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Bios e barramentos

  1. 1. BIOS  e  Barramentos Professor  Wagner  Gadêa Lorenz wagnerglorenz@gmail.com São  Vicente  do  Sul,  10  de  Outubro  de  2013 1
  2. 2. Objetivos Apresentar as características e conceitos sobre BIOS e barramentos. 2
  3. 3. BIOS, em computação Basic Input/Output System (Sistema Básico de Entrada/Saída). Introdução 3
  4. 4. O BIOS contém todo o software básico, necessário para inicializar a placa-­‐mãe, checar os dispositivos instalados e carregar o sistema operacional, o que pode ser feito a partir do HD, CD-­‐ROM, pendrive, ou qualquer outra mídia disponível. Introdução 4
  5. 5. O BIOS inclui também o setup, o software que permite configurar as diversas opções oferecidas pela placa. O processador é programado para procurar e executar o BIOS sempre que o micro é ligado, processando-­‐o da mesma forma que outro software qualquer. Introdução 5
  6. 6. É por isso que nenhuma placa-­‐mãe funciona “sozinha”: você precisa ter instalado o processador e os módulos de memória para que o PC possa iniciar o boot. Introdução 6
  7. 7. Por definição, o BIOS é um software, mas por outro lado ele fica gravado em um chip espetado na placa-­‐mãe, o que ofusca um pouco a definição. Na maioria dos casos, o chip combina uma pequena quantidade de memória Flash (512 ou 1024 KB no caso dos chips PLCC), o CMOS (que é composto por 128 a 256 bytes de memória volátil) e o relógio de tempo real. Introdução 7
  8. 8. Nas placas antigas era utilizado um chip DIP, enquanto nas atuais é utilizado um chip PLCC (Plastic Leader Chip Carrier), que é bem mais compacto. Introdução 8
  9. 9. BIOS 9 Chip  PLCC  com  o  BIOS  em  uma  placa  da  Asus.
  10. 10. Mais recentemente, muitos fabricantes passaram a armazenar o BIOS em chips de memória Flash NOR de acesso serial, que também cumprem com a função, mas são menores e um pouco mais baratos que os chips PLCC. Outra tendência crescente é o uso de um segundo chip com uma cópia de backup do BIOS, que é usada em caso de problemas com a programação do chip principal (como no caso de um upgrade de BIOS mal-­‐sucedido). BIOS 10
  11. 11. Em placas da Gigabyte, por exemplo, o recurso é chamado de “Dual-­‐BIOS” e os dois chips de memória Flash são chamados de B_BIOS e M_BIOS: BIOS 11
  12. 12. BIOS 12 B_BIOS  e  M_BIOS  em  placa-­mãe  da  Gigabyte.
  13. 13. Como os chips de memória Flash atuais possuem uma capacidade maior que a usada pelo BIOS, quase sempre existe algum espaço livre para armazenamento de informações de diagnóstico ou outros recursos implementados pelos fabricantes. No caso das placas da Gigabyte, por exemplo, é possível usar parte do espaço livre para guardar pequenos arquivos e outras informações (criando um TXT com senhas ou informações diversas que não é perdido ao formatar o HD, por exemplo) usando o Smart Recovery, que faz parte da suíte de softwares da placa. BIOS 13
  14. 14. CMOS serve para armazenar as configurações do setup. Como elas representam um pequeno volume de informações, ele é bem pequeno em capacidade. Assim como a memória RAM principal, ele é volátil, de forma que as configurações são perdidas quando a alimentação elétrica é cortada. BIOS 14
  15. 15. Devido a isso, toda placa-­‐mãe inclui uma bateria, que mantém as configurações quando o micro é desligado. A mesma bateria alimenta também o relógio de tempo real (real time clock), que, apesar do nome pomposo, é um relógio digital comum, que é o responsável por manter atualizada a hora do sistema, mesmo quando o micro é desligado. BIOS 15
  16. 16. Se você prestou atenção nos três parágrafos anteriores, deve estar se perguntando por que as configurações do setup não são armazenadas diretamente na memória Flash, em vez de usar o CMOS, que é volátil. BIOS 16
  17. 17. Isso seria perfeitamente possível do ponto de vista técnico, mas a ideia de usar memória volátil para guardar as configurações é justamente permitir que você possa zerar as configurações do setup (removendo a bateria, ou mudando a posição do jumper) em casos onde o micro deixar de inicializar por causa de alguma configuração incorreta. BIOS 17
  18. 18. Para zerar o CMOS, você precisa apenas cortar o fornecimento de energia para ele. Existem duas formas de fazer isso. BIOS 18
  19. 19. A primeira é (com o micro desligado) remover a bateria da placa-­‐ mãe e usar uma moeda para fechar um curto entre os dois contatos da bateria durante 15 segundos. Isso garante que qualquer carga remanescente seja eliminada e o CMOS seja realmente apagado. BIOS 19
  20. 20. A segunda é usar o jumper “Clear CMOS”, que fica sempre posicionado próximo à bateria. Ele possui duas posições possíveis, uma para uso normal e outra para apagar o CMOS (“discharge”, ou “clear CMOS”). Basta mudá-­‐lo de posição durante 15 segundos e depois recolocá-­‐lo na posição original. BIOS 20
  21. 21. BIOS 21 Jumper  Clear  CMOS.
