por otra parte, en la especificación se recoge la necesidad de que los dispositivos soporten configuración automática pero no se define el formato o localización de los registros originándose cierta incompatibilidad.

Eventualmente, la creciente importancia de los sistemas abiertos ha forzado la necesidad de establecer una serie de normas para asegurar la compatibilidad entre placas y módulos de diversos fabricantes. El bus PCI, desarrollado por Intel, surge para dar respuesta a la necesidad de sistemas abiertos independientes de la plataforma, la CPU y el sistema operativo. Según el grupo especial de interés para desarrollo PCI, "el objetivo es desarrollar un estándar industrial de la arquitectura de bus local de altas prestaciones que facilite el desarrollo de nuevos periféricos".

Buses por función

En forma muy general existen tres tipos de buses, de acuerdo a la función que realizan:

El bus de Direcciones es un medio de comunicación unidireccional, debido a que los datos fluyen en un único sentido, de la CPU a la memoria u otros dispositivos.

La CPU alimenta niveles lógicos en las líneas de dirección, con lo cual se generan 2n posibles direcciones diferentes. Cada una de estas direcciones corresponde a una localidad de la memoria ó dispositivo.

wpe17.jpg (9648 bytes)

Los procesadores 8086 y 8088 usados en los primeros computadores personales contaban con un bus de 20 líneas o bits de dirección, con lo cual eran capaces de direccionar hasta 1 megabyte de memoria (1.048.576 bytes), lo cual fue superado por los equipos AT (80286), que con 24 bits de direccionamiento, podían administrar hasta 16 MB de memoria (16.777.216 bytes). Subsecuentemente, los procesadores 80386DX direccionan directamente 4 gigabytes de memoria principal, mientras que el procesador 80486DX hasta 64 GB.

El Bus de Datos es bidireccional,  pues los datos pueden fluir hacia ó desde la CPU.  Los m terminales de la CPU, de D0 - Dm-1 , pueden ser entradas ó salidas, según la operación que se este realizando ( lectura ó escritura ) .  en todos los casos, las palabras de datos transmitidas tiene m bits de longitud debido a que la CPU maneja palabras de datos de m bits; del número de bits del bus de datos, depende la clasificación del microprocesador. En algunos microprocesadores, el bus de datos se usa para transmitir otra información además de los datos  ( por ejemplo, bits de dirección ó información de condiciones ).  Es decir, el bus de datos es compartido en el tiempo ó multiplexado. En general se adoptó 8 bits como ancho estándar para el bus de datos de los primeros computadores PC y XT. Usualmente el computador transmite un carácter por cada pulsación de reloj que controla el bus (bus clock), el cual deriva sus pulsaciones del reloj del sistema (system clock). Algunos computadores lentos necesitan hasta dos pulsaciones de reloj para transmitir un carácter.    Los computadores con procesador 80286 usan un bus de datos de 16 bits de ancho, lo cual permite la comunicación de dos caracteres o bytes a la vez por cada pulsación de reloj  en el bus. Los procesadores 80386 y 80486 usan buses de 32 bits. El PENTIUM de Intel utiliza bus externo de datos de 64 bits, y uno de 32 bits interno en el microprocesador.

El Bus de Control es utilizado para sincronizar las actividades y transacciones con los periféricos del sistema.  Algunas de estas señales, como R / W , son señales que la CPU envía para indicar que tipo de operación se espera en ese momento.  Los periféricos también pueden remitir señales de control a la CPU, como son INT, RESET, BUS RQ.   Las señales más importantes en el bus de control son las señales de cronómetro, que generan los intervalos de tiempo durante los cuales se realizan las operaciones.  Este tipo de señales depende directamente del tipo del microprocesador.

Otra clasificación que es utlizada para los buses es por el modo de transmitir la información:

Bus Unidireccional
Bus Bidireccional
Bus Serie
Bus Paralelo

Bus Unidireccional   Este tipo de bus se caracteriza por que la información que fluye a través de el es en una sola dirección, por ejemplo, El CPU usa un bus de direcciones que es unidireccional, el CPU puede mandar direcciones de memoria hacia la memoria, pero la memoria no puede mandar datos a través de este bus

Bus Bidireccional   Este tipo a contraparte del bus mencionado anteriormente, se caracteriza por que a través de el los datos pueden fluir en cualquiera de los dos sentidos.

Bus serie   En este tipo de bus, la información puede fluir en uno o dos sentidos, la diferencia es que la información se transmite bit por bit, por lo que se puede considerar como lento a comparación del paralelo

Bus Paralelo   En este Bus, toda la información que se transmite se manda a través de varios canales simultáneos, por eso es mas rápido que el bus anterior

POR FUNCIONALIDAD SE CLASIFICAN EN:

Buses Microprocesador-Memoria: son propietarios, usualmente muy rápidos, con un número conocido de dispositivos y desempeño.

Buses E/S: son abiertos, más lentos y anchos, soportan un número desconocido de dispositivos, y con desempeños muy desiguales.

Buses Backplane: Microprocesador, memoria y dispositivos de  E/S en el mismo bus.

Buses Síncronos y Asíncronos.    De acuerdo a los ciclos de tiempo en los que ocurre la transferencia de información a través de un bus, es posible dividirlos en:    Bus Síncrono: Las señales ocurren en un número entero de un ciclo de reloj denominado ciclo de bus, cuya frecuencia es propia del bus.    Bus Asíncrono: no existe reloj maestro, la duración de los mensajes es propia del dispositivo. 

A través de la historia han ido apareciendo otros tipos de buses, muchos han quedado obsoletos por el poco ancho de palabra, o por la velocidad baja a la que operaban, incluso algunos actuales no soportan las velocidades de los procesadores, esto es muy importante en el rendimiento del computador, ya que se puede tener un procesador muy rápido, pero si el bus no soporta esa velocidad, de muy poco servirá la velocidad.

 

Transporte de Sobremesa Apple (Apple Desktop Bus)

 

Conecta la Macintosh al teclado y al ratón e inclusive a otros periféricos de baja transferencia de datos. Fue introducido con la Mac SE en 1986 y descontinuado con la iMac/Blue G3 en 1998.

Utiliza un protocolo serial sobre 4 conductores similar, pero más lento, que el USB, aunque soporta conexiones calientes, oficialmente no las soporta. Soporta conexiones en cadena, de manera similar al SCSI.

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