Buses: arquitecturas y funcionamiento

Buses: arquitecturas y funcionamiento#

Introducción#

La interconexión de todas las unidades estudiadas se lleva a cabo a través de una serie de canales de conexión denominados buses que, físicamente, son un conjunto de líneas por las que se transmite la información binaria (sea de una instrucción, un dato, o una dirección, en un instante dado).

Se denomina ancho de bus al tamaño de ese número de hilos o bits que se transmiten simultáneamente por uno de esos canales. Se pueden distinguir tres tipos de buses: Bus de datos (bidireccional). Transporta datos procedentes o con destino a la memoria principal y las unidades de entrada-salida.

Cabe destacar cómo la velocidad de este bus en su conexión con la memoria RAM es un factor determinante en el rendimiento del sistema. Bus de direcciones (unidireccional). Transporta las direcciones de la unidad de control a la memoria principal o a los periféricos. Bus de control (bidireccional). Transporta las señales de control (microórdenes) generadas por la unidad de control.

Figura 27. Tipos de buses en un ordenador.

Se suele denominar ruta de datos o datapath a todos aquellos elementos (buses, registros y circuitos lógicos) interconectados y encargados de transferir, memorizar y procesar las informaciones (instrucciones, direcciones y operandos) en su conexión con la memoria principal y los dispositivos periféricos.

Subsistema de E/S controladores y periféricos#

Un ordenador tendría una utilidad nula sin la presencia de algún medio que permitiese realizar las entradas y salidas de datos para poder interactuar con el medio. El concepto de entrada y salida hace referencia a toda comunicación o intercambio de información entre la CPU o la memoria central con el exterior.

Estas operaciones se suelen llevar a cabo a través de una cada vez más amplia gama de dispositivos externos llamados periféricos que proporcionan al ordenador las vías para intercambiar datos con el exterior. La parte del equipo que permite esta comunicación es la unidad de entrada-salida, entendiendo por tal concepto en arquitecturas reales a un conjunto de módulos o canales de entrada-salida encargados de gobernar uno o más periféricos asociados a los que suministra la inteligencia necesaria para su funcionamiento coordinado con el ordenador.

Estos módulos de entrada-salida estarían formados por los controladores de periféricos (circuitos de interfaz), de forma que cada periférico necesita su propio controlador para comunicarse con la CPU y los puertos de entrada-salida , que son registros que se conectan directamente a uno de los buses del ordenador.

Cada puerto tiene asociada una dirección o código, de forma que el procesador ve al periférico como un puerto o un conjunto de puertos. Básicamente estos módulos o canales se usan para resolver las diferencias (velocidad de transmisión, formato de datos, etc.) que pueden existir entre el procesador y dichos periféricos. Sus funciones fundamentales son direccionamiento, transferencia y sincronización.

Figura 28. Módulos o canales de entrada-salida.

Existen distintas arquitecturas de ordenador según el direccionamiento de los dispositivos de entrada-salida.

Figura 29. Entrada-salida mapeada a memoria o de bus único.

También existen distintas arquitecturas de ordenador según como se establece el control del tránsito de datos:

Por último, también existen diferentes arquitecturas según el modo en que se produce la sincronización de la CPU con los periféricos:

Tipos de buses físicos#

Los buses se pueden clasificar en dos tipos: internos (los que posee la CPU para interconectar sus componentes internos) o externos (los que interconectan los periféricos o la memoria con el microprocesador). Dentro de esta clasificación se puede especificar aún más, distinguiendo entre:

Partiendo de esta doble clasificación, se pueden mencionar los siguientes desarrollos comerciales:

 Buses Internos

i. Paralelos: EV6 (de Athlon y Alpha), GTL+/AGTL+ de Intel ISA, EISA, VESA, MCA, PCI, AGP ii. Serie: PCI Express (PCIe), I2C, HyperTransport

 Buses Externos

i. Paralelos: ATA (IDE, EIDE, ATAPI), SCSI, PCMCIA ii. Serie: SATA , USB, IEEE 1394 (FireWire)

A continuación se describen con más detalle alguno de ellos:

a) Bus EV6 de AMD y GTL+ (Gunning Transceiver Logic) /AGTL+ (Assisted Gunning Transceiver Logic) de Intel Ambos son buses Front Side Bus (FSB), bus interfaz entre la CPU y la placa base. El bus EV6 (creado por Digital Equipment Corporation) es el usado por el sistema AMD Athlon.

