PDF de programación - Fundamentos de computadores - Buses I

FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

BUSES I





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Índice

Presentación

Estructuras de interconexión

Tipos de comunicaciones

Interconexión con buses

Jerarquías de buses múltiples

Ejemplo de bus jerárquico: arquitectura de bus tradicional

Arquitectura de altas prestaciones

Estructura del bus de sistema I

Estructura del Bus de Sistema II

Estructura del Bus de Sistema III

Líneas de control

El Bus de expansión

Resumen

FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

BUSES I

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Presentación

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En esta unidad vamos a hacer un recordatorio de lo visto en el primer curso en lo referente a

fundamentos de computadores.

Para ello, empezaremos recordando la arquitectura Von Neumann, y pasaremos rápidamente a

ver uno de los puntos olvidados de esta arquitectura, que son los buses.

En este tema nos centraremos en el estudio tanto de la jerarquía de los buses como de su forma

y arquitectura, para terminar con unos ejemplos de los buses más utilizados en los PC actuales.

El tema lo distribuiremos en los apartados:

Estructuras de interconexión y los buses.

Jerarquías de buses múltiples.

Análisis de buses de tradicionales y de altas prestaciones.

El bus de sistema y el bus de expansión.

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Estructuras de interconexión

Recordemos que la estructura básica de un computador actual sigue la estructura que Von

Neumann desarrolló en el segundo cuarto del siglo XX.

De manera muy global, recordemos que construía un computador mediante 5 componentes

básicos:

Procesador.

Memoria.

ALU.

Entrada/salida.

Un bus que comunica estos componentes entre sí.

Podemos entender que el computador se comporta como una red de módulos elementales y, por

consiguiente, es necesaria la existencia de líneas para interconectar estos módulos. Este

conjunto de líneas es el elemento al que nos vamos a referir como bus. Un conjunto de líneas

sobre las que puede circular información y cuya estructura dependerá del tipo y número de

intercambios de datos que deben existir entre los periféricos.

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Tipos de comunicaciones

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En la actualidad, el tipo de comunicaciones que se producen en un computador desde el punto

de vista de los componentes que intervienen en ella, son cinco.

Memoria a CPU

La CPU lee una instrucción o un dato desde la memoria.

CPU a memoria

La CPU escribe un dato en la memoria.

E/S a CPU

La CPU lee datos de un dispositivo de Entrada/Salida a
través de un módulo de E/S.

CPU a E/S

La CPU envía datos al dispositivo de E/S.

Memoria a E/S y viceversa

En estos dos casos, un módulo de E/S puede
intercambiar datos directamente con la memoria, sin que
tengan que pasar a través de la CPU, utilizando el
acceso directo a memoria (DMA).

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Interconexión con buses

Definición: un bus es un camino de comunicación entre dos o más dispositivos.

Una característica clave de un bus es que se trata de un medio de transmisión compartido. Al

tener más de un dispositivo conectado, puede haber momentos determinados en que dos

dispositivos transmitan durante el mismo periodo de tiempo, provocando que sus señales puedan

solaparse y distorsionarse. Si ocurre esto, se produce un fallo en la comunicación. Por lo tanto,

solo un dispositivo puede transmitir con éxito en un momento dado.

Un bus es un camino de datos entre varios dispositivos que normalmente está formado por más

de una línea simple de datos.

El número de líneas que forman el bus es muy variado, no existiendo ningún genérico

aunque sí algunas estandarizaciones muy comunes.

Cada línea es capaz de transmitir señales binarias representadas por 1 y por 0.

En un intervalo de tiempo, se puede transmitir una secuencia de dígitos binarios, a través de
una única línea, como una secuencia de bits uno tras otro (comunicación serie).

Se pueden utilizar varias líneas del bus para transmitir dígitos binarios simultáneamente
(comunicación en paralelo).

Por ejemplo, un dato de 8 bits puede transmitirse mediante ocho líneas del mismo bus de forma

simultánea en un solo momento, o transmitirse mediante la transmisión a través de una sola línea,

utilizando 8 intervalos de tiempo, de forma que en cada intervalo sólo se transmita un bit.

