6 – Barramentos

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6 – Barramentos

Arquitetura de Computadores
Marcelo Adriano Perecim
6 – Barramentos
Barramento é uma via de comunicação. Em um micro, há vários
barramentos. O principal barramento é o barramento local, a via de comunicação
que conecta o processador aos circuitos primordiais da placa-mãe: a memória
RAM, a memória cache L2 e o chipset. Existem vários modelos de barramentos
locais, por exemplo:
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ISA (Industry Standard Architecture).
EISA (Extended Industry Standard Architecture).
VLB (VESA Local Bus).
PCI (Peripheral Component Interconnect).
AGP (Accelerated Graphics Port).
PCI Express
AMR (Audio and Modem Riser).
CNR (Communications and Network Riser).
USB (Universal Serial Bus).
FireWire (também conhecido como IEEE 1394).
IrDA (Infrared Developers Association).
A velocidade de transferência de dados de um barramento é medida em
mega bytes por segundo. Ex: se o barramento é de 64 bits e trabalha a 66 MHz,
então a taxa de transferência de dados será de 528 MB/s (64 bits x 66 milhões /
8). A divisão por oito é utilizada para se obter o resultado em bytes e não em bits
(1 byte = 8 bits).
Taxa de transferência = freqüência de operação x número de bits
8
Esta operação leva em consideração que os processadores transfere
somente um dado por pulso de clock. No caso de processadores mais novos que
transferem mais do que um dado por pulso de clock – como Athlon e Duron, que
transferem dois dados por pulso de clock, e o Pentium 4, que transfere quatro
dados por pulso de clock – deve-se multiplicar o resultado pela quantidade de
dados que o processador transfere por vez. Assim, os processadores Athlon e
Duron atingem uma taxa de transferência de 1,6 GB/s em seu barramento local,
mesmo operando a 100 MHz. O mesmo ocorre com o Pentium 4, que tem um
barramento externo com desempenho de 3,2 GB/s, mesmo operando a somente
100 MHz.
163
6.1 – Barramento ISA (Industry Standard Architecture)
Historicamente, o primeiro Barramento de expansão a aparecer foi o ISA.
Primeiro, no PC original e no PC XT: como ambos utilizavam um processador
chamado 8088, com um barramento de dados de 8 bits, o slot de expansão era
igualmente de 8 bits.
Com a introdução do micro AT da IBM, o barramento e o slot ISA
aumentaram de tamanho, de forma a acompanhar as características do
processador 80286:
•
•
•
Barramento de dados de 16 bits.
Barramento de endereços de 24 bits.
Freqüência de operação de 8 MHz.
Para manter compatibilidade com as placas periféricas criadas para o XT, o
slot ISA foi dividido em dois: uma parte 100% compatível com o slot ISA de 8 bits
utilizado pelo XT; e uma pequena “extensão”, contendo as linhas de dados,
endereços e controles adicionais.
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É importante observar que uma placa ISA pode ser colocada livremente em
qualquer slot ISA, seja uma placa projetada para o antigo slot 8 bits, seja uma
placa projetada para o slot de 16 bits.
Apesar deste slot trabalhar a apenas 8MHz e transferir dados a 8 MB/s, ela
ainda poderia ser utilizada para a maioria das placas de hoje. Por exemplo, um
modem de 56 Kbps transfere dados a 56.000 bits por segundo, ou 7 KB/s, ou seja,
mesmo sendo lento, o barramento ISA é 1.170 vezes mais rápido do que os
modems de 56 Kbps.
Placas de som simples (dois canais, sem recursos de 3D posicional)
transferem dados a 1.411.200 bps ou 172,27 KB/s. O barramento ISA é 47,55
vezes mais rápido do que uma placa de som.
Por causa da lentidão do barramento ISA para periféricos que exigem
velocidade (em especial, a placa de vídeo e o disco rígido), outros tipos de
barramento deveriam ser criados. Nessa época, a IBM não estava preocupada
com isso, pois o sucessor do AT era o OS/2, um micro que utilizava um
barramento proprietário, chamado Arquitetura Microcanal (MCA, MicroChannel
Architecture), que apresentava problemas de desempenho.
Durante muito tempo, o ISA continuou sendo a única alternativa para os
fabricantes de hardware. Basta reparar que todas as placas-mãe 386 e muitas
placas-mãe 486 não têm nenhum outro tipo de slot, a não ser o ISA.
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6.2 – Barramento EISA (Extended Industry Standard Architecture)
A utilização de um barramento proprietário foi um balde de água fria nos
principais concorrentes da IBM. Outros fabricantes que construíssem
microcomputadores compatíveis teriam de formular o seu próprio padrão, porém
não havia qualquer tipo de padronização e muito menos entendimento entre os
diversos fabricantes independentes.
A Compaq foi uma das primeiras empresas a levantar sua bandeira em
defesa da arquitetura aberta, compatibilidade e padronização entre os diversos
fabricantes. Liderando um grupo formado pelos nove maiores fabricantes mundiais
de micros de marca na época (AST, Epson, HP, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse,
Zenith e Compaq) criou um padrão chamado EISA, totalmente compatível com o
antigo ISA. O barramento EISA tem as seguintes características:
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•
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Barramento de dados de 32 bits.
Freqüência de operação de 8 MHz.
O slot EISA é muito parecido com o slot ISA, pois ambos têm o mesmo
tamanho. No EISA, as linhas adicionais de dados, controle e endereços, que não
existiam no ISA, foram colocadas entre os contatos convencionais, fazendo com
que o slot EISA fosse compatível tanto com interfaces ISA quanto EISA.
Quando se coloca uma interface ISA em um slot EISA, o percurso é limitado
por travas no conector, impedindo que ele faça contato com os sinais EISA. Já
quando é inserido uma interface EISA, essa limitação não ocorre e seus contatos
ajustam-se plenamente com todos os sinais.
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No entanto, para manter compatibilidade com o barramento ISA, o
barramento EISA teve de usar a mesma freqüência de operação dos sinais do
barramento ISA. Mesmo tendo a capacidade de trabalhar com dados de 32 bits,
endereçar até 4 GB de memória e ser uma arquitetura aberta, o EISA não se
tornou popular, pois ainda apresentava um gargalo para interfaces que exigiam
alto desempenho.
