Los diferentes tipos de buses en los dispositivos electrónicos

Estos días, coge cualquier dispositivo electrónico y encontrarás algunos acrónimos en la caja que describen los diferentes buses que soporta. Una computadora tendrá una lista de buses tan larga como tu brazo. En este artículo, discutiremos los diferentes buses disponibles y en uso para ayudarte a entender exactamente de qué es capaz tu equipo.

¿Qué es un bus?

Un bus es el camino a través del cual un dispositivo envía sus datos para poder comunicarse con la CPU y/o otros dispositivos. Por ejemplo, un dispositivo PCI, como una tarjeta de audio, enviará sus datos a través del bus PCI. Cada dispositivo tendrá un punto de acceso al bus utilizando un tipo específico de interfaz. La palabra "interfaz" se refiere no solo al puerto físico al que se conectan los dispositivos, sino también a los parámetros operativos eléctricos y al formato de comunicación. Por lo general, cada bus tiene una interfaz con una forma única para evitar que dañes tus dispositivos conectándolos a puertos incorrectos. Las computadoras tienen tres o más buses.

El sistema de buses de la placa base se ha comparado con un sistema de transporte público que transporta datos por muchas rutas a través de la ciudad (tu placa base) y utiliza diferentes tipos de vehículos (rápidos y lentos, pequeños y grandes) para transportarlos.

Tipos de buses

Las diferencias entre los buses de computadora se dividen en las siguientes categorías:

• Ancho de datos
• Tasa de ciclos
• Administración de dispositivos
• Tipo

El ancho de datos y la tasa de ciclos se utilizan para determinar el ancho de banda, es decir, la cantidad total de datos que puede transmitir el bus. Un bus de 8 bits (ancho de datos de 1 byte) que opera a una tasa de ciclos de 1,000 MHz (1,000,000 de veces por segundo) puede transferir 8 Mbps (1 MBps).

La especificación de administración de dispositivos indica el número máximo de dispositivos compatibles y la dificultad de configurarlos. Hay dos tipos de comunicación de bus, serie y paralela. En un bus paralelo, todos los dispositivos tienen su propia interfaz al bus, que es lo habitual. Los dispositivos serie están conectados en serie; el último tiene que hablar "a través" del primero. Esto puede causar problemas de rendimiento evidentes. Estos buses se utilizan típicamente en condiciones donde la velocidad de transferencia de datos no es crítica.

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Intel GTL+ Front Side Bus

En el nivel más básico, el FSB GTL+ de Intel proporciona una única conexión al North Bridge compartida entre todas las CPUs. En un sistema de doble CPU, esto reduce a la mitad el ancho de banda disponible y lo reduce a un cuarto para una placa base con cuatro CPUs. Alguien seguramente señalará el hecho de que las CPUs casi nunca necesitan todo el ancho de banda del bus. Es cierto. Desafortunadamente, debido a que el bus está en una situación de todo o nada, las CPUs deben turnarse. (Hola, Sr. Latencia, ¿te gustaría tomar asiento y charlar mientras esperamos que llegue el autobús?) El problema es aún peor en el mundo actual de las CPUs de 800 MHz que funcionan con memoria de 133 MHz, donde incluso una sola CPU debe esperar hasta seis ciclos de procesador para una solicitud de datos. Imagina un servidor con cuatro CPUs siendo utilizado para algo más que un adorno; si la aplicación no es lo suficientemente inteligente como para llenar esa caché L1 o, peor aún, tu caché L1 es demasiado pequeña para durar la duración, tendrás procesadores sin hacer nada. Entonces, es mejor usar menos CPUs o CPUs más lentas y ahorrar algo de dinero. Por eso solo los procesadores Xeon de Intel, que vienen con hasta ocho veces más caché L1 que un Pentium III, son utilizables en sistemas con más de dos CPUs.

AMD EV-6 Front Side Bus

El bus EV-6 es más parecido a un conmutador de red que a un bus, ya que cada procesador tiene una conexión completa al North Bridge que funciona a 200 MHz efectivos; un 50 por ciento más rápido que el bus de 133 MHz de Intel. Entre los enlaces por procesador al North Bridge y ese bus de alta velocidad, el EV-6 es un excelente bus multiprocesador. Naturalmente, el ancho de banda total de la CPU no puede superar el ancho de banda disponible de las otras interfaces combinadas, pero a diferencia del bus GTL+, una CPU puede acceder a periféricos en el bus PCI mientras otra accede a la memoria.

