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BIOS e Barramentos
Professor Wagner Gadêa Lorenzwagnerglorenz@gmail.com
São Vicente do Sul, 10 de Outubro de 2013
1
Objetivos
Apresentar as características e conceitos sobre BIOS e
barramentos.
2
BIOS, em computação Basic Input/Output System (Sistema
Básico de Entrada/Saída).
Introdução
3
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
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
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
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
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
BIOS
9Chip PLCC com o BIOS em uma placa da Asus.
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
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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
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BIOS
12B_BIOS e M_BIOS em placa-mãe da Gigabyte.
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
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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
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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
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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
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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
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Para zerar o CMOS, você precisa apenas cortar o fornecimento
de energia para ele.
Existem duas formas de fazer isso.
BIOS
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A primeira é (com omicro 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
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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
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BIOS
21Jumper Clear CMOS.
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
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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
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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
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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
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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
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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
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Barramentos
28Slots ISA.
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
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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
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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
Barramentos
32Placa de vídeo EISA
Aqui temos os contatos de uma placa de vídeo EISA, que mostra a
organização na prática.
Barramentos
33Slot EISA
Os slots EISA eram tipicamente marrons, por isso lembram um
pouco um slot AGP, embora bem maiores:
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
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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
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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
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Barramentos
37Slots PCI (no centro) e PCI Express
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
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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
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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
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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
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Barramentos
42Placa AGP de 3.3V e placa AGP universal.
Barramentos
43Placa com slot AGP de 3.3V e placa com slot de 1.5V
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
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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
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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
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O PCI Express
47Slots PCI-X, em comparação com slots PCI comuns
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
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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
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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
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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
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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
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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
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
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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
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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
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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
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Como o PCI Express funciona
58Slot PCI Express x4 aberto em uma ASRock, para a instalação de uma segunda placa x16
Como o PCI Express funciona
59Slots da placa-mãe Intel D975BX
Hardware - O Guia Definitivo Vol. 2, Morimoto.
Carlos E. Editora Sulina, 2010, pag. 1086.
Referências
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Conteúdo e Dúvidas
q Conteúdo§ Disponível no moodle.
q Dúvidaswagnerglorenz@gmail.com
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