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6.3 – Barramento VLB (VESA Local Bus)
A VESA (Video Eletronic Standards Association – Associação de Padrões
Eletrônicos de Vídeo) é formada pelos fabricantes de placas de vídeo, a fim de
definir padronizações, por exemplo, a Super VGA.
Essa associação era a maior interessada em que um padrão de barramento
de expansão de alto desempenho fosse logo definido, pois era o cúmulo que um
micro com alto poder de processamento, como um 486, ainda apresentasse no
vídeo imagens na mesma velocidade de um 286.
Como nenhum outro grande fabricante como a IBM ou a Intel havia decidido
definir esse padrão, a própria VESA resolveu projetar o seu próprio modelo de
barramento.
O projeto – chamado VESA Local Bus (Barramento Local VESA), ou
simplesmente VLB – teve uma aceitação imediata no mercado, graças aos
associados da VESA: mais de 150 fabricantes. Havia outros motivos para o
sucesso do padrão VLB: era uma arquitetura aberta, assim como o ISA, e
manteve total compatibilidade com o barramento ISA.
O barramento VLB é conectado diretamente ao barramento local, através
de um buffer. Dessa forma, a freqüência de operação do VLB é igual à freqüência
de operação do barramento local. Em um micro com processador 486DX4-100, o
barramento VLB trabalhará a 33 MHz, igualmente ao barramento local da placamãe. O barramento VESA Local Bus tem as seguintes características:
•
•
•
Barramento de dados igual ao do processador.
Freqüência de operação igual à freqüência do barramento local.
O VLB acrescenta uma terceira extensão ao slot ISA, como mostra a figura
abaixo:
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O grande problema do VLB é justamente o fato de estar preso ao
barramento local. Apesar de isso fazer com que o barramento VLB trabalhe no
máximo do desempenho proporcionado pelo processador da máquina, isso faz
com que processadores mais modernos sejam incompatíveis com o VLB. Por
exemplo, os processadores 486 trabalham externamente transferindo 32 bits de
dados para a memória RAM. O barramento VLB é, portanto, um barramento de 32
bits. Já os processadores Pentium transferem 64 bits de dados para a memória
RAM, exigindo uma revisão no barramento VLB para que este possa utilizar essa
quantidade maior de dados. Porém, não é só a questão dos bits de dados que
importa; processadores mais novos podem ter sinais de controle inexistentes em
processadores mais antigos, tornando um padrão antigo do barramento
incompatível com o processador mais novo.
A única restrição do slot VLB refere-se à quantidade de periféricos
possíveis por computador. Por trabalhar sob altas freqüências, a interferência
eletromagnética torna impossível trabalhar com mais de três slots VLB acima de
33 MHz simultaneamente. O limite do VLB em relação à quantidade de slots
possíveis na placa-mãe é o seguinte:
•
•
•
33 MHz: 3 placas VLB.
Isso não é tão problemático. O slot VLB foi amplamente utilizado na época
do 486, quando poucos processadores trabalhavam com uma freqüência de
operação externa acima de 33 MHz. Além disso, somente três classes de
periféricos necessitam de alto desempenho: vídeo, disco rígido e rede local.
Apesar de existirem duas padronizações de slot VLB, uma de 32 bits para
placas-mãe 486 e outra de 64 bits para placas-mãe Pentium, encontra-se
basicamente a versão do slot VLB de 32 bits, pois na época da massificação do
processador Pentium, o barramento de expansão mais adotado passou a ser o
PCI.
O problema crucial do VLB era a sua dependência em relação ao
processador. Quando o Pentium foi lançado, o padrão de barramento não era
compatível com esse processador, pois seu barramento local operava a 64 bits e
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66 MHz. Por causa desse problema, o barramento PCI foi a solução mais
adequada, pois este não é dependente do processador.
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6.4 – Barramento PCI (Peripheral Component Interconnect)
A Intel resolveu criar seu próprio padrão de barramento de periféricos, o
PCI. Este padrão acabou definitivamente com os padrões EISA e VLB. O
barramento ISA continua sendo utilizado para manter compatibilidade com
periféricos antigos e que sejam lentos, como a placa de som e a placa de modem.
Ao contrário do VLB, o PCI não é conectado diretamente ao barramento
local do micro. Este padrão, ao contrário de todos os barramentos anteriores, não
se prende a nenhum tipo de processador específico. Isso dá segurança que todos
os futuros processadores utilizem, sem maiores problemas, o barramento PCI.
Não só o PCI não é dependente de processador quanto de plataforma. Muitos
micros não-PC, como PowerMac, utilizam o barramento PCI.
Para a interligação do barramento local com o PCI, é utilizada uma ponte
(bridge) barramento local-PCI. No caso da ligação do barramento PCI com o ISA,
há uma ponte PCI-ISA. Uma ponte é um circuito capaz de converter sinais e
protocolos de um tipo de barramento para outro. Em um PC típico, tem-se
somente essas duas pontes, também chamadas de Ponte Norte e Ponte Sul. As
pontes estão integradas ao chipset.
Assim, no caso de ser criada uma nova geração de processadores, em vez
de haver a necessidade de se reformular o padrão do barramento de expansão,
como ocorria no VLB, é necessário somente criar uma nova ponte norte, circuito
que irá converter o padrão de comunicação usado no barramento local para o
padrão usado no barramento PCI. É por esse motivo que junto com processadores
de novas gerações são lançados novos chipsets no mercado pelos fabricantes de
chipset.
Um dos problemas do slot PCI é que este é um slot “à parte”, sem nenhum
contato com o slot ISA, como ocorria no EISA e no VLB, em compensação, se tem
um desempenho muito maior.
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Existem vários modelos de barramento PCI. Pode-se diferenciá-los de
acordo com o tamanho de seu barramento de dados (que pode ser de 32 ou 64
bits) e com a sua freqüência de operação máxima (33 ou 66 MHz).
No caso de micros com processadores 486 e com barramento PCI, não há
dúvida de que o barramento PCI será de 32 bits e trabalhará a, no máximo, 33
MHz.
