1.7.5 I bus

I bus sono i canali attraverso i quali avvengono le comunicazioni tra la CPU e gli altri dispositivi. Essi sono costituiti dall’insieme dei collegamenti tra i vari circuiti elettronici e possono essere interni o esterni, dipendentemente dal fatto se essi sono utilizzati all’interno o all’esterno del case del computer.

Si possono distinguere due tipologie di bus, dipendentemente dal numero di linee che lo compongono: si parla di

• bus seriale un bus costituito da una sola linea, sul quale le informazioni vengono trasmesse in serie, una dopo l’altra;
• bus parallelo un bus costituito da più linee, sul quale le informazioni vengono trasmesse in modo parallelo (più informazioni contemporaneamente, in parallelo una all’altra, una su ogni linea);

In genere il numero di linee che compongono l’address bus è utilizzato come riferimento dei tipi di architettura con i quali sono costruiti i computer. Ad esempio, si parla di architettura a 32 bit se le linee dell’adress bus sono 32, cioè la CPU può esprimere gli indirizzi di memoria centrale con un massimo di 32 bit (ovvero da 0 a 2³² - 1 = 4294967295).

I bus possono essere suddivisi anche in base allo standard tecnologico con il quale sono realizzati. Di seguito è riportata una breve descrizione per ogni tipo di bus.

• ISA (Industry Standard Architecture) si tratta di un bus interno che inizialmente utilizzava 8 linee per la trasmissione dei dati (8 bit) e successivamente è stato esteso a 16. È un bus piuttosto lento;
• MCA (Micro Channel Architecture) si tratta di un bus interno a 32 bit introdotto da IBM nel 1987;
• EISA (Extended ISA) si tratta di un bus interno a 32 bit introdotto da Compaq nel 1987, compatibile con il bus ISA, cioè gli alloggiamenti per le schede inseribili su tale bus sono composti da due parti: una ISA e l’altra per i segnali aggiunti dall’EISA;
• VLB (VESA Local Bus) si tratta di un bus interno a 32 bit con specifiche VESA (Video Electronic Standards Association) introdotto nel 1992. È compatibile con il bus ISA e permette al massimo due alloggiamenti per altrettante eventuali schede;
• PCI (Peripheral Component Interconnect) si tratta di un bus interno a 32 e 64 bit (dipendentemente dalla piattaforma) introdotto nel 1993 e presente ormai in tutti i PC. GNU/Linux permette di gestire tale bus con i comandi lspci (man page²⁷ lspci(8)) e setpci (man page setpci(8)).

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  Comando: lspci
  Path: /sbin/lspci

  SINTASSI  
  # lspci [option]  
  DESCRIZIONE

  • option indica la modalità di funzionamento di lspci. Può assumere i seguenti valori:
    • -v visualizza informazioni dettagliate per ogni dispositivo;
    • -vv visualizza il massimo livello di dettagli delle informazioni relative ad ogni dispositivo;
    • -n visualizza i codici numerici dei dispositivi PCI e dei relativi produttori al posto della corrispondente denominazione;
    • -x visualizza i primi 64 byte (standard header) della configurazione di ogni dispositivo PCI;
    • -xxx visualizza tutti i byte della configurazione di ogni dispositivo PCI;
    • -b visualizza tutti gli IRQ e gli indirizzi “visti” da ogni dispositivo, invece che dal kernel;
    • -t visualizza un diagramma ad albero che riporta le dipendenze dei vari dispositivi PCI;
    • -s [[bus]:][slot][.[function]] seleziona soltanto i dispositivi relativi al bus bus, all’alloggiamento slot ed alla funzione function. Ognuno dei parametri può essere omesso o specificato con il simbolo ‘*’: in tal caso qualsiasi valore viene considerato valido;
    • -d [vendor]:[device] seleziona soltanto i dispositivi relativi al produttore vendor e identificativo device. Ognuno dei parametri può essere omesso o specificato con il simbolo ‘*’: in tal caso qualsiasi valore viene considerato valido;
    • -i file utilizza il file specificato da file come database per gli identificatori dei dispositivi PCI al posto di /usr/share/hwdata/pci.ids;
    • -p dir | -P dir utilizza la directory specificata da dir, come contenitore delle informazioni relative al bus PCI al posto di /proc/bus/pci;
    • -m visualizza le informazioni in “machine readable form” per facilitarne il parsing;
    • -M esamina il bus PCI in modo da riportare informazioni dei dispositivi mal configurati (può bloccare il sistema);
    • -H1 utilizza l’accesso diretto all’hardware per mezzo del meccanismo di configurazione Intel 1;
    • -H2 utilizza l’accesso diretto all’hardware per mezzo del meccanismo di configurazione Intel 2 (funziona solo con le prime 16 periferiche e non sembra essere molto affidabile);
    • -F file visualizza le informazioni contenute nel file file secondo il formato di output del comando lspci -x;
    • -G visualizza ulteriori informazioni durante il funzionamento di lspci;
    • --version visualizza la versione di lspci;