Funciona a 200 MHz, y puede proporcionar un ancho de banda de datos de 1,6 GB/s, escalable hasta un ancho de banda de datos de 3,2 GB/s a 400 MHz. Para alcanzar los 200 Mhz de frecuencia, en el bus se utiliza la tecnología DDR (Double Data Rate), que consiste en transferir datos en ambos sentidos del bus por cada ciclo, duplicando así el rendimiento.

Esta tecnología es similar a la utilizada en DDR-SDRAM y en la interfaz Ultra ATA 66. El EV6, más que un bus, se podría entender como un switch (conmutador) de red, ya que cada procesador tiene conexión completa con el North Bridge ejecutándose a una velocidad efectiva de 200Mhz (un 50% más rápido que el FSB de Intel).

El bus GTL+ es usado por Intel en sus procesadores Pentium II (100Mhz) y Pentium III 133Mhz). Proporciona una única conexión al North Brigde que es compartida por todas la CPU´s del ordenador, cuyo ancho de banda se divide entre todas ellas. El principio del que parte es que casi nunca una CPU necesita el ancho de banda total.

Desafortunadamente, en esta situación de todo o nada de bus compartido, cada CPU debe esperar su turno para el uso del mismo (apareciendo la latencia de uso del bus). Este problema se agrava con la situación actual de CPU´s con 800Mhz de velocidad y memorias a 133MHz, donde una CPU tiene que esperar seis ciclos de procesador para acceder a los datos. Técnicamente el bus EV6 aporta una serie de ventajas respecto al GTL+, entre ellas, se pueden destacar:

b) Bus ISA (Industrial Standard Architecture, Arquitectura Industrial Estandarizada) Podía utilizar entre 8 bits a 4,77Mhz (año 1980) y 16 bits a 8Mhz (año 1984). Los usuarios de máquinas basadas en ISA tenían que disponer de información especial sobre el hardware que iban a añadir al sistema.

Aunque algunas tarjetas eran esencialmente Plug-and-play (enchufar y listo), no era lo habitual. Frecuentemente había que configurar varias cosas al añadir un nuevo dispositivo, como la IRQ, las direcciones de entrada/salida, o el canal DMA. Este bus da conexión a las siguientes interfaces:

c) Bus MCA (Micro Channel Architecture) Bus exclusivo mejorado diseñado por IBM en 1987 para utilizar en su línea de equipos PS/2. Este bus de 16 a 32 bits no era compatible con el bus ISA y podía alcanzar un rendimiento de 20 MB/s.

d) Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) Es un bus de ordenador estándar para conectar dispositivos periféricos directamente a su placa base. A diferencia del bus ISA, el bus PCI permite configuración dinámica de un dispositivo periférico. En el tiempo de arranque del sistema, las tarjetas PCI y la BIOS interactúan y negocian los recursos solicitados por la tarjeta PCI. Su velocidad se mueve de los 66Mhz hasta los 133Mhz y da entrada a los conectores o interfaces de Entrada/Salida siguientes:

e) Bus USB (Universal Serial Bus)

Es un bus serie, a diferencia de los anteriores, que son paralelos y por tanto la información se transfiere bit a bit de forma consecutiva. El diseño del USB quería eliminar la necesidad de adquirir tarjetas separadas para poner en los puertos bus ISA o PCI, y mejorar las capacidades plug-and-play, permitiendo a esos dispositivos ser conectados o desconectados al sistema sin necesidad de reiniciar.

Sin embargo, en aplicaciones donde se necesita ancho de banda para grandes transferencias de datos, o si se necesita una latencia baja, los buses PCI o PCIe salen ganando. Igualmente sucede si la aplicación requiere de robustez industrial. A favor del bus USB, cabe decir que cuando se conecta un nuevo dispositivo, el servidor lo enumera y agrega el software necesario para que pueda funcionar (esto dependerá ciertamente del sistema operativo que esté usando el ordenador). USB puede manejar 128 dispositivos compartiendo entre ellos un ancho de banda de 1.5Mbps.

USB está constituido por un conector de 4 hilos con las siguientes características:

Los USB tipo Mini (cámaras digitales) y Micro (dispositivos móviles) incluyen un hilo adicional que permite la distinción entre los tipo A y tipo B. Respecto a la velocidad de transferencia, en la versión de USB 2.0, la velocidad de transferencia máxima es de 60 Megabytes por segundo.

En la versión 3.0 se multiplica por 10, pasando a 600 Megabytes por segundo. La principal diferencia apreciable entre las versiones 2 y 3 es la velocidad de transferencia de datos, que es muy superior en el estándar USB 3.0. El soporte de formato HD es casi nulo en USB 2.0, pero ampliamente soportado por USB 3.0.