Já no caso de micros com processadores Pentium e superiores, pode-se
encontrar diversos tipos de barramento PCI:
•
•
•
•
Barramento PCI 32 bits a 33 MHz (taxa de transferência máxima teórica de 132 MB/s).
Os slots PCI de 32 bits e PCI de 64 bits têm diferenças físicas como é
mostrado na figura abaixo:
Na verdade, quando utilizado em placas-mãe 486, o barramento PCI terá a
mesma freqüência de operação do barramento local. Já em placas-mãe para
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processadores a partir do Pentium e que operam externamente até 66 MHz, o
barramento PCI de 33 MHz trabalha na metade da freqüência do barramento local.
Na tabela abaixo é mostrado a freqüência de operação do barramento PCI:
Freqüência de operação
do barramento local
50 MHz
55 MHz
60 MHz
66 MHz
75 MHz
83 MHz
100 MHz
133 MHz
•
Freqüência do barramento
PCI
25 MHz
27,5 MHz
30 MHz
33 MHz
37,5 MHz
41,5 MHz
33 MHz
33 MHz
Taxa de transferência
100 MB/s
110 MB/s
120 MB/s
132 MB/s
150 MB/s
166 MB/s
132 MB/s
132 MB/s
Bus Mastering
Como quem controla tanto o barramento local quanto o barramento de
expansão é geralmente o próprio processador, este comandará a comunicação
entre os dois periféricos, por exemplo, a transferência de dados do disco rígido
para a memória RAM. É claro que, enquanto está comandando a “conversa” entre
dois periféricos, o processador não pode fazer mais nada, desperdiçando tempo
que poderia estar sendo usado para a execução de um programa, por exemplo.
Para transferir arquivos do disco rígido para a memória RAM, normalmente
são efetuados dois passos. Primeiro, o processador carrega os dados. E depois,
esses dados são armazenados na RAM. Com a técnica de bus mastering os
dados são enviados diretamente à RAM, sem a necessidade de uso do
processador.
•
Plug and Play (conecte e use)
Cada dispositivo PCI tem uma pequena memória ROM contendo
informações que são repassadas aos demais dispositivos, sempre que necessário.
Essas informações são conhecidas como cabeçalho de configuração e contem
informações como o fabricante, o tipo do dispositivo e sua revisão.
Para que se tenha um micro verdadeiramente plug-and-play, são
necessários:
−
−
−
−
BIOS plug-and-play.
Barramento plug-and-play.
Placas plug-and-play.
Sistemas operacionais plug-and-play (Windows 9x/ME, Windows NT/2000 e
Windows XP).
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Após a criação do Barramento PCI, houve uma revisão no barramento ISA,
denominada ISA plug-and-play, para permitir que periféricos ISA também possam
se autoconfigurar.
Uma das características das placas periféricas plug-and-play é a ausência
de jumpers de configuração, já que toda a configuração é executada por software.
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6.5 – Barramento AGP (Accelerated Graphics Port)
A taxa de transferência típica do barramento PCI 32 bits a 33 MHz – 132
MB/s – não é alta o suficiente para aplicações modernas, em especial animações
3D e videoconferência. Incrivelmente, o barramento PCI apresenta um gargalo
para essas aplicações, que exigem muita velocidade de vídeo.
Toda placa de vídeo tem uma memória, chamada memória de vídeo, que
está fisicamente localizada na placa de vídeo. Essa memória tem o conteúdo do
que deve ser apresentado na tela. Para que o processador faça um desenho na
tela, este precisa escrever na memória de vídeo (que está na placa de vídeo) o
que deseja ser apresentado.
A comunicação do processador com a memória de vídeo é feita através do
barramento PCI, tipicamente a uma taxa máxima teórica de 132 MB/s, que não é
suficiente para animações 3D em tela cheia com uma boa relação de quadros por
segundo, caso a imagem utiliza muitas texturas. Textura são arquivos do tipo
bitmap (BMP) que são aplicadas sobre uma imagem tridimensional. Os arquivos
de texturas normalmente são grandes e daí a necessidade de se ter uma alta taxa
de transferência entre o processador e a placa de vídeo 3D.
O barramento local do micro, por outro lado, apresenta a maior taxa de
transferência de todas. Atualmente, o barramento local transfere dados a, no
mínimo, 528 MB/s, caso o barramento local esteja trabalhando a 66 MHz. Para
barramentos de 100 e 133 MHz, essa taxa de transferência sobe para 800 MB/s e
1064 MB/s, respectivamente.
Para aumentar a velocidade do vídeo, a Intel liderou a indústria na criação
de um novo barramento, chamado AGP, que permite que a placa de vídeo use a
memória RAM do micro como uma extensão de sua memória de vídeo, para o
armazenamento de texturas e o elemento z (z-buffering, que é o responsávl pelo
vetor de profundidade em imagens 3D). Assim, o processador em vez de
armazenar as texturas e z-buffering na memória de vídeo da placa de vídeo (que é
acessada a, no máximo, 132 MB/s), armazena essas informações na memória
RAM do micro (que é acessada a, no mínimo, 528 MB/s, ou seja, quatro vezes
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mais do que o barramento PCI). Isso faz com que o processador seja logo
“liberado”, aumentando o desempenho de processamento da máquina.
Desde que o barramento AGP foi criado, várias versões foram lançadas no
que diz respeito à voltagem e velocidade. As primeiras versões operavam com 3,3
volts. As placas de CPU tinham slots AGP operando com 3,3 vots (a exemplo das
memórias, chipsets e o barramento externo dos processadores). As placas de
vídeo AGP também operavam com os mesmos 3,3 volts, de forma compatível com
a placa de CPU. Inicialmente foi lançado o AGP de velocidade simples (AGP 1x),
depois o AGP 2x e o AGP 4x, duas a 4 vezes mais velozes, respectivamente.
Para possibilitar a operação em modo 4x, os níveis de voltagem foram
alterados para 1,5 volts. Surgiram então os slots AGP para 1,5 volts, capazes de
operar exclusivamente com este nível de voltagem, e os slots AGP universais,
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capazes de operar tanto com 1,5 como com 3,3 volts. Da mesma forma existem
placas AGP de 3,3 volts, placas AGP de 1,5 volts e placas AGP universais.