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  Comando: setpci
  Path: /sbin/setpci

  SINTASSI  
  # setpci [option] [device] [operation] [...]  
  DESCRIZIONE

  • option indica la modalità di funzionamento di setpci. Può assumere i seguenti valori:
    • -v visualizza informazioni dettagliate per ogni dispositivo;
    • -f indica di non visualizzare nessun messaggio di errore se nessun dispositivo è stato indicato;
    • -D “Demo mode” - simula l’operzione sul bus PCI ma non la effettua realmente;
    • -s [[bus]:][slot][.[function]] seleziona soltanto i dispositivi relativi al bus bus, all’alloggiamento slot ed alla funzione function. Ognuno dei parametri può essere omesso o specificato con il simbolo ‘*’: in tal caso qualsiasi valore viene considerato valido;
    • -d [vendor]:[device] seleziona soltanto i dispositivi relativi al produttore vendor e identificativo device. Ognuno dei parametri può essere omesso o specificato con il simbolo ‘*’: in tal caso qualsiasi valore viene considerato valido;
    • -P dir utilizza la directory specificata da dir, come contenitore delle informazioni relative al bus PCI al posto di /proc/bus/pci;
    • -H1 utilizza l’accesso diretto all’hardware per mezzo del meccanismo di configurazione Intel 1;
    • -H2 utilizza l’accesso diretto all’hardware per mezzo del meccanismo di configurazione Intel 2 (funziona solo con le prime 16 periferiche e non sembra essere molto affidabile);
    • -F file visualizza le informazioni contenute nel file file secondo il formato di output del comando lspci -x;
    • -G visualizza ulteriori informazioni durante il funzionamento di setpci;
    • --version visualizza la versione di setpci;
  • device specifica l’identificativo numerico del dispositivo PCI da considerare;
  • operation specifica l’operazione da effettuare secondo la sintassi

     
    reg[=value]  
    dove

    • reg è il nome del registro o il suo indirizzo seguito dal suffisso .b, .w o .l che indica la dimensione del registro (rispettivamente byte, word o longword). Il nome dei registri possono essere ottenuti dalla man page di setpci;
    • value è il valore da assegnare al registro specificato;

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  È inoltre possibile visualizzare l’elenco dei dispositivi presenti sul bus PCI riconosciuti dal sistema, visualizzando il contenuto del file /proc/pci.

• AGP (Accelerated Graphic Port) si tratta di un bus interno, basato sullo standard PCI 2.1, appositamente progettato per un’elevata velocità di trasferimento dei dati dal sistema verso la scheda video (fino a 2,1 GB/s). Di questo bus sono state sviluppate varie versioni denominate AGPnx dove n indica quante volte è stata incrementata la velocità del trasferimento delle informazioni rispetto all’AGP di base. Il più recente è l’AGP8x.
• PCI Express è la standardizzazione, avvenuta nell’Aprile 2002 da parte del PCI-SIG²⁸, del bus seriale interno bidirezionale sviluppato da Intel con la partecipazione di numerose altre aziende tra le quali IBM, Dell, hp e Microsoft e conosciuto anche come 3GIO (3rd Generation I/O). La sua elevata velocità di trasferimento delle informazioni, che attualmente arriva fino a circa 4,5 GB/s, lo rende il probabile erede del bus AGP.
• ATA (AT²⁹ Attachment) spesso chiamato impropriamente IDE (Integrated Drive Electronics) o EIDE (Enhanced IDE), è un bus di tipo parallelo, sviluppato inizialmente da Compaq, Western Digital ed Impris nel 1986, utilizzato per collegare gli hard disk e le unità a disco o CD/DVD (ATAPI - ATA Peripheral Interface) interne, che permette l’impiego di hardware a più basso costo (il controller viene in genere integrato sul dispositivo). Si basa sul bus ISA e permette velocità di trasferimento delle informazioni da 8,3 MiB/s a 133 MiB/s su 16 linee di dati (16 bit).³⁰