Los dispositivos USB 3.0 se pueden conectar en conectores USB 2.0 y viceversa, si es de tipo A. Si es de tipo B o micro-B, los dispositivos USB 2.0 se pueden conectar en conectores USB 3.0, pero no al revés. El problema es que en la simplicidad, que sin duda ha sido una ayuda durante muchos años, el USB 3.0 encontraba limitaciones importantes como no poder provisionar múltiples conexiones de forma simultánea.

Esto, solo esto, ya hacía que las velocidades del interfaz fueran muy limitadas en la práctica. Surge entonces el UAS (USB Attached SCSI) y en consecuencia el UASP (USB Attached SCSI Protocol). Este estándar o protocolo de transporte de datos por USB fue desarrollado inicialmente por el ANSI(Instituto Nacional Estadounidense de Estándares) pero es realmente desarrollado por el USB-IF (USB implementers fórum).

Básicamente introduce técnicas de manejo de datos ya resueltas en un estándar tan veterano y avanzado como es SCSI. Esto incluye la autogestión del mejor modo de manejar múltiples conexiones, el ordenamiento de las mismas, etc. UASP desarrolla verdaderamente todo el potencial de ancho de banda de USB 3.0.

Tras la presentación de los nuevos macbook en 2015, Apple incorpora el estándar USB 3.1 con conector USB-C en sus equipos portátiles. El conector es similar al tamaño del microUSB, pero su forma es distinta ya que es reversible y retrocompatible con USB 3.0 y USB 2.0. USB-C permite cargar el portátil pero también conectarlo (de momento, vía un adaptador) a dispositivos USB convencionales, o bien a salidas de vídeo HDMI y D-SUb (VGA).

Esto posibilita prescindir del resto de puertos, a excepción del conector de 3,5 mm para auriculares. USB 3.1 es una actualización de la anterior en la que se ha logrado doblar algunos datos. Por ejemplo, permite transferencias dos veces más rápidas, exactamente de 10Gbps. Además, puede manejar mayores cantidades de energía.

Esto le permite cargar dispositivos que sólo requieren 5V o bien otros más demandantes gracias a que llegará hasta una potencia máxima de 100W. Es por eso que portátiles como el nuevo MacBook de Apple se puede cargar directamente a través de su conector USB-C o el último disco de Seagate se pueda alimentar solamente con un cable USB-C.

Esto es posible gracias a la implementación de la especificación USB Power Delivery (USB PD). USB-C es un conector compatible con los nuevos estándares USB y también retrocompatible con los anteriores. Gracias al conector USB-C y el uso conjunto del estándar USB 3.1 se puede contar de todas las ventajas de ambos.

Pero también se puede implementar USB 3.1 en conectores como USB A, USB B, USB Micro B, etc. Por tanto, existen cables con conectores USB-C pero que no obtienen ningún beneficio adicional a nivel de rendimiento respecto a cables microUSB. Esto se debe a que hay fabricantes que adoptan el conector por la ventaja de ser reversible pero implementan la especificación USB 2.0.

Además de la carga, USB 3.1 también ofrece novedades como su capacidad de transmitir vídeo con resolución hasta 4K o la integración con Thunderbolt

3. A continuación se presenta una imagen comparativa de los tipos de conectores USB:

Figura 30. Comparativa de conectores USB.

USB 3.2: El 25 de julio de 2017, un comunicado de prensa del Grupo de Promotores USB 3.0 detalla una actualización pendiente de la especificación USB Tipo-C, que define la duplicación del ancho de banda para los cables USB-C existentes. Según la especificación USB 3.2, los cables existentes USB-C 3.1 Gen 1 con certificación SuperSpeed podrán funcionar a 10 Gbit / s (hasta 5 Gbit / s), y los cables USB-C 3.1 Gen 2 con certificación SuperSpeed + podrán operar a 20 Gbit / s (por encima de 10 Gbit / s).