Por supuesto, el bus EV-6 no es nuevo en el mundo de la computación, ya que fue una de las armas de Alpha en las guerras de servidores. Esto también es académico hasta que AMD lance la versión multiprocesador del chipset 760 a finales de diciembre de 2000.

Buses de memoria

El bus de memoria es la interfaz entre la RAM y la placa base. Debido a que cada variante requiere un tipo diferente de controlador, pocas placas base admiten más de un tipo de memoria. Ha habido muchas formas de memoria que ahora se consideran obsoletas. Los tipos actuales se discuten a continuación.

DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)

Este reemplazo próximo para SDRAM es básicamente el mismo producto, pero opera dos veces por ciclo de reloj. Se espera que se introduzcan dos niveles inicialmente: el PC1600 de 2x 100 MHz (1.6 GBps) y el PC2100 de 2x 133 MHz (2.1 GBps). DDR-SDRAM es solo un 10-20 por ciento más caro que la SDRAM tradicional y ofrece un mejor rendimiento que el RDRAM de un solo canal. Actualmente, se está desarrollando un PC3200 de 2x 200 MHz (3.2 GBps) que proporcionará el mismo nivel de rendimiento que la RDRAM de doble canal utilizando solo un módulo de memoria.

RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory)

Rambus es una arquitectura de memoria patentada que Intel está promocionando. Tiene un formato de memoria serie con una interfaz muy estrecha de 16 bits pero funciona muy rápido a 800 MHz en un bus tipo DDR de 400 MHz, lo que resulta en 1.6 GBps de ancho de banda. Se utiliza un sistema RDRAM de doble canal en unos pocos sistemas de estaciones de trabajo: tiene dos controladores RDRAM para un ancho de banda de 3.2 GBps, pero requiere que se instale RDRAM en pares.

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RDRAM es varias veces más caro que la SDRAM y produce una mayor latencia. Pronto se verá desafiado por DDR-SDRAM en el mercado tanto en precio como en rendimiento.

SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)

SDRAM es el formato de memoria estándar para la mayoría de las computadoras en el mercado. Esta memoria de 64 bits viene en tres grados: PC66 (66 MHz o 528 MBps), PC100 (100 MHz o 800 MBps) y PC133 (133 MHz o 1.06 GBps). PC66 se usaba en los primeros Pentium II de Intel y en todas las PC Celeron de Intel. PC100 se usa en la gran mayoría de los procesadores Intel Pentium II y Pentium III. PC133 es la memoria preferida de todos los procesadores AMD Athlon y Duron y los últimos sistemas Pentium III.

VCM (Virtual Channel Memory)

Este subconjunto de SDRAM es una variante de baja latencia que proporciona un mejor rendimiento. Funciona a 133 MHz y tiene el mismo 1 GB de ancho de banda que la SDRAM PC133 pero reduce aproximadamente 10 nanosegundos de latencia de la latencia normal de 40 nanosegundos de la SDRAM. Esto se logra utilizando "registros rápidos" especiales que realizan un seguimiento de las páginas de memoria. Estos registros proporcionan un vínculo rápido, o canal, a la memoria utilizada por una aplicación. VCM funciona mejor para aplicaciones complejas como juegos y bases de datos que tienen memoria repartida en varios bancos de memoria.

VCM es compatible con varias placas base de Pentium II, Pentium III y Athlon, pero es muy difícil de adquirir. Los volúmenes de producción bajos han mantenido los precios desproporcionados en comparación con el rendimiento en comparación con la PC133 estándar. Las placas base que admiten VCM pueden usarlo o SDRAM estándar.

Buses de E/S de alta velocidad

Ahora veamos los buses de E/S de alta velocidad.

AGP/Pro (Advanced Graphics Port)

Esta interfaz es un sistema de 32 bits basado en el estándar PCI, revisión 2.1. La versión inicial, 1x, funcionaba a 66 MHz para 266 MBps con capacidades de acceso directo a memoria que no tenía PCI. La variante 2x es un sistema de doble tasa de datos que transmite datos dos veces por ciclo de reloj, con una frecuencia funcional de 133 MHz (532 MBps).

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La versión 4x duplica nuevamente el ancho de banda hasta 1,066 MBps y tiene características adicionales de acceso a memoria. El ancho de banda de AGP 4x es mayor que las capacidades de la SDRAM, lo que hace que la mayoría de las mejoras solo sean de uso limitado en sistemas que no utilizan actualmente RDRAM de Rambus (1.6 GBps) o la memoria DDR de doble tasa de datos (2.1 GBps) que está por venir.