  Sulla motherboard sono integrati generalmente i connettori relativi a due canali ATA e per ognuno di essi possono essere collegate fino ad un massimo di due periferiche. Tali canali sono detti l’uno primary (primario) e l’altro secondary (secondario).

  Ogni periferica connessa a tale bus ha a bordo il relativo controller ed è caratterizzata da una sorta di priorità: su ogni canale è possibile definire una periferica master (prioritaria) ed una slave (meno prioritaria). La periferica identificata come master gode del privilegio che durante la fase di boot del sistema³¹ viene interrogata per prima rispetto all’altra (eventualmente presente sullo stesso canale) per l’avvio del sistema stesso. Per il resto, le due periferiche sono trattate nello stesso identico modo. I dispositivi presenti sullo stesso canale devono sempre avere priorità diverse: devono essere impostati l’uno come master e l’altro come slave. Esiste anche la possibilità di impostare una configurazione automatica di ogni dispositivo, dipendentemente dal connettore a cui il dispositivo stesso è connesso (cable select). Infatti, le periferiche vengono collegate al canale ATA tramite un cavo piatto (flat cable, v. fig. 1.24) e questo cavo ha tre connettori, uno dei quali viene connesso alla motherboard ed ognuno degli altri due viene connesso ad un dispositivo (unità a disco): con particolari tipi di cavo, il dispositivo è in grado di riconoscere a quale dei due connettori (apparentemente identici) è connesso ed in questo modo viene impostato automaticamente il suo livello di priorità.

  Di recente è stata introdotta sul mercato anche una nuova versione di tale bus denominata SATA (Serial ATA), che si basa su di una connessione seriale ad alta velocità (fino a 150 MiB/s nella prima versione e 300 e 600 MiB/s per le versioni successive), che soppianterà l’ormai vetusto (Parallel) ATA. Tale tecnologia è stata sviluppata dal Serial ATA Working Group³², un consorzio di cui fanno parte Intel, IBM, Dell, Maxtor, Quantum e Seagate. Con questo tipo di tecnologia non c’è più bisogno dell’identificazione dei dispositivi master e slave ed è, per il momento, pienamente compatibile con ATA. L’utilizzo di Serial ATA è pertanto trasparente per i sistemi operativi.

• SCSI (Small Computer System Interface) è un bus parallelo utilizzato per collegare sia le unità a disco (interne ed esterne) che altre periferiche come stampanti o scanner con le migliori performance (tempi di accesso più bassi e transfer rate³³ più elevati).³⁴ Queste richiedono la presenza di un controller apposito che in genere va acquistato separatamente. Questo innalza ulteriormente i costi di installazione delle periferiche SCSI.

  Ad uno stesso bus SCSI possono essere collegate fino ad un massimo di 16 periferiche. Ogni periferica è individuata da un numero identificativo univoco (ID), oltre che da un valore numerico detto LUN (Logical Unit Number). La periferica che ha il valore ID più elevato è quella che ha la priorità più alta rispetto alle altre presenti sul bus SCSI. Ogni periferica è generalmente dotata di due interfacce SCSI, un connettore di ingresso ed uno di uscita, in modo tale che il bus possa “attreversare” la periferica stessa, per poter raggiungere tutte le periferiche connesse al bus SCSI in cascata, una dopo l’altra. L’ultima periferica collegata fisicamente sul bus SCSI deve essere “terminata”, cioè il connettore di uscita dell’ultima periferica SCSI deve essere chiuso su se stesso in modo da informare l’ultima periferica SCSI del fatto che dopo di essa non c’è nessun’altra periferica presente su tale bus.

  Come per il bus ATA, anche per quello SCSI è allo studio, da parte del Serial Attached SCSI Working Group³⁵, uno standard seriale basato su tecnologie di trasmissione simili a Serial ATA, il bus SAS (Serial Attached SCSI) che rimpiazzerà lo SCSI attuale.