  22. 22. Uma dica é que muitas placas vêm de fábrica com o jumper na posição “discharge”, para evitar que a carga da bateria seja consumida enquanto a placa fica em estoque. Ao  montar  o  micro,  você  precisa  se  lembrar  de  verificar  e,  caso   necessário,  mudar  a  posição do  jumper.  Caso  contrário  a  placa   não funciona,  ou  exibe  uma  mensagem  de  erro durante o  boot e   não salva as  configurações  do  setup. BIOS 22
  23. 23. Os barramentos: ISA, EISA, VLB e PCI Junto com os processadores, memória RAM e memória cache, outra classe importante são os barramentos, já que são eles os responsáveis por interligar os diferentes componentes da placa-­‐ mãe e permitir o uso de periféricos. Barramentos 23
  24. 24. Acompanhando a evolução dos processadores, os primeiros anos da plataforma PC foram marcados por uma corrida em torno de barramentos mais rápidos, capazes de atender à evolução das placas de vídeo e outros periféricos. Não é tão diferente do que temos nos dias de hoje (onde as placas 3D continuam liderando a demanda por novas tecnologias), mas na época essa era uma questão realmente urgente. Barramentos 24
  25. 25. O primeiro barramento de expansão usado em micros PC foi o ISA, que por incrível que pareça, foi usado do PC original (o de 1981) até a época do Pentium III. Existiram duas versões: os slots de 8 bits, que foram utilizados pelos primeiros PCs e os slots de 16 bits, introduzidos a partir dos micros 286. Barramentos 25
  26. 26. Com a introdução dos micros 286, o barramento ISA foi atualizado, tornando-­‐se o barramento de 16 bits que conhecemos. Na época, uma das prioridades foi preservar a compatibilidade com as placas antigas, de 8 bits. Justamente por isso, os pinos adicionais foram incluídos na forma de uma extensão para os já existentes. Barramentos 26
  27. 27. Como você pode ver na imagem, o slot ISA é dividido em duas partes. A primeira, maior, contém os pinos usados pelas placas de 8 bits, enquanto a segunda contém a extensão, que adiciona os pinos extras. Barramentos 27
  28. 28. Barramentos 28 Slots  ISA.
  29. 29. Não demorou para que a Compaq desenvolvesse o EISA e abrisse as especificações para os demais fabricantes, criando uma entidade sem fins lucrativos para impulsionar seu desenvolvimento. Barramentos 29
  30. 30. O EISA é um barramento peculiar. As dimensões são as mesmas de um slot ISA de 16 bits, porém o slot é mais alto e possui duas linhas de contatos. A linha superior mantém a mesma pinagem de um slot ISA de 16 bits, de forma a manter a compatibilidade com todos os periféricos, enquanto a linha inferior inclui 90 novos contatos, utilizados pelas placas de 32 bits. Barramentos 30
  31. 31. As placas ISA atingiam apenas os contatos superficiais do conector, enquanto as placas EISA utilizavam todos os contatos. Embora o uso de tantos contatos esteja longe de ser uma solução elegante, é preciso admitir que o EISA foi uma solução engenhosa para o problema da compatibilidade. Barramentos 31
  32. 32. Barramentos 32 Placa  de  vídeo  EISA Aqui temos os contatos de uma placa de vídeo EISA, que mostra a organização na prática.