El modelo Pro es una variante 4x que incluye conductores de alimentación adicionales para alimentar las tarjetas de video con un alto número de transistores en la actualidad. Las ranuras de AGP estándar proporcionan hasta 25 vatios de potencia, mucho menos que los 110 vatios máximos disponibles en AGP Pro.

El puerto AGP es típicamente de color oscuro y se asemeja a una ranura PCI. Está ubicado más hacia el interior de la placa base que las ranuras PCI y se encuentra cerca de la fuente de alimentación y el procesador en la mayoría de las placas.

EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics)

Las unidades de disco EIDE incluyen un controlador de dispositivo montado en la unidad, resultado de una colaboración de 1986 entre Compaq y Western Digital para desarrollar una unidad económica con buen rendimiento. Decidieron limitar el número de pines y la longitud del cable, ya que estaba destinada a sistemas de gama baja que no necesitarían un gran número de dispositivos internos.

Debido a que cada dispositivo tiene su propio controlador, solo se pueden conectar dos dispositivos en cada cadena para evitar interferencias. Los adaptadores de host IDE modernos pueden operar dos cadenas, cada una con un maestro y un esclavo. El maestro puede interrumpir el dispositivo esclavo en cualquier momento, lo que hace inapropiado que el disco del sistema principal o dispositivos sensibles como CD-R, CD-RW y unidades de cinta sean esclavos. El máximo de cuatro dispositivos por controlador (dos cadenas con dos dispositivos cada una) limita la cantidad de dispositivos que puede manejar un sistema IDE.

La generación actual de adaptadores de host IDE integrados requiere cierta gestión por parte del procesador de la computadora, lo que crea una carga en el sistema. Las diversas implementaciones de protocolos de acceso directo a memoria (DMA) ayudaron a transferir datos a la RAM de la computadora desde dispositivos con menos control por parte del procesador. Las tasas de transferencia aumentaron bajo la especificación ATA-2 de 11.1 MBps a 16.66 MBps, un aumento significativo pero aún un cuello de botella para las PC. A partir de ATA-2 (también conocido como Fast ATA), la interfaz mejorada pasó a llamarse EIDE en lugar de IDE.

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En 1996, la especificación ATA/33 utilizó técnicas de DMA más nuevas para alcanzar tasas de transferencia de 33 MBps. También conocido como Ultra DMA o UDMA/33, fue completamente compatible con dispositivos anteriores y se convirtió en el estándar de las unidades de disco duro de PC.

El año 1999 vio la introducción del formato ATA/66 mejorado. El sistema de 66 MBps se basa en un cable de 40 pines con un conector similar a los formatos IDE anteriores, pero utiliza 80 conductores para garantizar la señalización. Para operar a 66 MBps, solo pueden existir dispositivos ATA/66 en un canal. El controlador aún puede operar dispositivos IDE anteriores, pero la existencia de dispositivos no-ATA/66 hace que un canal baje a las velocidades de ATA/33. ATA/66 se ha adoptado ampliamente y es estándar en muchas computadoras nuevas.

A principios de este año, se introdujo ATA/100. Los productos iniciales a veces se denominaron ATA/66+. Continúa utilizando el cable de 80 conductores y proporciona tasas de transferencia de hasta 100 MBps. Las unidades IDE son bastante económicas y, debido a las funciones DMA mejoradas, no afectan el rendimiento del sistema tanto como antes. Las unidades IDE se pueden utilizar en una configuración RAID con un límite de cuatro unidades impuesto por las tarjetas de controladoras. Una controladora lo suficientemente compleja podría operar varios canales IDE para obtener más unidades.

EISA (Extended Industry Standard Architecture)

El bus ISA fue la primera interfaz de PC de uso generalizada, introducida por IBM en la computadora AT como bus del sistema. Inicialmente era un bus de 8 bits que funcionaba a 8 MHz (8 MB/segundo de ancho de banda) que se actualizó rápidamente a un bus de 16 bits (16 MBps). Utiliza interrupciones, el equivalente digital de un despertador, para gestionar los dispositivos. Las interrupciones (llamadas IRQ) están cableadas en los puertos de la placa base y no se pueden reasignar. La comunicación se realiza utilizando las direcciones de E/S y memoria que se pueden reasignar entre los puertos. Para funcionar, cada dispositivo debe tener las direcciones IRQ, E/S y memoria configuradas correctamente al iniciar.

El bus ISA se extendió posteriormente a un bus de 32 bits de ancho que funciona a 8 MHz (32 MBps) y se renombró Extended Industry Architecture (EISA). Los dispositivos ISA funcionarían en una placa base EISA para garantizar la compatibilidad. EISA agregó más canales de acceso a E/S y memoria, permitió compartir IRQ y permitió que el software configurara las tarjetas.