A nova versão 3.0 da especificação AGP, que suporta o modo de
transferência em 8x, opera com tensão de 0,7 volts, entretanto é utilizado o
mesmo tipo de soquete para placas de 1,5 volts. Para manter compatibilidade
total, tanto as placas de CPU quanto as placas de vídeo AGP 3.0 são capazes de
operar tanto com 0,7 volts quanto com 1,5 volts. Ambas as placas são
identificadas por novos sinais MB_DET e GC_DET, através dos quais as
voltagens corretas são selecionadas.
Note que essas tensões de 3,3 volts, 1,5 volts e 0,7 volts não se referem
necessariamente ao funcionamento dos chips da placa. Elas se aplicam
obrigatoriamente na comunicação entre a placa de vídeo e a placa de CPU, ao
longo do slot. Uma placa de vídeo pode ter seus chips operando, por exemplo,
com 2,5 volts mas usar tensões de 1,5 volts na comunicação com a placa de CPU.
Portanto quando dizemos “placa AGP de 3,3 volts”, ou “placa AGP de 1,5 volts” ou
“placa AGP de 0,7 volts”, estamos nos referindo apenas à voltagem usada pelos
sinais digitais que trafegam ao longo do slot.
A figura mostra as diversas versões de slots AGP. O slot de 3,3 volts possui
um chanfro localizado mais próximo da parte traseira da placa de CPU. O slot
AGP de 1,5 volts tem o chanfro na posição inversa. Placas de vídeo AGP
possuem conectores com chanfros correspondentes que se encaixam nos
chanfros dos slots. Isto impede, por exemplo, que uma placa de 1,5 volts seja
encaixada em um slot de 3,3 volts, e vice-versa.
Podemos ainda encontrar slots AGP universais e placas AGP universais.
Um slot AGP universal não possui chanfro, e está preparado para operar tanto
com 3,3 como com 1,5 volts. A placa instalada é reconhecida e o slot passa a
operar com a voltagem apropriada. Da mesma forma encontramos placas AGP
universais, com dois chanfros. Elas podem ser encaixadas tanto nos slots de 1,5
como nos de 3,3 volts.
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Outro ponto importante é a velocidade de operação. As velocidades
suportadas são 1x, 2x, 4x e 8x. Quando uma placa AGP é encaixada em um slot
AGP de voltagem compatível (note que é impossível fazer o encaixe quando as
voltagens não são compatíveis), prevalecerá a máxima velocidade que seja
suportada simultaneamente pela placa e pelo slot. As primeiras placas de CPU
com barramento AGP operavam com 3,3 volts e suportavam apenas o modo AGP
1x. Depois surgiram placas de CPU com chipsets capazes de operar em AGP 2x,
também com 3,3 volts. Os slots AGP universais e os de 1,5 volts são encontrados
nas placas capazes de operar em 4x. O modo 4x exige a tensão de 1,5 volts, o
mesmo ocorrendo com o modo 8x.
Uma placa AGP 2x de 3,3 volts não pode ser conectada em um slot AGP de
1,5 volts, mas poderá ser encaixada em um slot AGP universal. Esses slots
suportam o modo 4x, mas quando a placa de vídeo é 2x, a taxa de transferência
será limitada pela placa de vídeo, apesar da placa de CPU poder chegar até 4x.
O barramento AGP versão 1.0 foi o primeiro a ser utilizado em placas de
CPU e placas de vídeo. Esta versão oferecia os modos 1x e 2x, porém as
primeiras implementações operavam apenas em 1x. A próxima especificação foi a
AGP 2.0, que estendeu a velocidade para 4x, e finalmente a 3.0 que oferece
transferências em até 8x. Além do aumento de velocidade, novas opções de
voltagem foram introduzidas, bem como algumas outras modificações no
funcionamento. Cada versão nova tem compatibilidade com as versões anteriores,
desde que seja respeitado o tipo de conector. Por exemplo, uma placa de CPU
compatível com AGP 3.0 e use slot de 1,5 volts, aceitará operar nos modos 4x e
8x. Placas de CPU AGP 3.0 universais suportam também operações em modos 1x
e 2x.
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O barramento AGP é bastante semelhante ao PCI, mas com algumas
modificações voltadas para placas de vídeo. Opera com 32 bits e 66 MHz. Na sua
versão inicial (AGP 1x), cada clock realiza uma transferência de 32 bits (4 bytes).
Como são 66 MHz (na verdade são 66,66 MHz), temos 66 milhões de
transferências por segundo. Sendo as transferências de 4 bytes, o número total de
bytes por segundo que podem passar pelo barramento AGP 1x é:
66,66 MHz x 4 bytes = 266 MB/s
Esta é uma taxa de transferência fantástica. Com ela é possível preencher
todo o conteúdo da memória de vídeo cerca de 90 vezes por segundo (90 Hz),
supondo uma resolução gráfica de 1024x768x32 bits. Isto é muito mais que os 30
Hz necessários para ter sensação visual de continuidade de movimentos. Portanto
90 Hz pode parecer um exagero, mas não é. O tráfego de dados no barramento
AGP não é simplesmente a transferência de “frames” para a memória de vídeo. É
preciso fazer continuamente a leitura de texturas que ficam na memória RAM da
placa de CPU, para que sejam automaticamente e rapidamente aplicadas sobre
os polígonos que formam as imagens tridimensionais. O tráfego de dados pelo
barramento AGP tende a ser ainda mais elevado quando são usadas resoluções
mais elevadas, quando são geradas imagens complexas e quando a resolução
das texturas é muito elevada. Por isso existem versões novas do barramento
AGP, capazes de operar com taxas ainda mais elevadas.