  33. 33. Barramentos 33 Slot  EISA Os slots EISA eram tipicamente marrons, por isso lembram um pouco um slot AGP, embora bem maiores:
  34. 34. Chegamos então ao PCI, que embora tenha sido introduzido em 1992, continua em uso até os dias de hoje, resistindo aos avanços do PCI Express. Barramentos 34
  35. 35. O PCI opera nativamente a 33 MHz, o que resulta em uma taxa de transmissão teórica de 133 MB/s. Entretanto, assim como em outros barramentos, a frequência do PCI está vinculada à frequência de operação da placa-­‐mãe, de forma que, ao fazer overclock (ou underclock) a frequência do PCI acaba também sendo alterada. Barramentos 35
  36. 36. Como você pode notar, o barramento PCI tem se tornado cada vez mais lento com relação ao processador e outros componentes, de forma que, com o passar do tempo, os periféricos mais rápidos migraram para outros barramentos, como o AGP e o PCI-­‐Express. Ou seja, a história se repete, com o PCI lentamente se tornando obsoleto, assim como aconteceu com o ISA há mais de uma década atrás. Barramentos 36
  37. 37. Barramentos 37 Slots  PCI  (no  centro)  e  PCI  Express
  38. 38. Vida e morte do AGP Quando o barramento PCI foi introduzido em 1992, os 133 MB/s oferecidos por ele pareciam mais do que suficientes, já que as placas de vídeo eram ainda puramente 2D e as controladoras IDE ainda operavam em modo PIO Mode 4, transferindo a morosos 16.6 MB/s. Barramentos 38
  39. 39. Isso mudou com o surgimento das placas 3D, que passaram a evoluir rapidamente, sobrecarregando o cansado PCI. A solução veio com o AGP, um barramento rápido, feito sob medida para o uso das placas de vídeo. A versão original do AGP foi finalizada em 1996, desenvolvida com base nas especificações do PCI 2.1. Ela operava a 66 MHz, permitindo uma taxa de transferência teórica de 266 MB/s. Barramentos 39
  40. 40. O desempenho de uma placa 3D é fortemente atrelado à velocidade de acesso à memória. Mais de 95% das informações que compõem uma cena 3D de um jogo atual são texturas e efeitos, que são aplicados sobre os polígonos. As texturas são imagens 2D, de resoluções variadas que são “moldadas” sobre objetos, paredes e outros objetos 3D, de forma a criar um aspecto mais parecido com uma cena real. Barramentos 40
  41. 41. A velocidade do barramento AGP é importante quando o processador precisa transferir grandes volumes de texturas e outros tipos de dados para a memória da placa de vídeo; Quando a memória da placa se esgota e ela precisa utilizar parte da memória principal como complemento; Também, no caso de chipsets de vídeo onboard, que não possuem memória dedicada e, justamente por isso, precisam fazer todo o trabalho usando um trecho reservado da memória RAM principal. Barramentos 41
  42. 42. Barramentos 42 Placa  AGP  de  3.3V  e  placa  AGP  universal.
  43. 43. Barramentos 43 Placa  com  slot  AGP  de  3.3V  e  placa  com  slot  de  1.5V
  44. 44. Ao longo da história da plataforma PC, tivemos uma extensa lista de barramentos, começando com o ISA de 8 bits, usado nos primeiros PCs, passando pelo ISA de 16 bits, MCA, EISA, e VLB, até finalmente chegar no barramento PCI, que sobrevive até os dias de hoje. O  PCI  Express 44
  45. 45. O PCI é um barramento de 32 bits, que opera a 33 MHz, resultando em uma banda total de 133 MB/s, compartilhada entre todos os periféricos ligados a ele. O PCI trouxe recursos inovadores (para a época), como o suporte a plugand-­‐play e bus mastering e, comparado com os barramentos antigos, ele é relativamente rápido. O  PCI  Express 45
  46. 46. O grande problema é que ele surgiu no começo da era Pentium, quando os processadores ainda trabalhavam a 100 MHz. Hoje em dia temos processadores quad-­‐core se aproximando da casa dos 4 GHz e ainda assim ele continua sendo usado, com poucas melhorias. O  PCI  Express 46