El aumento en el ancho de banda es el resultado de la operación de varios carriles sobre cables existentes que estaban destinados a las capacidades de flip-flop del conector tipo C. El estándar USB 3.2 es compatible con USB 3.1 / 3.0 y USB 2.0. Define los siguientes modos de transferencia: →USB 3.2 Gen 1x1 - SuperSpeed, 5 Gbit / s (0.625 GB / s) de velocidad de señalización de datos en 1 carril con codificación 8b / 10b, lo mismo que USB 3.1 Gen 1 y USB 3.0. →USB 3.2 Gen 1x2 - SuperSpeed +, nueva velocidad de datos de 10 Gbit / s (1.25 GB / s) en 2 carriles con codificación 8b / 10b. →USB 3.2 Gen 2x1 - SuperSpeed +, velocidad de datos de 10 Gbit / s (1.25 GB / s) en 1 carril con codificación 128b / 132b, lo mismo que USB 3.1 Gen 2. →USB 3.2 Gen 2x2 - SuperSpeed +, nueva velocidad de datos de 20 Gbit / s (2.5 GB / s) en 2 carriles con codificación 128b / 132b.

En mayo de 2018, Synopsys demostró la primera conexión USB 3.2, donde una PC con Windows estaba conectada a un dispositivo de almacenamiento, alcanzando una velocidad de 1.6 GB / s promedio. USB 3.2 es compatible con los controladores USB predeterminados de Windows 10 y en Linux Kernel 4.18.

f) Bus Thunderbolt

La tecnología Thunderbolt llegó al mercado a principios de 2011 poniendo nombre hasta lo que hasta entonces se conocía como Light Peak. Es una interfaz de datos de gran ancho de banda que aúna interfaz DisplayPort y datos en un único conector. El ancho de banda de esta tecnología es de 10 Gbps (hasta 20 Gbps para Thunderbolt2 y 40 Gbps para Thunderbolt3).

La tecnología Thunderbolt se desarrolló por Intel y Apple bajo dos protocolos: PCI-Express y DisplayPort. Gracias a ello se pueden mover datos y vídeo por el mismo canal. Fue concebido para reemplazar a algunos buses actuales, tales como FireWire y HDMI. A nivel físico, el ancho de banda de Thunderbolt 1 y Thunderbolt 2 es idéntico y por tanto el cable de la versión 1 es compatible con los interfaces de la versión

2.

A nivel lógico, Thunderbolt 2 habilita la agregación de dos canales separados de 10 Gbps que pueden combinarse en uno único lógico de 20 Gbps. La versión Thunderbot 3 utiliza conectores USB-C. En comparación con su versión anterior, Thunderbolt 3 reduce a la mitad el consumo de energía y acciona simultáneamente dos pantallas externas 4K a 60 Hz (o una sola pantalla externa 4K a 120 Hz) en lugar de sólo la única pantalla que los controladores anteriores podían manejar.

El nuevo controlador es compatible con PCIe 3.0 y otros protocolos, incluyendo HDMI 2.0 y DisplayPort 1.2 (resolución 4k a 60 Hz). En virtud de ser un modo alternativo de USB-C, Thunderbolt 3 implementa USB Power Delivery, permitiendo hasta 100W de potencia, lo que permite a eliminar el cable de alimentación separado de algunos dispositivos.

Thunderbolt 3 permite la compatibilidad hacia atrás con las dos primeras versiones mediante el uso de adaptadores. Los periféricos con thunderbolt son caros lo que hace que la tendencia del mercado vaya hacia USB 3.1 que además es retrocompatible con los dispositivos que usan versiones anteriores del estándar USB.

Figura 31. TABLAS USB/THUNDERBOLT/DISPLAYPORT.

g) Bus AMR (Audio Modem Rise) Es un bus para dispositivos de audio (como tarjetas de sonido) o módems lanzado en 1998 y presente en placas de Intel Pentium III, Intel Pentium IV y AMD Athlon. Fue diseñada por Intel

como una interfaz con los diversos chipsets para proporcionar funcionalidad analógica de Entrada/Salida, permitiendo que esos componentes fueran reutilizados en placas posteriores sin tener que pasar por un nuevo proceso de certificación. Fue sustituido por CNR, aunque actualmente ninguno de ambos es utilizado en las placas bases.

h) Bus CNR (Communication and Network Riser) Se trata de una bus para dispositivos de comunicaciones como módems, tarjetas de red o USB. Un poco más grande que la AMR, CNR fue introducida en febrero de 2000 por Intel para procesadores Pentium y se trataba de un diseño propietario por lo que no se extendió más allá de las placas que incluían los chipsets de Intel, que más tarde fue implementada otros chipset.

i) Bus AGP (Accelerated Graphics Port) Es un bus especializado para la generación de video, desarrollado por Intel en 1996. Todo tratamiento de señal de video necesita un gran ancho de banda, para ello, AGP constituye un bus dedicado que aísla el sistema de video. El puerto AGP es de 32 bit como PCI, pero cuenta con diferencias tales como contar con 8 canales adicionales para acceso a la memoria RAM.

