Buses y Ranuras de Expansión

Se trata de las conexiones para las tarjetas de expansión del sistema.  Estas se conectan a través de un zócalo con el bus de datos procedente de la placa madre.  El bus de datos se refiere a los conductos de la placa que transmiten las informaciones hacia las diferentes partes del ordenador.

Los buses de la PC son las principales autopistas de datos en una placa base. Conforman el sistema nervioso de la placa base, ya que conectan la CPU con los demás componentes. En concreto, los buses son circuitos impresos en el placa base que transmiten los datos entre los diferentes componentes. Básicamente, se los puede dividir en dos tipos:

  • El bus de sistema, que conecta la CPU con la RAM.
  • Los buses de salida / entrada, que conectan dispositivos (buses I/O).

El bus de sistema es el más determinante para el rendimiento del sistema y está conectado a los buses de salida/ entrada a través del puente sur. El bus de sistema conecta la CPU con la RAM. De su velocidad y ancho depende el tipo de CPU que se instalará en la placa base. Muchas veces se lo llama FSB, pero en realidad esta sigla hace referencia al bus que conecta el procesador con el chipset. En general, el bus de sistema será de 64 bits de ancho y funcionará a una frecuencia de entre 66 y 200 MHz, según el tipo de procesador instalado. En la actualidad, es común que una misma placa base soporte una amplitud de buses (66, 100 y 133 MHz, por ejemplo), gracias a que puede admitir distintos procesadores. Esta alta velocidad crea interferencia eléctrica y otros problemas.Por lo tanto, debe ser reducida para ser usada por tarjetas de expansión y otros componentes. De hecho, muy pocas placas pueden operar más allá de los 40 MHz. Por eso, los buses adicionales de menor velocidad dependen de otra parte del chipset, el puente sur. Los buses de salida / entrada conectan la CPU a todos los componentes, excepto a la RAM. A través de los años, han surgido diferentes tipos.

El bus ISA

ISA-Bus

ISA es el acrónimo de Industry Standard Architecture. Miden unos 14 cm y su color suele ser negro; existe una versión aún más antigua que mide sólo 8,5 cm. Es la arquitectura de bus que fue introducida como un bus de 8 bits con la PC IBM original en 1981. Más tarde, fue expandido a 16 bits con la IBM PC AT en 1984. Las últimas versiones de ISA disponen de un bus de 16 bits a 8 MHz. La máxima capacidad de transferencia teórica de este bus es de 8 MB/seg. El conector o slot ISA es fácilmente identificable en una placa base. Es de color negro y dispone de 49 contactos a ambos lados. Además, su tamaño es mayor que el de los otros slots de la placa base. Si bien en un tiempo fueron muy usados para placas de video y sonido, su escaso ancho de banda hace que tiendan a desaparecer. Hoy en día, los placa bases modernos incluyen apenas uno de ellos para la conexión de dispositivos de baja salida, como algunos módems o tarjetas de sonido. En el futuro cercano, desaparecerán; de hecho, algunas PC’s de marca ya no los incluyen.

El bus MCA

MCA

Se introdujo con los sistemas IBM PS/2 en 1987. No es compatible con el estándar ISA, no se configuran mediante interruptores DIP o jumpers, sino mediante software.  Existen en el mercado sistemas MCA de 16 bits y 32 bits.

El bus EISA

eisa_l

El desarrollo posterior del estándar ISA se denomina EISA desarrollando un estándar de bus que pone a disposición conductos de datos de 32 bits, pero que también permite la utilización de tarjetas ISA de 8 y de 16 bits.  Esto es debido a una construcción de las conexiones en dos niveles, obsoleto y sustituido por el más moderno PCI.

 El bus VESA LOCAL BUS

Vlb

Estándar de bajo coste, que aparece en casi todos los primeros i486; puede ofrecer unos 160 MB/s a un máximo de 40 MHz. Son larguísimas, unos 22 cm, y su color suele ser negro, con el final del conector marrón. Trabaja a 32 bits, es compatible con ISA, permitiendo la utilización de tarjetas ISA de 8 bits y de 16 bits, y  havia numerosos fabricantes de tarjetas Vesa Local, con lo cual la oferta es bastante amplia. Este estándar soporta de 3 a 4 periféricos. Se intentó lanzar al mercado el Vesa Local Bus de segunda generación que permite trabajar a 64 bits, pero se ha impuesto el estándar PCI y actualmente el Vesa Local Bus ha desaparecido.