Los dispositivos EISA se conectan directamente a la placa base utilizando las ranuras largas, generalmente de color oscuro, ubicadas en el borde más alejado de la placa. El ISA ha sido obsoleto durante varios años y el EISA está desapareciendo lentamente. Las placas base actuales tienen no más de una a tres ranuras EISA. Un gran número de placas base carecen completamente de soporte EISA.

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FireWire/IEEE 1394

Desarrollado por Apple y ratificado por IEEE (un subconjunto de ANSI, la organización que también ratifica SCSI e IDE), FireWire es una interfaz de alta capacidad y conexión en caliente que admite hasta 63 dispositivos a una velocidad de transferencia de 50 MBps. No ha sido ampliamente aceptado porque compite con SCSI, una interfaz altamente establecida. Debido a que es un diseño de alto rendimiento para dispositivos portátiles, sufre de volúmenes de ventas iniciales bajos que le impiden competir con SCSI por sus méritos de precio, como puede hacer IDE.

PC-Card/PCMCIA (Asociación Internacional de Tarjetas de Memoria de Computadora Personal)

El grupo PCMCIA que define este estándar designó originalmente los dispositivos como tarjetas PCMCIA. La mayoría de las personas las llamaban tarjetas para computadoras portátiles, o esas tarjetas que encajan en algo de PC. Esto llevó a que los dispositivos fueran llamados tarjetas PC y el bus simplemente CardBus.

Existen tres tipos de tarjetas PC, todas ellas ligeramente más grandes que una tarjeta de crédito. El tipo 1 tiene solo 3.3 mm de altura y generalmente solo es adecuado para dispositivos de memoria. Las tarjetas de tipo 2, con 5 mm de altura, son lo suficientemente grandes como para admitir módems, tarjetas de red y otros dispositivos de interfaz. Las tarjetas de tipo 3 de 10 mm permiten discos duros y otros dispositivos de almacenamiento grandes.

La velocidad de transferencia de datos varía de 4 MBps para las transferencias de datos de 16 bits más lentas a 132 MBps en el modo de 32 bits más rápido, según lo definido por el dispositivo.

PCI (Interconexión de Componentes Periféricos)

PCI reemplazó a EISA como el bus del sistema de las computadoras PC. Incluye un chip de puente que permite que otros tipos de procesadores se comuniquen con él. Como resultado, PCI es un bus estándar en PC y en Macintosh, Sun y máquinas Alpha. La variante de escritorio de PCI es un bus de 32 bits que opera a 33 MHz (133 MBps). El estándar PCI admite una variante de 64 bits (266 MBps). Sin embargo, este formato solo está en uso actualmente por fabricantes de estaciones de trabajo y servidores como Sun o Compaq/DEC. El plan actual es que PCI omita la PC propuesta hace mucho tiempo de 66 MHz y evolucione hacia PCI X (eXtendido), una versión de 133 MHz (532 MBps) con esencialmente las mismas características pero el triple de ancho de banda.

Se supone que PCI es Plug and Play, utilizando software para configurar las tarjetas como EISA. También admite un número mucho mayor de direcciones de E/S y memoria y utiliza un mejor acceso directo a memoria que EISA. PCI es maestro de bus, lo que significa que todos los dispositivos pueden comunicarse entre sí sin intervención de la CPU, lo que aumenta el rendimiento del sistema.

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Las ranuras PCI son blancas y mucho más cortas que las ranuras EISA. La mayoría de las placas tienen entre tres y cinco ranuras PCI.

SCSI (Interfaz de Sistema de Computadora Pequeña)

Una interfaz de dispositivo de alto rendimiento, SCSI se introdujo a mediados de la década de 1980 para competir con la interfaz de dispositivo ESDI, ahora obsoleta. SCSI se dirigió a las PC, Apple Macintosh, estaciones de trabajo UNIX y minicomputadoras, pero no a las mainframes, de ahí la designación "pequeña". SCSI se diseñó desde el principio para admitir no solo unidades de disco duro, sino también escáneres, unidades ópticas y otros dispositivos de alta capacidad y ancho de banda que no necesariamente están montados dentro de la computadora.

USB (Bus Universal en Serie)

USB puede manejar hasta 128 dispositivos. Los dispositivos son intercambiables en caliente, es decir, se pueden agregar y quitar mientras la computadora está en funcionamiento. Por lo tanto, este bus es muy práctico para dispositivos portátiles. USB suministra energía a los dispositivos a través de la interfaz, lo que permite accesorios ultraligeros y cómodos sin cables o cordones de alimentación. El suministro de energía es finito, pero un concentrador con alimentación o cualquier dispositivo autoalimentado aumentará la cantidad posible de dispositivos alimentados por bus.