Además, puede acceder directamente a ésta a través del puente norte, pudiendo emular así memoria de vídeo en la RAM. La velocidad del bus AGP 1X es de 66 MHz con una tasa de transferencia de 266 MB/s. La versión AGP 8X tiene una velocidad de 533 MHz con una tasa de transferencia de 2 GB/s.

Hoy en día se hace la integración del sistema de video con el bus PCI-X, es decir, las tarjetas gráficas se insertan en el bus PCI-X. Tiene mayor velocidad, aunque no sea dedicado exclusivamente y sea compartido. Por lo tanto, AGP tiende a desaparecer, siendo la tendencia el uso de PCI-X para todo.

j) PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) PCMCIA es una asociación Internacional centrada en el desarrollo de tarjetas de memoria para ordenadores personales que permiten añadir nuevas funciones. Se fundó en 1989 con el objetivo de establecer estándares para circuitos integrados y promover la compatibilidad dentro de los ordenadores portátiles, donde solidez, bajo consumo eléctrico y tamaño pequeño son los factores más importantes.

A medida que las necesidades de los usuarios de ordenadores portátiles han ido cambiado, lo ha hecho también el estándar de las tarjetas de PC. En 1991 PCMCIA había definido una interfaz I/O (entrada/salida) para el mismo conector de 68 pines que inicialmente se usaba en las tarjetas de memoria.

A medida que los diseñadores se daban cuenta de la necesidad de un software común para aumentar la compatibilidad, se fueron añadiendo primero las especificaciones de servicios de socket, seguidos de los servicios de especificación de tarjeta. Los interfaces desarrollados bajo este estándar son los siguientes:

k) Bus I2C (Inter Integrated Circuit) Es un bus de comunicaciones en serie. La versión 1.0 data del año 1992 y la versión 2.1 del año 2000, su diseñador es Philips. La velocidad es de 100Kbits por segundo en el modo estándar, aunque también permite velocidades de 3.4 Mbit/s. Es un bus muy usado en la industria, principalmente para comunicar microcontroladores y sus periféricos en sistemas integrados (Embedded Systems) y generalizando más para comunicar circuitos integrados entre sí que normalmente residen en un mismo circuito impreso.

Su principal característica es que utiliza dos líneas para transmitir la información: una para los datos y por otra la señal de reloj. También es necesaria una tercera línea, pero ésta sólo es la referencia (masa). Como suelen comunicarse circuitos en una misma placa que comparten una misma masa, esta tercera línea no suele ser necesaria.

Los dispositivos conectados al bus tienen una dirección única para cada uno. También pueden ser maestros o esclavos. El dispositivo maestro inicia la transferencia de datos y, además, genera la señal de reloj, pero no es necesario que el maestro sea siempre el mismo dispositivo.

Esta característica se la pueden ir pasando los dispositivos que tengan esa capacidad y confiere a este bus la denominación de multimaestro.

l) HyperTransport (HT), también conocido como Lightning Data Transport (LDT). Es una tecnología de comunicaciones bidireccional, que funciona tanto en serie como en paralelo, y ofrece un gran ancho de banda en conexiones punto a punto de baja latencia. Se publicó el 2 de abril de 2001.

Esta tecnología se aplica en la comunicación entre chips de un circuito integrado, ofreciendo un enlace (ó bus) de conexión universal de alta velocidad y alto rendimiento para aplicaciones incorporadas y facilitando sistemas de multiprocesamiento altamente escalables. Esta conexión universal está diseñada para reducir el número de buses dentro de un sistema.

Existen tres versiones de HyperTransport (1.0, 2.0 y 3.0) que pueden funcionar desde los 200MHz hasta 2.6GHz (mientras el bus PCI corre a 33 o 66 MHz). También soporta tecnología DDR (Double Data Rate), lo cual permite alcanzar un máximo de 5200 MT/s (2600MHz hacia cada dirección: entrada y salida) funcionando a su máxima velocidad (2.6GHz).

m) Bus IEEE 1394 (conocido como FireWire por Apple Inc. y como i.Link por Sony) Es un estándar multiplataforma para entrada/salida de datos en serie a gran velocidad. Se suele utilizar para la interconexión de dispositivos digitales como cámaras digitales y

videocámaras a ordenadores. Tiene una velocidad máxima de 800 Megabits por segundo (IEEE 1394b).