El estándar PCI

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Estándar lanzado por Intel y respaldado por otras compañías líder del mercado. Este bus de datos funciona a 33 MHz, al mismo ancho de datos que la CPU (32 bits). De ser dado con una CPU de 64 bits, el bus PCI doblaría su ancho de datos. El límite teórico de transferencia a 32 bits es de 132 MB/seg. Externamente, el bus PCI dispone de slots más pequeños que ISA, miden unos 8,5 cm, y en general, de color blanco (esto es así por norma). Existen tres tipos de especificaciones, determinadas según las necesidades eléctricas.

La especificación de 5 voltios para PC’s de escritorio; la de 3,3 para notebooks; y una universal que soporta ambos voltajes. Gracias a su versatilidad, la mayoría de los dispositivos actuales, exceptuando los discos duros, se presentan como tarjetas de expansión PCI. Las limitaciones en el apartado gráfico llevaron a desarrollar un puerto especial llamado AGP. En los placa bases modernas, el bus PCI tiene dos caras:

  • El bus interno, que maneja los canales EIDE de la placa base.
  • El bus de expansiones, que tiene entre tres y cinco zócalos para adaptadores PCI.

El bus PCI es independiente de la CPU, ya que entre la CPU y el bus PCI se instalará un controlador de bus PCI, lo que facilita en gran medida el trabajo de los diseñadores de placas. Por ello también será posible instalarlo en sistemas que no estén basados en procesador Intel sino que pueden usar otros, como por ejemplo, un procesador Alpha de DEC o los Macintosh de Apple.

PCI Express

socket

Los buses PCI pertenecen a la segunda generación de enlaces de entrada y salida de alto rendimiento utilizados para establecer la comunicación entre determinados periféricos y tarjetas de expansión y los restantes componentes del equipo. Algunas arquitecturas de primera generación y, por tanto, precursoras de la propuesta del PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group), fueron ISA, EISA o VESA.

A nivel físico, un bus PCI es un enlace que utiliza un esquema de transferencia de datos en paralelo, con una «anchura» de 32 o 64 bits y es capaz de trabajar a frecuencias de reloj de 33 y 66 MHz. Como hemos mencionado anteriormente, la velocidad máxima de transferencia alcanzada por los buses PCI integrados en los equipos convencionales (32 bits y 33 MHz) asciende a 132 MB/s, una capacidad que en determinados contextos puede no ser suficiente.

La filosofía de diseño de la arquitectura PCI-E es totalmente diferente al la utilizada en su día en el estándar PCI convencional. Los buses PCI-E, utilizan un esquema de transferencia de datos en serie, lo que les permite alcanzar frecuencias de reloj muy elevadas. En las primeras placas base equipadas con chipsets compatibles con esta tecnología (todas ellas gobernadas por las soluciones 925X y 915P de Intel) se implementan los buses PCI-E x1 y PCI-E x16. El primero de ellos utiliza una única vía constituida por dos enlaces unidireccionales que pueden utilizarse en modalidad full-duplex, lo que significa que es posible recurrir a ambos de forma simultánea. La variante PCI-E x1 ha sido diseñada para enlazar controladoras de red, de discos duros, FireWire o cualquier otro tipo de tarjeta de expansión. Su velocidad de transferencia máxima asciende a 250 MB/s (500 si se utilizan los dos enlaces simultáneamente), casi el doble que un bus PCI convencional. Cada ranura  dispone de su propio enlace, lo que evita que los dispositivos compitan por la propiedad del bus, una notable mejora frente al estándar PCI. El PCI x16 se caracteriza por incorporar 16 vías con sus respectivos enlaces unidireccionales. Por esta razón, la tasa de transferencia máxima de estos buses asciende a 4 GB/s (250 Mbytes x 16), una cifra extraordinariamente elevada que los sitúa como la opción idónea a la hora de hacer las veces de interfaz de conexión de tarjetas gráficas.

Una de las principales aportaciones de esta arquitectura frente a lo ya conocido es su elevada escalabilidad. Esto significa que para incrementar el ancho de banda de un bus PCI-E únicamente será necesario añadir más vías con sus respectivos dobles enlaces. Como veremos más adelante, la capa física de esta arquitectura soporta enlaces de tipo x1, x2, x4, x8, x12, x16 y x32.