Desde a criação do barramento AGP, já era previsto o aumento da sua taxa
de transferência, utilizando os modos 2x e 4x, e mais recentemente, 8x. O modo
2x também opera com 32 bits e 66 MHz, porém em cada período de clock, são
feitas duas transferências, ao invés de apenas uma. A figura 13 compara as
transferências de dados nos barramentos AGP 1x e 2x. Note que em ambos os
casos, o sinal de clock (CLK) é o mesmo, mas no modo 2x é usado o sinal
AD_STB para indicar a presença de dados válidos no barramento. Nos instantes
em que o sinal AD_STB varia de 1 para 0, ou de 0 para 1, o barramento está
pronto para fazer uma transferência. Como em cada ciclo de clock (indicados na
figura pelos números 1, 2, etc.) existem duas transições de AD_STB, temos duas
transferências a cada ciclo. Portanto a taxa de transferência no modo 2x é dada
por:
66,66 MHz x 2 x 4 bytes = 533 MB/s
O modo 4x utiliza um processo similar. A principal diferença é que o sinal
AD_STB apresenta 4 transições a cada período de clock, portanto são feitas 4
transferências em cada ciclo. A taxa de transferência no modo 4x é então:
66,66 MHz x 4 x 4 bytes = 1066 MB/s
As primeiras placas de CPU com slot AGP possuíam suporte apenas para o
modo 1x, bem como ocorria com as primeiras placas de vídeo AGP. Em 1999 já
era comum encontrar placas de CPU e placas de vídeo, ambas capazes de operar
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no modo AGP 2x. Em 2000, praticamente todas as placas de CPU, e boa parte
das placas de vídeo modernas operavam em AGP 4x.
O modo AGP 8x faz parte da especificação AGP 3.0. Sua principal
característica é o uso de taxas de transferência 8 vezes maiores que as oferecidas
pelo AGP 1x. Em modo 8x, a taxa de transferência teórica máxima é de 2133
MB/s. Esta taxa é obtida com o uso de 8 transferências por ciclo, usando o mesmo
clock básico de 66 MHz utilizado por todas as versões do AGP. Apesar do clock
ser de 66 MHz, o barramento tem dois sinais complementares AD_STBS e
AD_STBF, cujas transições são 4 vezes mais rápidas que o clock do barramento
AGP. Os instantes de subida desses dois sinais marcam a transferência dos
dados, como mostra a figura 15.
Os chanfros existentes nos conectores AGP da placa de CPU e da placa de
vídeo são os indicadores de compatibilidade entre essas placas. Todas as opções
de compatibilidade são apresentadas na tabela abaixo:
Placa de CPU
AGP 1.0, 3.3
volts
AGP 2.0, 1,5 volt
Conector
AGP
AGP 3,3 V
AGP 1,5 volt
AGP 2.0 universal Universal
(UAGP)
(UAGP)
AGP 3.0
AGP de 1,5
volt
AGP 3.0 universal AGP de 1,5
volt
Compatibilidade
Opera com placas de vídeo AGP de 3,3 volts. As
velocidades suportadas são 1x e 2x, porém isto
ainda depende do chipset da placa de CPU e do chip
gráfico da placa AGP.
Suporta placas AGP de 1,5 volts. Os modos
disponíveis são 1x, 2x e 4x, dependendo do chipset
da placa de CPU e do chip gráfico da placa AGP.
Suporta placas AGP de 1,5V e 3,3V, com
velocidades de 1x, 2x e 4x, dependendo do chipset
da placa de CPU e do chip gráfico da placa AGP.
Suporta apenas placas de vídeo AGP 3,0 com
velocidades de 4x e 8x, dependendo do chipset da
placa de CPU e do chip gráfico da placa AGP.
Suporta taxas AGP 1x, 2x, 4x e 8x em modos AGP
2.0 e AGP 3.0.
180
6.6 – Barramento Tecnologia PCI Express
O desenvolvimento de computadores cada vez mais rápidos e eficientes é
realidade há muito tempo. No que se refere aos PCs (Personal Computer), um dos
principais incentivadores da busca pela inovação são as aplicações multimídia
(jogos, vídeo em boa definição, etc). Cada vez mais estas dependem de hardware
mais poderoso. Um dos frutos dessa evolução é o barramento PCI Express, o
substituto do barramento PCI (Peripheral Component Interconnect) e do
barramento AGP (Accelerated Graphics Port). O objetivo deste artigo é mostrar as
principais características e alguns detalhes técnicos dessa tecnologia.
O padrão PCI surgiu no início da década de 1990 e por mais de 10 anos foi
o barramento mais utilizado para a conexão de dispositivos ao computador,
principalmente placas de vídeo, placas de som, placas de rede e modems. O
barramento PCI trabalha com 32 bits por vez (mas há alguns slots PCI que
funcionam a 64 bits), o que permite atingir a velocidade de 132 MB por segundo.
Como as aplicações em 3D exigiam taxas maiores, o barramento AGP foi
inserido no mercado, oferecendo taxas que vão de 266 MB por segundo (no
padrão AGP 1X) à 2128 MB por segundo (no padrão AGP 8X). Praticamente todas
as placas-mãe com suporte a AGP só possuem um slot desse tipo, já que o
mesmo é usado exclusivamente por placas de vídeo.
O problema é que, mesmo oferecendo velocidades acima de 2 GB por
segundo, o slot AGP 8x não suportará aplicações que estão para surgir e que
precisam de taxas ainda maiores. Além disso, tais aplicações poderão ter outros
requisitos que o AGP não oferece. Ainda, é necessário considerar que, apesar do
AGP ter vantagens bastante razoáveis, seu uso é destinado apenas às aplicações
de vídeo. Acontece que som e rede, por exemplo, também evoluem.
Na busca de uma solução para esses problemas, a indústria de tecnologia
trabalhou (e trabalha) no barramento PCI Express, cujo nome inicial era 3GIO.
Trata-se de um padrão que proporciona altas taxas de transferência de dados
entre o computador em si e um dispositivo, por exemplo, entre a placa-mãe e uma
placa de vídeo 3D.
O PCI Express mantém compatibilidade em software com o atual
barramento PCI, porém é tecnicamente completamente diferente. A principal
diferença do barramento PCI Express sobre o PCI tradicional está no tipo de
comunicação. No barramento PCI tradicional, a comunicação é paralela, feita a 32
bits por vez usando um clock fixo de 33 MHz. Já no barramento PCI express, a
comunicação é serial, feita a um número de bits combinado entre o transmissor e
o receptor. As transmissões podem ser feitas a 1, 2, 4, 8, 12, 16 ou 32 bits.
