Buses de expansión
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Sumario
Los buses de expansión en la plataforma PC.
Cada uno de los conectores va asociado a una línea por la que circula la información desde los periféricos hacia el microprocesador y viceversa, las cuales, en conjunto, forman el canal de comunicación al que se denomina "bus de expansión". En la práctica, a estos conectores se les conoce indistintamente con el nombre de bus, conector, ranura de expansión o slot. En la figura 1 se muestra una idea gráfica de la forma en que se conectan entre sí las ranuras de expansión con el microprocesador central de una tarjeta madre.La máquina que hizo popular el concepto de ranuras de expansión, fue la IBM PC, lanzada en agosto de 1981, aunque era un sistema que se utilizaba desde la década de los años 70. Incluso, la propia PC retomó varios aspectos del Data Master, una pequeña computadora (también de IBM) que se basaba en un conjunto unificado de piezas sencillas y que incluía un bus de expansión con un conector de 62 pines. Con este recurso, IBM pretendía establecer un estándar en la computación personal, permitiendo, mediante una política de licencias, que terceros fabricantes produjeran sus propios periféricos, tarjetas y hasta computadoras basados en las especificaciones del IBM PC, surgiendo así las máquinas y sistemas "compatibles".Este inteligente movimiento por parte de IBM, congregó en torno a la plataforma PC a miles de fabricantes de hardware y software de todo el mundo, alcanzando un desarrollo inusitado y un abaratamiento de los sistemas. Aunque actualmente todas las plataformas de computadoras personales parten del concepto de ranura de expansión, ninguna mantiene la política de licencias como IBM. La plataforma Macintosh de Apple, por ejemplo, es diseñada, producida y vendida por el propio grupo, pero a precios más elevados que la PC. Por ende, tiene menor aceptación a pesar de sus importantes méritos tecnológicos. Si bien, recientes intentos de "abrir" la arquitectura Macintosh han dado como resultado la aparición de los primeros clones de esta plataforma, aún es incierto el grado de penetración que puedan tener en el mercado. Para que una tarjeta sea compatible, debe cumplir con ciertas características en torno a la disposición de los conectores, las señales que se manejan y las frecuencias de operación. En este apéndice se analizarán estos aspectos en función de los diferentes conectores que han surgido para adaptarse a la evolución de la plataforma PC, como resultado de la incorporación de nuevos microprocesadores y dispositivos de alto rendimiento. Quien se dedica al servicio de computadoras personales, reconoce la importancia de tener a la mano las tablas y mapas de conectores. Con ellos, se puede revisar la presencia de las señales principales (alimentación, tierra, reloj, etc.), e identificar a simple vista la tecnología utilizada por una tarjeta madre y, por consiguiente, el tipo de tarjetas que pueden utilizarse en cada sistema.
El bus PC-XT
La IBM PC-XT original fue construida con base en el microprocesador Intel 8088, el cual es un circuito que trabaja con un bus interno de datos de 16 bits, aunque su bus externo es de 8 bits. Fue así como quedó definida en 8 bits la longitud del byte y de los primeros buses de expansión. En la figura 2 se muestra la disposición de los conectores del primer slot compatible al cual se le llamó ISA-8, por ser la sigla de Industry Standard Association (Asociación de Estándares para la Industria) y por manejar un bus de 8 bits. Consulte también la tabla 1 en la cual se especifican las señales eléctricas asociadas a cada uno de los conectores. El slot ISA-8 es un conector con doble hilera de 31 contactos metálicos, espaciados entre sí a una distancia de 0.1 pulgadas (alrededor de 2.5 mm). Como el microprocesador empleado en la XT original tenía una frecuencia máxima de operación de 4.7 MHz, se especificó para este bus una similar a la del CPU, es decir de alrededor de 5 MHz.