El ancho de banda total de USB es de 1.5 MBps; este ancho de banda se comparte entre todos los dispositivos en el controlador. Debido a que es un bus serial, los dispositivos USB se conectan en serie. USB admite concentradores que pueden conectar varios dispositivos, lo que reduce el número de dispositivos entre el controlador y el final de la línea, pero dado que cada concentrador cuenta como un dispositivo, esta solución reduce el total que se puede admitir. Por supuesto, con el ancho de banda bajo de USB, realmente no es factible utilizar los 128 dispositivos.

USB 2.0 ha estado en desarrollo por un tiempo y se supone que es un bus de 60 MBps. Este ancho de banda es suficiente para operar un disco duro, Ethernet de 100 Mb o un sistema de captura de video con mucho margen para ratones, teclados y otros dispositivos de alta urgencia.

Buses de E/S de baja velocidad

Las siguientes secciones discuten los buses de E/S de baja velocidad.

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Puerto paralelo

Este puerto de 25 pines te resultará familiar si tienes una impresora o una unidad Zip. Originalmente tenía una velocidad de transferencia máxima de 115 KBps, adecuada para impresoras de línea y dispositivos de los años 80. Luego llegó a las mejoradas lógicas de control ECP/EPP que aumentaron las tasas de transferencia a 3 MBps, un aumento necesario para admitir impresoras gráficas de alta velocidad.

El puerto paralelo es técnicamente una interfaz en lugar de un bus, pero debido a la proliferación reciente de dispositivos "passthrough" como las unidades Zip que permiten una actividad similar a la de un bus serie, se incluye en esta sección. El paralelo sigue siendo la interfaz de dispositivo externo de alto ancho de banda más compatible en el mercado y probablemente estará presente durante muchos años más.

Puerto PS/2

IBM introdujo el conocido puerto PS/2 redondo para conectar teclados y ratones. Es una interfaz de ancho de banda muy bajo que seguirá siendo el estándar hasta que los sistemas operativos puedan admitir de manera confiable teclados y ratones USB.

Puerto serie

Este puerto de 15 pines y 115 KBps se utiliza principalmente para módems y asistentes digitales personales. En algún momento, fue el puerto principal para los ratones, pero ha sido reemplazado por el puerto PS/2. Casi todas las computadoras tienen un puerto serie en la parte posterior. Al igual que con los puertos paralelos, el puerto serie es técnicamente una interfaz en lugar de un bus. Sin embargo, debido a la proliferación reciente de dispositivos "passthrough" como las PDAs que permiten una actividad similar a la de un bus serie, también se incluye en esta sección.

Conectores especiales de la placa base

Ahora vamos a ver otros tipos de conectores de la placa base.

ACR (Audio Communication Riser)

Los risers deben su nombre a que suben por encima de la placa base, ya sea en paralelo o perpendicularmente a ella. El estándar de hardware ACR es un intento de reemplazar los formatos AMR (Audio Modem Riser) y CNR (Communication Network Riser) recibidos de manera deficiente. La interfaz es un puerto PCI, pero con un cableado diferente y es compatible con el sistema anterior AMR. Se ve igual que una ranura PCI y generalmente se coloca en un ángulo con respecto a las otras ranuras de una placa base.

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AMR (Audio Modem Riser)

Este puerto de expansión diseñado por Intel está destinado a que los fabricantes masivos lo usen para agregar a la placa base una tarjeta de módem o de sonido que dependa en gran medida de la potencia de procesamiento de la CPU. Es una ranura muy pequeña, aproximadamente la mitad de la longitud de una ranura PCI. El AMR está siendo reemplazado por el CNR.

CNR (Communication Network Riser)

Los puertos de expansión CNR están destinados a ser utilizados por los fabricantes masivos para insertar en la placa base una tarjeta de red económica, un módem o una tarjeta de sonido que dependa en gran medida de la potencia de procesamiento de la CPU. El riser utiliza una ranura muy corta, la mitad de largo que una ranura PCI. El CNR reemplaza al AMR.

Conclusión

Los nuevos avances en las velocidades de los buses liberan los cuellos de botella del sistema, lo que permite que los dispositivos se mantengan al día con las CPUs más rápidas. Ten en cuenta la información de este artículo y podrás determinar qué buses se adaptan a tus necesidades y cuáles pronto quedarán obsoletos.

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