A tecnologia PCI Express conta com um recurso que permite o uso de uma
ou mais conexões seriais, isto é, "caminhos" (também chamados de lanes) para
transferência de dados. Se um determinado dispositivo usa um caminho, então
diz-se que este utiliza o barramento PCI Express 1X, se utiliza 4 conexões, sua
denominação é PCI Express 4X e assim por diante. Cada lane pode ser
bidirecional, ou seja, recebe e envia dados.
Cada conexão usada no PCI Express trabalha com 8 bits por vez, sendo 4
em cada direção. A freqüência usada é de 2,5 GHz, mas esse valor pode variar.
181
Assim sendo, o PCI Express 1X consegue trabalhar com taxas de 250 MB por
segundo, um valor bem maior que os 132 MB do padrão PCI.
Atualmente, o padrão PCI Express trabalha com até 16X, o equivalente a
4000 MB por segundo. Certamente, com o passar do tempo, esse limite
aumentará. A tabela abaixo mostra os valores das taxas do PCI Express
comparadas às taxas do padrão AGP:
AGP 1X: 266 MBps
AGP 4X: 1064 MBps
AGP 8X: 2128 MBps
PCI Express 1X: 250 MBps
É importante frisar que o padrão 1X é pouco utilizado e, devido a isso, há
empresas que chamam o PCI Express 2X de PCI Express 1X. Assim sendo, o
padrão PCI Express 1X pode representar também taxas de transferência de dados
de 500 MB por segundo.
A arquitetura essencial do padrão PCI Express é dividida em 4 camadas:
physical (física), data link (ligação), software e transaction (transação):
• Camada physical (física) - a camada física é o barramento de conexão
conhecido como lane. Ela possui 2 pares de sinais (especificados através
de voltagens diferentes), sendo um utilizado para transmissão de dados e
outro usado na recepção destes;
•
Camada data link (ligação) - essa camada é responsável por garantir o
envio e o recebimento correto dos dados. Para isso, são usados,
essencialmente, protocolos de detecção de erros. Um ponto interessante é
que essa camada trabalha com uma técnica conhecida como "Flow Control
Protocol", que faz com que os pacotes de dados sejam transmitidos apenas
se houver espaço disponível no buffer do receptor. Assim, evita-se o
reenvio de dados;
•
Camada software - é essa a camada responsável pela comunicação com o
sistema operacional. É por ela, por exemplo, que o sistema sabe onde há
um dispositivo utilizando o PCI Express;
•
Camada transaction (transação) - a camada transaction é responsável,
basicamente, pelo tratamento de solicitações entre as camadas de software
e de ligação. Para lidar com isso, os pacotes de dados podem receber
atributos - como o de prioridade - que definem a otimização da transmissão.
É importante frisar que cada camada pode ser trabalhada de maneira
individual, ou seja, sem interferir na outra. Além disso, há um recurso no PCI
Express chamado Virtual Channels (canais virtuais), que permite até 8 diferentes
canais de comunicação em uma única conexão. Através de atributos especiais, o
182
barramento consegue determinar quais os pacotes prioritários na transmissão.
Assim, aplicações em tempo real, por exemplo, são pouco ou nada prejudicadas.
O conector do barramento PCI Express em placas-mãe pode variar conforme a
velocidade usada, como mostra a imagem abaixo (retirada do site
www.pcisig.com):
A imagem a seguir mostra uma placa de vídeo 3D da Asus, modelo
Extreme AX800XT PE/2DHTV, que usa o barramento PCI Express 16X:
Já a figura seguinte mostra uma placa-mãe da Asus com suporte a
diferentes slots PCI Express:
183
A tecnologia PCI Express se mostra muito promissora e certamente será
um padrão em pouco tempo. Dos assuntos já tratados aqui no InfoWester, este é
um dos que mais impressionaram. Isso porque o PCI Express pode ser flexível ao
ponto de aumentar ainda mais velocidade ou ao ponto de criar novos tipos de
conexão. Com o aumento na velocidade dos chips de memória e com a elevação
da capacidade de processamento, principalmente com o surgimento de
processadores de 64 bits, máquinas cada vez mais poderosas estão por vir.
184
6.7 - USB (Universal Serial Bus)
USB é a sigla de Universal Serial Bus. Trata-se de uma tecnologia que
tornou mais simples e fácil a conexão de diversos tipos de aparelhos (câmeras
digitais, drives externos, modems, mouse, teclado, etc) ao computador, evitando o
uso de um tipo específico de conector para cada dispositivo. Este artigo visa
mostrar o porquê do USB ter essas características e de ser tão essencial aos
computadores nos dias de hoje.
Até certo tempo atrás, instalar um periférico no computador era um ato
encarado como uma tarefa assustadora, digna apenas de técnicos ou de pessoas
com mais experiência. Em meio a vários tipos de cabos e conectores, era preciso
primeiro descobrir, quase que por um processo de adivinhação, em qual porta do
computador deveria ser conectado o periférico em questão. Quando a instalação
era interna, o usuário precisava abrir o computador e quase sempre tinha que
configurar jumpers e/ou IRQs. Somente em pensar em ter que encarar um
emaranhado de fios e cabos, muitos usuários desistiam da idéia de adicionar um
novo dispositivo ao seu PC.
Com o padrão PnP (Plug and Play), essa tarefa tornou-se mais fácil e
diminuiu toda a complicação existente na configuração de dispositivos. O objetivo
do padrão PnP foi tornar o usuário sem experiência, capaz de instalar um novo
periférico e usá-lo imediatamente, sem complicações. Mas esse padrão ainda era
(é) complicado para alguns, principalmente quando, por alguma razão, falha.
Diante de situações como essa, foi criada em 1995, uma aliança promovida
por várias empresas (como NEC, Intel e Microsoft) com o intuito de desenvolver
uma tecnologia que permitisse o uso de um tipo de conexão comum entre
computador e periféricos: a USB Implementers Forum. Em pouco tempo, surgia o
USB, um barramento que adota um tipo de conector que deve ser comum a todos
os aparelhos que o usarem. Assim, uma porta USB pode ser usada para instalar
qualquer dispositivo que use esse mesmo padrão.
Com todas essas vantagens, a interface USB tornou-se o meio mais fácil de
conectar periféricos ao computador. Fabricantes logo viram o quanto é vantajoso
usá-la e passaram a adotá-la em seus produtos. Por causa disso, o USB começou
a se popularizar. A idéia de poder conectar em um único tipo de entrada diversos
tipos de aparelhos também foi um fator que ajudou o USB a conquistar o seu
merecido espaço.
