La familia de ordenadores PC interconexiona toda la circuitería de control interna mediante un diseño de circuito, conocido con el nombre de bus.

Es el conjunto de líneas (cables) de hardware utilizados para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático. Un bus es en esencia una ruta compartida que conecta diferentes partes del sistema como el microprocesador, la controladora de unidad de disco, la memoria y los puertos de entrada, salida, permitiéndoles transmitir información. El bus, por lo general supervisado por el microprocesador, se especializa en el transporte de diferentes tipos de información. Por ejemplo, un grupo de cables (en realidad trazos sobre una placa de circuito impreso) transporta los datos, otro las direcciones (ubicaciones) en las que puede encontrarse información específica, y otro las señales de control para asegurar que las diferentes partes del sistema utilizan su ruta compartida sin conflictos. Los buses se caracterizan por el número de bits que pueden transmitir en un determinado momento. Un equipo con un bus de 8 bits de datos, por ejemplo, transmite 8 bits de datos cada vez, mientras que uno con un bus de 16 bits de datos transmite 16 bits de datos simultáneamente. Como el bus es parte integral de la transmisión interna de datos y como los usuarios suelen tener que añadir componentes adicionales al sistema, la mayoría de los buses de los equipos informáticos pueden ampliarse mediante uno o más zócalos de expansión (conectores para placas de circuito añadidas). Al agregarse estas placas permiten la conexión eléctrica con el bus y se convierten en parte efectiva del sistema.

El Bus se refiere al camino que recorren los datos desde una o varias fuentes hacia uno o varios destinos y es una serie de hilos contiguos. En el sentido estricto de la palabra, esta definición sólo se aplica a la interconexión entre el procesador y los periféricos.

Un bus es simplemente un conjunto compartido de pistas trazadas en la placa de circuito principal, al que se conectan todas las partes que controlan y forman el ordenador. Cuando un dato pasa de un componente a otro, viaja a lo largo de este camino común para alcanzar su destino.
Cada chip de control y cada byte de memoria del PC están conectados directa o indirectamente al bus. Cuando un nuevo componente se inserta en uno de los conectores de expansión, queda unido directamente al bus, convirtiéndose en un objeto más de la unidad completa.

Cualquier información que entra o sale de un sistema ordenador se almacena temporalmente en al menos una de las distintas localizaciones que existen a lo largo del bus. La mayor parte de las veces el dato se sitúa en la memoria principal, que en la familia PC está formada por miles de posiciones de memoria de 8 bits. Pero algún dato puede acabar en un puerto, o registro, durante unos instantes, mientras espera que la CPU lo envíe a una posición adecuada. Generalmente los puertos y registros almacenan sólo uno o dos bytes de información a la vez, y se utiliza normalmente como lugares de parada intermedia para los datos, que se están enviando de un lugar a otro.
Siempre que se utiliza una posición de memoria, o un puerto, como lugar de almacenamiento, su localización está marcada por una dirección que la identifica individualmente. Cuando el dato está listo para ser transferido, se transmite primero su dirección de destino por el bus de direcciones; el dato sigue a la zaga por el bus de datos. Por tanto, el bus transporta algo más que datos. Lleva información de control, tales como las señales de temporización (del sistema reloj), las señales de interrupción, así como las direcciones de las miles de posiciones que forman tanto la memoria como los dispositivos que están conectados al bus. Para diferenciar estas cuatro funciones diferentes, el bus está dividido en cuatro partes: líneas de potencia, bus de control, bus de direcciones y bus de datos. 

EL BUS DE DIRECCIONES

EL BUS DE DATOS

El 8088, al ser microprocesador de 16 bits, puede trabajar con 16 bits de datos a la vez, justo como su análogo el 80286. Aunque el 8088 puede trabajar internamente con números de 16 bits, cuando trabaja con la circuitería que le rodea, sólo pasa datos de 8 bits cada vez, debido al tamaño de su bus de datos; por ello algunas personas han llegado a comentar que el 8088 no es de verdad un microprocesador de 16 bits. Queden seguros de que lo es, aunque es menos potente que el 80286. El bus de datos de 16 bits del 80286 ayuda a que se muevan los datos de manera más efectiva que con el 8088, pero la diferencia real en velocidad entre el 8088 y el AT viene de la mayor rapidez del reloj del AT y su potente organización interna.