El bus AT
Cuando se fabricó la primera computadora AT dotada con el procesador 80286 de Intel dado que este circuito fue capaz de manejar palabras de 16 bits en su bus externo, duplicando potencialmente la cantidad de información que podía ser transferida entre el CPU y sus periféricos, fue necesario adaptar la ranura de expansión para adecuarla a las nuevas prestaciones. Sin embargo, para mantener la compatibilidad con las tarjetas ya existentes, se respetó la forma y características del bus ISA-8, pero se le añadió una extensión dedicada al manejo de las señales correspondientes a los 8 bits adicionales. Por otra parte, a las tarjetas se les añadió una hilera adicional de terminales metálicas (36 en total, 18 por cada lado), dando un total de 98 puntos de conexión.Como las primeras computadoras AT utilizaban un procesador de 6 MHz, la velocidad de intercambio su bió hasta esa frecuencia; posteriormente, cuando surgió un CPU capaz de alcanzar los 8 MHz, IBM declaró que la velocidad estándar de operación del bus ISA-16 sería de esa frecuencia, puesto que no se preveía un aumento significativo en la velocidad de los procesadores.Esto limitó la velocidad de operación de las tarjetas controladoras, defecto que persiste ahora, cuando se utilizan procesadores de 200 MHz. En la actualidad, a pesar de su limitación en velocidad, las tarjetas ISA-16 son las más empleadas a nivel mundial. Cabe aclarar que esta limitación no está dada por las características físicas del conector, sino por los fabricantes de tarjetas que para reducir los costos de producción utilizan componentes y circuitos integrados que trabajan adecuadamente a 8 MHz, pero que presentan serios problemas si se obligan a trabajar a 10 MHz..
Microprocesadores de 32 bits y sus conectores de expansión
Cuando Intel lanzó al mercado el microprocesador 80386, el cual trabaja con palabras digitales de 32 bits, se reunieron los principales fabricantes de computadoras personales compatibles para definir y estandarizar los parámetros de un nuevo tipo de ranura de expansión, capaz de manejar este bus de datos ampliado. Obviamente, la transferencia simultánea de 32 bits en lugar de 16, nuevamente duplicaba el potencial de flujo de información, redundando en máquinas más veloces. Las nueve compañías que se congregaron para el diseño del nuevo estándar en ranuras de expansión fueron Compaq, Hewlett Packard, NEC, Zenith, AST, Epson, Wyse, Olivetti y Tandy. El resultado fue el spot tipo EISA (Enhanced ISA o ISA mejorado). Además, el "grupo de los nueve" decidió mantener el límite a 8 MHz, buscando una compatibilidad hacia atrás, o sea, que en el nuevo conector mejorado se pudieran insertar sin problemas tarjetas ISA normales. Esta situación planteó una solución interesante: los diseñadores no quisieron tomar la misma respuesta que cuando se pasó del bus ISA-8 al bus ISA-16, que consistió en añadir un conector suplementario para manejar las señales adicionales. De haber elegido esta opción, el bus de 32 bits habría tenido un tamaño excesivo en contra de la tendencia a la compactación y surgimiento de computadoras portátiles, que por entonces ya se vislumbraba. Para conservar la tendencia de compactación en la nueva ranura de expansión, se incluyeron contactos más angostos, de modo que pudiera ser insertado un contacto de tarjeta ISA por dos contactos en la ranura EISA. De esta manera, si la separación entre terminales del slot ISA era de 0.1 de pulgada, en la ranura EISA sería de solamente 0.05 de pulgada. Para mantener la compatibilidad se dispusieron ambos tipos de conectores en dos niveles de profundidad, ya que si se hubieran colocado uno al lado del otro, la inserción de una tarjeta ISA provocaría un cortocircuito entre terminales aledañas. En la figura 5 se muestra un conector EISA con su disposición de terminales. Observe que se pueden identificar dos niveles de contactos. Note que se encuentran cinco "topes" que impiden el paso de una tarjeta ISA normal hasta la hilera inferior de conectores, evitando así los cortocircuitos. Por su parte, en las tarjetas diseñadas bajo las especificaciones EISA, se disponen las aberturas convenientes para que ambas hileras de terminales entren en contacto. Por razones de compatibilidad, la hilera superior de conectores coincide perfectamente con las especificaciones ISA-16, mientras que la hilera inferior es la encargada de manejar las señales adicionales que permitirán a este slot manejar datos de 32 bits. En la tabla 3 se describe la función de cada u no de los conectores. Cabe mencionar que la ranura EISA tiene ventajas que van más allá del simple aumento de bits. Entre las principales, se encuentra la capacidad de intercambiar información de manera muy rápida entre periféricos, sin necesidad de que