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Medio de transmisión compartido

El bus no tiene por qué conectar dos dispositivos sino que al bus se conectan varios
dispositivos, y cualquier señal transmitida por uno de esos dispositivos está disponible para
que los otros dispositivos conectados al bus puedan acceder a ella. Es por tanto una
comunicación omnidireccional.

Más de una línea simple de datos

Si consideramos un bus eléctrico, un bus por el que la información se transmite mediante
señales eléctricas, este bus suele estar formado por más de una línea simple de
transmisión.

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Jerarquías de buses múltiples

Al conectar multitud de dispositivos, un bus puede crecer considerablemente en longitud y

número de dispositivos. Por tanto, su eficiencia se puede ver muy reducida por varios factores,

entre ellos:

A ser un bus omnidireccional, solo un dispositivo puede transmitir datos simultáneamente, lo
que aumenta el tiempo de espera del turno de transmisión si el número de dispositivos que
quieren transmitir es elevado.

Al ser muchos dispositivos a transmitir, la probabilidad de que dos dispositivos transmitan
la probabilidad de choque de

lo que aumenta

simultáneamente es elevada, por
transmisión.

Si el bus se hace muy grande, el tiempo de transmisión de datos de punto a punto también
se hace grande, por lo que el tiempo de espera entre dos transmisiones se hace mayor, ya

que hay que esperar más tiempo para comprobar si la transmisión se ha producido

correctamente y si no ha habido choque de información porque dos dispositivos hayan

transmitido simultáneamente.

Estos factores afectan mucho a la eficiencia con la que los dispositivos pueden transmitir
información a un bus, por lo que el crecimiento indefinido de dispositivos conectados a un bus,

aunque sea una característica teórica, en la práctica no es real, ya que se baja la eficacia del

bus hasta dejarlo inoperativo.

El bus puede convertirse en un cuello de botella a medida que las peticiones de transferencia
acumuladas se aproximan a la capacidad del bus. Este problema se puede resolver en cierta
medida incrementando la velocidad a la que el bus puede transferir los datos y utilizando buses

más anchos. Sin embargo, puesto que la velocidad de transferencia que necesitan los

dispositivos conectados al bus está

incrementándose rápidamente, el problema sigue

aumentando.

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La solución es que el bus único está destinado a dejar de utilizarse, dejando lugar a la jerarquía

de buses. Por consiguiente, la mayoría de los computadores utilizan varios buses, normalmente

organizados jerárquicamente.

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Ejemplo de bus jerárquico: arquitectura de bus tradicional

Actualmente el número de dispositivos que se conectan al bus del ordenador es enorme y

continúa en crecimiento. En la siguiente figura puedes observar una configuración clásica de

jerarquía de buses.

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Esta arquitectura de buses tradicional es razonablemente eficiente, pero muestra su debilidad a

medida que los dispositivos de E/S ofrecen prestaciones cada vez mayores. Al convivir todo tipo

de periféricos en un mismo bus, y según los dispositivos de E/S aumentan sus características, se

limita mucho la mejora de las prestaciones de las comunicaciones.

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Arquitectura de altas prestaciones

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Estructura del bus de sistema I

Tanto en la arquitectura de bus tradicional como la del bus de altas prestaciones, hay un bus que

se repite: el bus de sistema. Por tanto, cogeremos este bus para estudiarlo un poco más en

detalle. Además el bus de sistema es el que más se le parece al bus que Von Neumann

especificó en su diseño.

Primero hemos de considerar que el bus de sistema conecta los componentes principales del

computador, CPU, memoria, E/S, etc., por lo que es un bus de muy altas prestaciones a través

del cual la información circula por medio de señales eléctricas.

El bus de sistema está constituido, usualmente, por desde 50 hasta más de 500 líneas,

dependiendo mucho del tipo de computador. Las líneas de señales que forman el bus tienen una

función dedicada a un solo uso. A pesar de que estos buses son muy diferentes entre los

computadores/microprocesadores actuales, todos ti