El AGP

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El AGP (Accelerated Graphics Port o Puerto Avanzado de Gráficos) fue creado por Intel como un nuevo bus de alto rendimiento, específico para gráficos y soporte de video. La compañía entendió que un subsistema gráfico sometido a las transferencias masivas de datos que requieren los juegos y aplicaciones actuales no podía sostenerse en la arquitectura PCI existente. Por lo tanto, el nuevo sistema es una solución a un problema tecnológico concreto: la necesidad de mayor ancho de banda. El AGP está basado en el malogrado PCI 66, pero contiene un número de agregados y mejoras, además de ser física, eléctrica y lógicamente independiente del bus PCI. Por ejemplo, un slot AGP es similar a uno PCI en cuanto a apariencia, pero tiene señales adicionales, y ocupa un lugar distinto en la placa base. A diferencia del PCI, que es un verdadero bus con múltiples conectores, el AGP es más una conexión punto a punto de altas prestaciones diseñado específicamente para una tarjeta gráfica. Por esta razón, ninguna placa base cuenta con más de un slot AGP. La especificación AGP 1.0 fue originariamente propuesta por Intel en julio de 1996, y definió una frecuencia de reloj de 66 MHz con señales de 1X y 2X usando un voltaje de 3,3 voltios. Ésta es la norma que prevalece en la actualidad. La versión AGP 2.0 fue lanzada en mayo de 1998 y agregó capacidad 4X, así como una menor necesidad de energía, que se redujo a 1,5 voltios.

Las tarjetas gráficas de tercera generación, como las basadas en el chip TNT2 de NVIDIA, soportan AGP 4X, aunque también trabajan con la norma AGP 1.0. Asimismo, los chipsets recientes incorporan AGP 2.0. También existe una nueva especificación llamada AGP Pro, que define un slot ligeramente más largo, con contactos eléctricos adicionales para soportar placas de video que consuman entre 25 y 110 watts de potencia. Estas placas estarían pensadas para workstations gráficas profesionales. Si bien la llegada de AGP Pro al mercado masivo es algo poco probable en el futuro próximo, una de sus ventajas consiste en que es totalmente compatible con AGP. Es decir, una placa AGP encajará en un slot AGP Pro.

Como muchas tecnologías jóvenes, AGP fue lanzado al mercado en cuanto estuvo preparado, aunque aún no se hubiera afinado del todo. Por ello, existen varios modos de AGP:

  • AGP 1x: modo con bus de 32 bits y a 66 MHz. Su tasa teórica de transferencia máxima es de 264 MB/s. Sin duda alguna, el modo 1x es un modo “experimental”, sacado al mercado con prisas. Su rendimiento es y será indistinguible del de PCI. En la actualidad, pocas tarjetas de marca tienen sólo este modo.
  • AGP 2x: modo con bus de 32 bits y a 66 MHz reales, o 133 MHz “virtuales” gracias a la comunicación bidireccional simultánea. Su tasa teórica de transferencia máxima es de 528 MB/s.
  • AGP 4x: modo que se esta implementando en la actualidad de 800 MB/s a 1 GB/s (32 bits a 100, 133 MHz).
  • AGP 8x: modo que permite una tasa de transefrencia de 2,1 GB/s (32 bits a 533 MHz)

220px-AGP_&_AGP_Pro_Keying.svgAGP

Los 528 MB/s del AGP 2x son teóricos. La cuestión es que el chip tiene que repartir su acceso a la memoria con el canal AGP, y con las memorias actuales resulta imposible que se alcance esa cifra de 528 MB/s. Incluso con las modernas SDRAM, el ancho de bus de memoria es exactamente 528 MB/s, con lo que resulta evidente que si se le da todo al AGP, el micro se queda sin leer la memoria, lo que no puede pasar pues el ordenador no funcionaría, claro. Así que el rendimiento del AGP 2x baja hasta menos de la mitad, con lo que la diferencia con el PCI se vuelve muy escasa, hasta el punto de que actualmente casi todas las tarjetas del mercado no ofrecen diferencia con bus AGP o PCI, o bien diferencias del orden de un 2%.

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