intervenga el microprocesador central debido a su característica de "bus mastering" o "mando a nivel de bus". Esto permite descargar al CPU de una gran cantidad de trabajo automático, haciendo que se concentre en su labor primaria, que es el proceso de datos. Quizá una de sus limitaciones, es que no cuenta con ningún apoyo a plataformas multiprocesador. Esto constituye una falta de visión, difícil de entender en el grupo de las nueve compañías que definieron el estándar. Otras característica sobresaliente del bus EISA, es que presenta una velocidad máxima de intercambio de información que fácilmente llega a los 33 MB por segundo (MB/s), contra los 8 MB/s del ISA-8 y los casi 20 MB/s del ISA-16. Sin embargo, los productores de tarjetas periféricas han desaprovechado esta ventaja, por lo que el verdadero rendimiento de este bus apenas si supera el de un ISA convencional, situación por la que pronto quedó relegado por nuevas tecnologías, sin haber obtenido una gran difusión. Un hecho importante a señalar, es que IBM no subordinó la arquitectura de sus máquinas al bus EISA, sino que diseñó una ranura especial para ser incluida en sus computadoras PS/2, la cual tomó el nombre de MCA (Micro-Channel Architecture arquitectura de microcanal). Dicho slot es físicamente más pequeño que los ISA y EISA, aunque comparten con este último la separación de 0.05 pulgadas entre contactos, pero sin los problemas que plantea el manejo simultáneo de dos hileras de conectores. El bus MCA fue diseñado "desde abajo", esto es, como si fuera un desarrollo completamente innovador para una nueva plataforma, lo que le permitió superar algunas limitaciones que las ranuras de expansión ve nían acarreando desde la aparición de la XT original. Sin embargo, por este enfoque tan innovador se perdieron los beneficios de la compatibilidad, teniendo que ser diseñadas tarjetas especiales para el bus MCA. Es indudable que este slot presenta múltiples ventajas sobre sus predecesores, entre las que se cuentan: capacidad para manejar sistemas multiprocesador; velocidad máxima teórica de 33 MHz en el intercambio de información, aunque las presiones de los fabricantes obligaron a IBM a fijar como mínimo estándar 10 MHz; mando a nivel de bus; etc. Desafortunadamente, la falta de compatibilidad con las plataformas ya existentes produjo un rechazo por parte de los fabricantes, quedando prácticamente fuera del mercado de las máquinas compatibles.
Las aplicaciones gráficas y el bus local VESA
Cuando Intel anunció el microprocesador 486, base de la cuarta generación de computadoras PC, el mundo del software de aplicación había sufrido un cambio sus tancial. Con el lanzamiento por parte de Microsoft del subsistema operativo Windows, los usuarios de la plataforma PC por fin tuvieron acceso a una interface gráfica, semejante a la desarrollada para la plataforma Macintosh desde 1984. El ambiente Windows permitió al usuario elegir aplicaciones simplemente "apuntando y disparando" un cursor por medio del ratón, o ejecutar diversos comandos mediante menús desplegables, haciendo más sencillo el manejo de los programas. Estos avances requirieron mayores recursos de hardware, pues en un ambiente gráfico es necesario convertir absolutamente toda la información de la pan talla en un mapa de bits, en donde cada punto tiene asociada una cierta cantidad de información sobre suluminosidad y colores. La resolución mínima para trabajar aceptablemente con Windows es la VGA estándar (640 x 480 puntos por pulgada a 16 colores), y esto demanda un gran flujo de bits. Veamos por qué. La representación de 16 colores requiere 4 bits (2 elevado a la cuarta potencia), que al ser multiplicados por 640 y 480 da un total de 1,228,800 bits. Esto implica que para sustituir por completo la información desplegada en el monitor, es necesario intercambiar arriba de 1.2 MBits, mismos que son controlados por el microprocesador, descuidando por lo tanto su función principal en el proceso de datos. Aun si se requieren mayores resoluciones (800 x600 e incluso 1024 x 768 puntos) con una mejor definición de colores (256, 32,000 e incluso 16.7 millones de colores), la cantidad de información que debe ser intercambiada entre el monitor y el microprocesador, se elevará a niveles extraordinarios, influyendo desfavorablemente en la velocidad de los sistemas (si ha trabajado programas como CorelDraw en una máquina 386 sabrá a qué nos referimos). Así mismo, es necesario intercambiar magnitudes considerables de información entre el microprocesador y otros periféricos, especialmente con el disco duro, ya que al crecer el tamaño de las aplicaciones se deben mover enormes archivos para iniciar la ejecución. Ante esta situación, la Asociación de Estándares para Video Electrónico (Video Electronics