O USB também oferece outra facilidade: qualquer usuário pode instalar
dispositivos USB na máquina. Assim, pessoas leigas no assunto, não precisam
chamar um técnico para instalar um aparelho, já que problemas como conflito de
IRQs praticamente já não existem. Em outras palavras, o USB é como uma
espécie de "plug and play", já que permite ao sistema operacional reconhecer e
disponibilizar imediatamente o dispositivo instalado. Para isso, é necessário que a
placa-mãe da máquina e o sistema operacional sejam compatíveis com USB. As
versões do Windows lançadas a partir da versão 98 já possuem suporte pleno à
tecnologia USB. Usuários de sistemas Linux também já contam com isso, assim
como os usuários de computadores da Apple.
185
Além de ser "plug and play", a interface USB trouxe outra novidade: é
possível conectar e desconectar qualquer dispositivo USB com o computador
ligado, sem que este sofra danos. Além disso, não é necessário reiniciar o
computador para que o aparelho instalado possa ser usado. Basta conectá-lo
devidamente e ele estará pronto para o uso. Antigamente, existia até o risco de
curtos-circuitos, se houvesse uma instalação com o equipamento ligado.
Um fato interessante é a possibilidade de conectar alguns periféricos USB a
outros (por exemplo, uma impressora a um scanner). Mas, isso só é conseguido
se tais equipamentos vierem com conectores USB integrados. Também é possível
o uso de "hubs USB", aparelhos que usam uma porta USB do computador e
disponibilizam 4 ou 8 outras portas. Teoricamente, pode-se conectar até 127
dispositivos USB em uma única porta, mas isso não é viável, uma vez que a
velocidade de transmissão de dados de todos os equipamentos envolvidos seria
comprometida.
A imagem abaixo mostra um "pen drive", um dispositivo móvel que permite
armazenar até centenas de MBs em dados de qualquer tipo. Aparelhos desse tipo
usam quase que exclusivamente a conexão USB do computador.
Uma característica importante e interessante do USB, é que sua interface
permite que o dispositivo conectado seja alimentado pelo cabo de dados, ou seja,
não é necessário ter um outro cabo para ligar o aparelho à tomada. Mas, isso só é
possível com equipamentos que consomem pouca energia.
É importante frisar que os cabos USB devem ter até 5 metros de
comprimento. Acima disso, o aparelho pode não funcionar corretamente. Caso
seja necessário instalar dispositivos em distâncias longas, é recomendável o uso
de hubs USB a cada cinco metros.
Quanto à velocidade, o barramento USB pode operar de 1,5 Mbps
(megabits por segundo) à 12 Mbps. A velocidade mais baixa geralmente é usada
por dispositivos como mouse, teclado e joysticks. Já velocidades mais altas, são
186
utilizadas por equipamentos como scanners e câmeras digitais, que precisam de
alta velocidade na transmissão de dados.
O USB é tido como um padrão satisfatório quanto ao aspecto desempenho.
É bem mais rápido que as tradicionais portas seriais e paralelas, mas, está abaixo
de outros tipos de barramento, como o SCSI e o FireWire, que alcançam
velocidades de cerca de 80 a 160 MB por segundo e 400 megabits por segundo,
respectivamente. A maioria dos computadores com mais de uma porta USB divide
o barramento entre os diversos dispositivos conectados. Assim, uma impressora
trabalhará mais lentamente quando, por exemplo, imagens estiverem sendo
transferidas de uma câmera digital para o computador.
O USB com essas característicasé conhecido como USB 1.1. Já existe uma
nova versão, chamada de USB 2.0 (400 Mbps), que é bem mais rápida e está se
tornando o tipo mais usado.
O padrão USB tornou-se um quesito indispensável em qualquer
computador. Já é possível, por exemplo, conectar aparelhos de som ao PC por
meio de uma conexão USB e executar na sala de sua casa músicas em MP3.
6.7.2 - USB (Universal Serial Bus) 2.0
O USB 2.0 oferece a velocidade de 480 Mbps, o equivalente a cerca de 60
MB por segundo. O conector continuou sendo o mesmo tipo utilizado na versão
anterior. Além disso, o USB 2.0 é totalmente compatível com dispositivos que
funcionam com o USB 1.1. No entanto, nestes casos, a velocidade da
transferência de dados será a deste último. Isso ocorre porque o barramento USB
2.0 tentará se comunicar à velocidade de 480 Mbps. Se não conseguir, tentará a
velocidade de 12 Mbps e, por fim, se não obter êxito, tentará a velocidade de 1,5
Mbps.
Quanto ao fato de um aparelho com USB 2.0 funcionar no barramento USB
1.1, isso dependerá do fabricante. Para esses casos, ele terá que implementar as
duas versões do barramento no dispositivo.
187
Em seu lançamento, o USB 2.0 também trouxe uma novidade pouco
notada: a partir dessa versão, fabricantes poderiam adotar o padrão em seus
produtos sem a obrigatoriedade de pagar royalties, ou seja, sem ter que pagar
uma licença de uso da tecnologia. Esse foi um fator importante para a ampliação
do uso do USB 2.0 e também para a diminuição do custo de dispositivos
compatíveis.
O lançamento do USB 2.0 também trouxe outra vantagem à USB
Implementers Forum: o padrão FireWire foi padronizado principalmente para
trabalhar com aplicações que envolvem vídeo e áudio. Assim, é bastante prático
conectar uma câmera de vídeo por este meio. Como a velocidade do USB 2.0
supera a do FireWire, ele também se tornou uma opção viável para aplicações
multimídia, o que aumentou seu leque de utilidades.
Os primeiros produtos que utilizam o padrão USB 2.0 começaram a ser
lançados de maneira efetiva no final de 2001. Por se tratar de um substituto
natural da versão 1.1, praticamente já não há mais produtos que utilize esse
último. No entanto, ainda existe alguns problemas ligados à compatibilidade com o
sistema operacional. Por exemplo, no Windows XP, o USB 2.0 só funciona
devidamente com a instalação do Service Pack 1. Nos sistemas operacionais
Linux, o suporte ao USB 2.0 só se tornou padrão em versões atuais do kernel. O
USB 2.0 é muito versátil e seu uso é realmente vantajoso. Assim, ao comprar um
equipamento a ser conectado ao PC, não hesite, escolha um com suporte a USB.