• PS/2 è un canale di comunicazione esterno generalmente utilizzato da tastiera e mouse. Tale standard è stato sviluppato da IBM e si presenta all’esterno del case con un connettore 6-pin³⁶ mini-DIN³⁷ o 5-pin DIN. Generalmente i dispositivi che si connettono tramite un connettore a 5-pin DIN (più vecchio) sono detti di tipo AT, mentre quelli che utilizzano il connettore 6-pin mini-DIN (più recente) sono detti di tipo PS/2;

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  Figura 1.19: Connettore PS/2 (6-pin mini-DIN).

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• Parallela spesso chiamata anche Centronics (dal nome dell’azienda che ne definì il primo standard) è il canale di comunicazione esterno in grado di effettuare lo scambio di più segnali contemporaneamente con il sistema (da cui il nome parallela). Si presenta all’esterno del case con un connettore a 25 pin (DB-25) ed è utilizzato per connettere dispositivi che hanno bisogno di velocità di trasferimnto delle informazioni abbastanza elevate. Questo bus viene utilizzato prevalentemente da dispositivi come stampanti e scanner;

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  Figura 1.20: Connettore DB-25.

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• Seriale spesso chiamata anche RS-232 (dal nome del primo standard utilizzato “Recommended Standard-232C” della EIA - Electronic Industries Alliance - sebbene recentemente la EIA abbia definito un nuovo standard RS-422 totalmente compatibile con esso), si presenta all’esterno del case con un connettore DB-25 o DB-9 (i pin effetivamente utilizzati sono soltanto 9). È il canale di comunicazione esterno in grado di scambiare un’informazione alla volta tra il sistema e le periferiche ad esso collegate (da cui il nome seriale). Questo bus viene generalmente utilizzato da dispositivi come mouse e modem;

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  Figura 1.21: Connettore DB-9.

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• USB (Universal Serial Bus) è lo standard più recente che soppianterà tutti gli standard relativi alla porta seriale e quella parallela. Sempre più periferiche vengono realizzate per essere collegate con questo tipo di bus esterno. Si tratta essenzialmente di un bus seriale con una velocità massima di trasmissione dei dati di 60 MiB/s. La connessione di dispositivi al sistema per mezzo di tale bus è semplicissima, dal fatto che esso permette il riconoscimento automatico dei dispositivi;

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  Figura 1.22: Connettore USB.

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• PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) è il canale di comunicazione utilizzato per connettere periferiche esterne ai computer portatili (laptop);
• NIC (Network Interface Card) L’interfaccia di rete (scheda di rete) è quella che permette il collegamento tra più PC e/o periferiche con elevata velocità di scambio dei dati (da 10 Mbit/s a 1 Gbit/s). Il collegamento può essere effettuato mediante appositi cavi di rete o tramite onde radio (wireless);

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  Figura 1.23: Cavo di rete.

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• IEEE³⁸ 1394 noto anche con il nome di Firewire o i.link, è un canale di comunicazione esterno che permette l’interfacciamento con periferiche che necessitano di elevate velocità di trasmissione dati, come le telecamere digitali. Tale bus può collegare fino a 63 periferiche e supportare comunicazioni fino a 800 MiB/s;
• IrDA (Infrared Data Association) è un canale di comunicazione esterno che non necessita di cavo di collegamento. La trasmissione dei dati avviene per mezzo di onde elettromagnetiche nella banda di frequenze degli infrarossi. È utilizzata per dispositivi mobili che non necessitano di velocità di scambio dati particolarmente elevate (cellulare, mouse, tastiera, ...);

Figura 1.24: Un flat cable.

Le linee che permettono il collegamento ai bus di tipo parallelo, all’interno del case del computer, sono costituiti generalmente da cavi piatti (flat cable) che raggruppano più linee, una parallela all’altra, ognuna delle quali è protetta da un rivestimento plastico (v. fig. 1.24).

L’impostazione della “priorità” di una periferica ATA o la terminazione di un dispositivo SCSI, viene effettuata generalmente per mezzo di jumper (ponticelli), ovvero dei piccoli pezzi metallici che chiudono il circuito elettrico tra due connettori terminali, o di piccoli interruttori (microswitch).