Standard Association), mejor conocida por sus siglas, VESA, diseñó un slot adicional capaz de agregarse a las ranuras ISA y EISA y mejorar así el desempeño de los sistemas. La principal característica de este slot es su conexión directa con los buses que salen del microprocesador, sin necesidad de pasar por el Chipset. Por lo tanto, el intercambio de información se realiza a la misma velocidad a la que corre la tarjeta madre. Cabe aclarar que, aunque la mayoría de la literatura técnica asegura que el bus VESA funciona a la misma velocidad del microprocesador, esto no se cumple en los sistemas 486DX2 ó DX4, en los que el CPU funciona al doble o triple de la frecuencia con la que opera el resto de la tarjeta; lógicamente, en estos casos el bus VESA trabaja a una fracción de velocidad del propio microprocesador y con un límite máximo de 33 MHz. El bus VESA se ha aprovechado especialmente para la conexión de tarjetas de video y controladoras de disco duro, ya que un intercambio más veloz de información permite actualizar una pantalla de alta resolución en una mínima fracción del tiempo que se necesitaría de no contar con este slot especializado. La velocidad teórica en la transferencia de archivos de este slot es de alrededor de 130 MB/s, superando con mucho el desempeño de un bus EISA normal. El conector VESA está fabricado con la misma tecnología del slot microcanal, esto es, una separación entre conectores de 0.05 de pulgada y una forma física muy semejante al slot MCA, debido a que no utiliza doble nivel de terminales como el bus EISA. En la figura 6 se muestra el esquema de un slot VESA, mientras que en la tabla 4 se describe su disposición de terminales. Hay que mencionar que el bus VESA maneja palabras de 32 bits, por lo que únicamente se puede utilizar en máquinas 386DX o superiores, aunque realmente su máximo desempeño se logra en computadoras 486 de alta velocidad (33 MHz o más). También ya se ha anunciado una extensión para aprovechar el bus de 64 bits de los procesadores Pentium y similares, aunque no se han dado a conocer más detalles.
El bus local PCI
A la par del lanzamiento del procesador Pentium, Intel presentó un nuevo tipo de conector de expansión, que es el que ha predominado en máquinas de alto desempeño en los últimos años.Este nuevo slot recibió el nombre de bus local PCI (Peripheral Componentes Interconnect = interconexión de componentes periféricos). Comparaciones realizadas entre el bus PCI y el VESA demuestran que su desempeño es muy similar, con la ventaja del menor tamaño del primero. Es tal el éxito de este slot, que incluso compañías rivales como Apple lo han adoptado como el nuevo estándar de comunicación entre tarjeta madre y elementos periféricos en su plataforma Macintosh, además, el movimiento inteligente por parte de Intel y de los fabricantes de computadoras de colocar tres o cuatro slots PCI al lado de algunos tradicionales ISA-16 aseguró la compatibilidad "hacia atrás", y redujo la natural precaución del mercado de lanzarse de lleno a una nueva tecnología aún no comprobada e incompatible con tarjetas anteriores (lo que sucedió por ejemplo con el bus MCA de IBM). Al igual que el procesador Pentium, que posee un bus externo de 64 bits, el slot PCI también contempla el manejo de 64 bits en paralelo (aunque la mayoría de las tarjetas madres en el mercado tan solo incorporan el slot PCI de 32 bits), además de que permite el mando a nivel de bus.Sin embargo, presenta un problema que puede ser una limitante a futuro: para reducir el número de terminales, los diseñadores de Intel decidieron enviar los datos de control por medio de una interface multiplexada, con un límite de frecuencia de 33 MHz. Y aunque por el momento esta limitación no parece muy importante, hay que recordar IBM también enfrentó una situación similar cuando fijó la velocidad del bus ISA en 8 MHz. Por último, conviene mencionar que este aspecto de los datos de control multiplexados también trae consigo un efecto interesante: estamos acostumbrados a pensar que un slot es idéntico a otro, de modo que no importa si colocamos una tarjeta en uno u otro conector para que "no estorbe" el paso de algún cable u otro elemento; pues bien, aunque esto es cierto en sistemas con slots tipo ISA-8 o ISA-16, en el caso específico de los slots PCI sí están numerados e identificados, por lo que si un cierto dispositivo se da de alta en el slot No. 1 y después por comodidad se traslada al spot No. 3, es posible que el sistema ya no sea capaz de reconocerlo. Tenga cuidado al hacer este tipo de movimientos, para evitar molestas sorpresas.
Fuentes
Computación aplicada
- http://www.slideshare.net/jcmoreno/ISA-8 tarjetas-de-expansión en la pc
- http://www.informaticamoderna.com/ISA-16 tarjetas-de-expansión en la pc