Felizmente, a maioria dos produtos recém-lançados são compatíveis com esse
padrão.
188
6.8 - Barramento FireWire
Trata-se de um meio de transmissão serial que permite uma
conexão fácil de diversos tipos de dispositivos ao computador.
Desenvolvido pela Apple no começo da década de 1990 para
substituir o padrão SCSI, somente em 1995 o padrão FireWire foi padronizado,
através da norma IEEE 1394. Desde então, o uso de dispositivos FireWire
começou a crescer e nos equipamentos da Apple já é padrão.
O FireWire consegue ser até 30 vezes mais veloz que o padrão USB 1.1
(50 MB/s contra 1,5 MB do USB 1.1) e 60 vezes mais rápido que este último com
o FireWire 800, uma versão recente, que trabalha à taxas de 100 MB/s. É um
barramento usado por vários tipos de equipamentos, entre eles drives removíveis,
pen-drives, câmeras digitais, televisões, impressoras, scanners, dispositivos de
som, etc. É possível conectar ao mesmo tempo, até 63 aparelhos em um único
barramento.
Como já dito, a Apple é a empresa que mais utiliza o FireWire, mas
empresas como Sony, Kodak, HP, Epson, Matsushita (Panasonic), Canon, JVC e
muitas outras, já possuem equipamentos com o FireWire. Os pioneiros, foram os
equipamentos de vídeo. Um fato interessante é que o FireWire já não é um
barramento exclusivo para computadores ou de equipamentos que fazem seu uso.
Dispositivos de vídeo também aproveitam os recursos do FireWire.
Em computadores recentes, é possível conectar dispositivos FireWire sem
a necessidade de instalação de drivers. Também não é necessário reinicializar a
máquina. Mas, se o PC não possui o barramento FireWire, pode-se utilizar um
dispositivo que adiciona esta capacidade ao computador, como o aparelho da foto.
O nome FireWire foi dado ao barramento serial especificado pelo IEEE
(Institute of Electrical and Electronic Engineers), que possui como nome oficial
IEEE 1394. Desde de 1996, quando o barramento foi apresentando publicamente
por Peter Johansson, da Congruent Software, uma série de reuniões para a
discussão de questões técnicas aconteceram entre Philips, Apple, NEC, Seagate,
189
Sony, Samsung, Texas, Intel, Compaq, Microsoft e outras empresas, para a
definição do padrão IEEE 1394-1, que define uma forma comum de comunicação
entre dispositivos com FireWire e também para a especificação de meios
responsáveis pela ligação deste barramento com outros.
Algo interessante no padrão FireWire é que ele consegue transmitir dados
com velocidade pré-definida e independente do que mais estiver sendo transmitido
pela rede, tornando-o uma ótima opção para transmissões de dados em tempo
real.
O conector do barramento FireWire é blindado e possui 6 vias. Duas delas
são de alimentação, as demais formam dois pares diferenciais, sendo um para
dados e um para clock. Há cabos com 4 vias somente, mas nestes casos não
existem os fios de alimentação.
Quanto aos cabos, é importante destacar que o tamanho máximo
recomendado é 4,5 m, caso contrário, poderá haver perda de dados durante a
transmissão. Distâncias maiores são possíveis se dispositivos repetidores - como
hubs FireWire - forem ligados em cadeia.
190
6.9 - Dispositivos AMR
A Intel criou uma especificação chamada AMR (Audio Modem Riser), que
nada mais é do que um pequeno slot que pode existir na placa-mãe para a
instalação de placas de som e de modem criadas para esse tipo de slot. A grande
vantagem é que modems e placas de som AMR são extremamente baratos.
Placas AMR funcionam com a mesmíssima tecnologia dos dispositivos onboard (dispositivos embutidos na placa-mãe) – chamada HSP, Host Signal
Processing –, onde é o processador da máquina quem executa a tarefa de
processamento de sinais e não o dispositivo em si. Por exemplo, no caso do
modem, é o microprocessador quem faz a modulação e demodulação dos dados
transmitidos pela linha telefônica, e não o modem. Apesar de essa tecnologia
diminuir o desempenho do micro enquanto o dispositivo é usado, você consegue
construir componentes extremamente baratos. Para o usuário comum, que não é
nenhum "nerd" e não faz milhares de coisas simultaneamente com o micro, essa
queda de desempenho normalmente não é percebida.
Em outras palavras, uma plaquinha AMR é construída com a mesma
tecnologia dos dispositivos on-board e o slot AMR serve para você adicionar um
novo dispositivo on-board ao seu micro.
A boa notícia é que, pelo menos teoricamente, os dispositivos AMR
conseguem um desempenho melhor do que dispositivos on-board. Isso ocorre
porque como a parte analógica do circuito é construída em uma placa a parte e
não na placa-mãe, o dispositivo fica mais imune a ruídos. Em bom português: uma
placa de som AMR capta menos ruído e, portanto, é melhor do que uma placa de
som on-board. Um modem AMR também tem um desempenho melhor pelo
mesmo motivo.
191
6.10 - Dispositivos AMR
O conector CNR (Communications and Network Riser), que é uma
modificação do AMR (Audio Modem Riser), aceita também placas de rede. Tanto
o CNR quanto o AMR são conectores existentes na placa-mãe que permitem que
você instale uma pequena placa de modem ou som (e, no caso do CNR, rede) que
é controlada pelo chipset da placa-mãe, ou seja, utilizando a tecnologia HSP (Host
Signal Processing), onde não é o dispositivo mas sim o processador da máquina
que fica responsável por controlar a sua tarefa. Dessa forma, esses componentes
possuem o mesmo funcionamento dos dispositivos on-board, isto é, um modem
AMR tem o mesmo funcionamento de um modem on-board, sendo igualmente
controlado pelo processador da máquina, obtendo um desempenho inferior a um
modem "verdadeiro". Mas, em compensação, custam 10 vezes menos.
192

6 – Barramentos

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