Estructuras de interconexión

Estructuras de interconexión

Un computador está constituido por un conjunto de unidades o módulos de tres tipos elementales (procesador, memoria y E/S) que se comunican entre sí.

El conjunto de líneas que conectan los diversos módulos se denominan estructuras de interconexión.

Los tipos de intercambio de datos entre módulos son:

Memoria

Módulos de E/S

Procesador

La estructura de interconexión debe dar cobertura a los siguientes tipos de transferencias:

Memoria a procesador: el procesador lee una instrucción o dato desde la memoria.

Procesador a memoria: el procesador escribe un dato en la memoria.

E/S a procesador: el procesador lee datos de un dispositivo de E/S a través de un módulo de E/S.

Procesador a E/S: el procesador envía datos al dispositivo de E/S.

Memoria a E/S y viceversa: un módulo de E/S puede intercambiar datos directamente con la memoria, sin que tengan que pasar a través del procesador, utilizando el acceso directo a memoria.

Interconexión con buses

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

Usualmente, un bus está constituido por varios caminos de comunicación o líneas.

Los computadores poseen distintos tipos de buses que proporcionan comunicación entre sus componentes a distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema. El bus que conecta los componentes principales del computador (procesador, memoria y E/S) se denomina bus del sistema (system bus).

Estructura del bus

El bus del sistema está constituido, usualmente por entre 50 y 100 líneas. A cada línea se le asigna un significado o una función particular. Los buses se pueden clasificar en tres grupos funcionales (líneas de datos, de direcciones y de control). Además pueden existir líneas de alimentación para suministrar energía a los módulos conectados al bus.

Las líneas de datos proporcionan un camino para transmitir datos entre los módulos del sistema. El conjunto constituido por estas líneas se denomina bus de datos, consta de 8, 16 o 32 líneas distintas, cuyo número se conoce como anchura de bus de datos.

Las líneasde dirección se utilizan para designar la fuente o el destino del dato situado en el bus de datos. La anchura del bus de direcciones determina la máxima capacidad de memoria posible en el sistema. Las líneas de direcciones generalmente se utilizan también para direccionar los puertos de E/S. Los bits de orden más altos se utilizan para seleccionar una posición de memoria o un puerto de E/Sdentro de un módulo.

Las líneas de control se utilizan para controlar el acceso y el uso de las líneas de datos y direcciones. Las señales de control transmiten tanto órdenes como información de temporización entre los módulos del sistema. Las señales de temporización indican la validez de los datos y las direcciones. Las señales de órdenes especifican las operaciones a realizar.

Escritura en memoria (Memory Write)

Lectura de memoria (Memory Read)

Escritura de E/S (I/O Write)

Lectura de E/S (E/S Read)

Transferencia reconocida (Transfer ACK)

Petición de bus (Bus Request)

Cesión de bus (Bus Grant)

Petición de interrupción (Interrupt Request)

Interrupción reconocida (Interrupt ACK)

Reloj (Clock)

Inicio (Reset)

Físicamente, el bus de sistema es de hecho un conjunto de conductores eléctrico paralelos.

Jerarquía de buses

Si se conecta un gran número de dispositivos al bus, las prestaciones pueden disminuir.

1. En general, amás dispositivos conectados al bus, mayor es el retardo de propagación. Si el control del bus pasa de un dispositivo a otro, lo retardos de propagación pueden afectar sensiblemente a las prestaciones.

2. El bus puede convertirse en un cuello de botella a medida que las peticiones de transferencia acumuladas se aproximan a la capacidad del bus.

Elementos de diseño de un bus

Tipo

o Dedicado

o Multiplexado

Método de arbitraje

o Centralizado

o Distribuido

Temporización

o Síncrono

o Asíncrono

Anchura del bus

o Dirección

o Datos

Tipos de transferencia de datos

o Lectura

o Escritura

o Lectura-modificación-escritura

o Lectura-después de- escritura

o Bloque

Tipos de buses

Las líneas del bus se pueden dividir en dos tipos genéricos: dedicadas y multiplexadas. Una línea de bus dedicada está permanentemente asignada a una función o a un subconjunto físico de componentes del computador.

Un ejemplo de dedicación funcional, común en muchos buses, es el uso de líneas separadas para direcciones y datos. Sin embargo, las mismas líneas pueden transmitir tanto datos como direcciones utilizando el multiplexado en el tiempo. La ventaja del multiplexado en el tiempo es el uso de menos líneas, cosa que ahorra espacio y, normalmente, costes. La desventaja es que se necesita circuitería más compleja en cada módulo.

La dedicación física se refiere al uso de múltiples buses, cada uno de los cuales conecta sólo un subconjunto de módulos. La ventaja potencial de la dedicación física es su elevado rendimiento, debido a que hay menos disputas por el acceso al bus ( bus contencion ). Una desventaja es el incremento en el tamaño y el costo del sistema.

Método de arbitraje

En todos los sistemas, exceptuando los más simples, más de un módulo puede necesitar el control del bus.

Puesto que, en un instante dado, sólo una unidad puede transmitir a través del bus, se requiere algún método de arbitraje. Los diversos métodos se pueden clasificar aproximadamente como centralizados o distribuidos. En un esquema centralizado, un único dispositivo hardware, denominado controlador del bus o árbitro, es responsable de asignar tiempo que posen el bus. En un esquema distribuido, no existe un controlador central, cada módulo dispone de lógica para controlar el acceso, y los módulos actúan conjuntamente para compartir el bus.

Temporización

El término temporización hace referencia a la forma en la que se coordinan los eventos en el bus. Con temporización síncrona, la presencia de un evento en el bus está determinada por un reloj.

Con la temporización asíncrona, la presencia

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