  47. 47. O  PCI  Express 47 Slots  PCI-­X,  em  comparação  com  slots  PCI  comuns
  48. 48. A característica fundamental do PCI Express é que ele é um barramento ponto a ponto, onde cada periférico possui um canal exclusivo de comunicação com o chipset. No PCI tradicional, o barramento é compartilhado por todos os periféricos ligados a ele, o que pode criar gargalos, como no caso das placas soquete 7. Como  o  PCI  Express  funciona 48
  49. 49. Exemplos de barramentos seriais, são o USB, o Serial ATA e o PCI Express. A diferença de desempenho entre estes barramentos atuais em relação aos barramentos antigos é brutal: uma porta paralela operando em modo EPP transmite a apenas 8 megabits por segundo, enquanto uma porta USB 2.0 atinge 480 megabits. Como  o  PCI  Express  funciona 49
  50. 50. Uma porta IDE ATA-­‐133 transmite a 133 MB/s, enquanto o SATA 600 atinge 600 MB/s. O PCI oferece apenas 133 MB/s, compartilhados por todos os dispositivos, enquanto um slot PCI Express 2.0 x16 atinge incríveis 8 GB/s. Como  o  PCI  Express  funciona 50
  51. 51. Começando do básico, existem 4 tipos de slots PCI Express, que vão do x1 ao x16. O número indica quantas linhas de dados são utilizadas pelo slot e, consequentemente, a banda disponível. Como  o  PCI  Express  funciona 51
  52. 52. Existem duas versões do PCI Express em uso, o PCI Express 1.x e o PCI Express 2.0. O PCI Express 1.x é o padrão inicial (finalizado em 2002), enquanto o PCI Express 2.0 é a versão mais recente (finalizada em janeiro de 2007), que transmite ao dobro da velocidade. Como  o  PCI  Express  funciona 52
  53. 53. Apesar da diferença, os dois padrões são intercompatíveis: salvo raros casos de incompatibilidade, não existem problemas em instalar uma placa PCI Express 2.0 em um slot PCI Express 1.1, ou vice-­‐versa, mas em ambos os casos a velocidade é limitada pelo mais lento Como  o  PCI  Express  funciona 53
  54. 54. Cada linha PCI Express utiliza 4 pinos de dados (dois para enviar e dois para receber), que operam em modo full-­‐duplex (ou seja, são capazes de transmitir e receber dados simultaneamente). No PCI Express 1.x temos 250 MB/s em cada direção por linha de dados, enquanto no PCI Express 2.0 temos 500 MB/s por linha. Como  o  PCI  Express  funciona 54
  55. 55. Devido à essa característica, é comum que os fabricantes divulguem que o PCI Express transmite a 500 MB/s no padrão 1.x e 1000 MB/s no padrão 2.0, mas estes são valores irreais, já que só ocorreria em situações em que grandes quantidades de dados precisassem ser transmitidos simultaneamente em ambas as direções. Como  o  PCI  Express  funciona 55
  56. 56. Junto com o uso do barramento serial, outra grande inovação do PCI Express foi a de permitir combinar várias linhas de dados em um único slot, multiplicando a banda disponível. Com isso, temos, 250 MB/s de banda nos slots PCIe 1.1 x1, 1 GB/s nos slots x4, 2 GB/s nos slots x8 e 4 GB/s nos slots x16. No caso das placas com o PCIe 2.0, as velocidades dobram, com 500 MB/s para os slots x1, 2 GB/s nos slots x4, 4 GB/s nos slots x8 e incríveis 8 GB/s nos slots x16. Como  o  PCI  Express  funciona 56
  57. 57. O padrão original também previa o uso de slots x2 e x32, mas eles nunca chegaram a ser implementados. Na prática, os slots 8x também são muito raros, de forma que você verá apenas slots 1x, 4x e 16x nas placas atuais. Como  o  PCI  Express  funciona 57
  58. 58. Como  o  PCI  Express  funciona 58 Slot  PCI  Express  x4  aberto  em  uma  ASRock,  para  a  instalação  de  uma  segunda  placa  x16
  59. 59. Como  o  PCI  Express  funciona 59 Slots  da  placa-­mãe  Intel  D975BX
  60. 60. Hardware -­ O Guia Definitivo Vol. 2, Morimoto. Carlos E. Editora Sulina, 2010, pag. 1086. Referências 60
  61. 61. Conteúdo e Dúvidas q Conteúdo § Disponível no moodle. q Dúvidas wagnerglorenz@gmail.com 61

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