Hay una importante razón práctica por la que algunos ordenadores, incluyendo los miembros más antiguos de la familia PC, utilizan el 8088 con su bus de datos de 8 bits en vez del 8086 con su bus de 16 bits. La causa es simplemente económica. Existe una multitud de elementos de circuitería de 8 bits que se encuentran disponibles en grandes cantidades a bajos precios. Cuando se estaba diseñando el PC, la circuitería de 16 bits era más cara y se encontraba menos disponible. La utilización del 8088, en vez del 8086, fue importante no sólo para bajar el coste del PC, sino también para evitar la escasez de las piezas. El precio de los elementos de circuitería de 16 bits ha decrecido significativamente desde entonces; por tanto, ya es factible económicamente utilizar el 80286, que es más eficaz al contar con un bus de 16 bits. Además, el 286 puede utilizar una mezcla de componentes de 8 y 16 bits, manteniendo de este modo la compatibilidad con la familia PC.

EL BUS DE CONTROL

Es el conjunto de conductores que permite que se transfieran señales de control.  Este conjunto de señales se usa para sincronizar las actividades y transacciones con los periféricos del sistema.  Algunas de estas señales, como R / W , son señales que la CPU envía para indicar que tipo de operación se espera en ese momento.  Los periféricos también pueden remitir señales de control a la CPU, como son INT, RESET, BUS RQ. Las señales más importantes en el bus de control son las señales de cronómetro, que generan los intervalos de tiempo durante los cuales se realizan las operaciones.  Este tipo de señales depende directamente del tipo del microprocesador.

Según la funcionalidad que tengan es posible dividir la familia de los buses en tres: Buses uP-Memoria: son rápidos y propietarios, con un número conocido de dispositivos y desempeño. Buses E/S: son abiertos, más lentos y anchos, soportan un número desconocido de dispositivos, y con desempeños muy desiguales. Buses Backplane: uP, memoria y dispositivos de E/S en el mismo bus.

Tipos de transacciones

En la transacción de entrada el uP solicita vía el bus de control un cierto servicio (bloque de datos), indicando dirección de memoria y quizás la longitud. Si por ej., necesita leer información desde un disco a memoria, le envía la petición al disco y a la memoria, luego la memoria, o controlador especial, toma el control y recibe los datos provenientes del disco. En una transacción de salida, por. ej. escribir un archivo a disco, en la segunda etapa los datos viajan de memoria a disco.

Buses Síncronos y Asíncronos.

Bus Síncrono: las señales ocurren en un número entero de un ciclo de reloj denominado ciclo de bus, cuya frecuencia es propia del bus.

Bus Asíncrono: no existe reloj maestro, la duración de los mensajes es propia del dispositivo.

Arbitraje del Bus.

En el caso de Un maestro existe un dispositivo especial que arbitra el bus a través de líneas de solicitud y autorización de acceso al bus, de acuerdo a la distribución física de los dispositivos existen prioridades impícitas. A este esquema se le conoce como Daisy chained.

Si el sistema es descentralizado, no existe un arbitro. Para reemplazarlo se utiliza un esquema de líneas priorizadas de solicitud del bus, o bien, Daisy chained sin arbitro a través de una línea de arbitraje siempre activa, pero que no se propaga si el dispositvo está solicitando el bus.

Interrupciones.

* EL BUS ISA.   Las siglas ISA hacen referencia a la (I)nduistrial (S)tandart (A)rchitecture (Arquitecutra Industrial Estandarizada). Cuando en la actualidad se habla de estándares industriales o del bus ISA se suele hacer pensando en el Bus AT de 16 bits. Este preconcepto no es, de todos modos, absolutamente adecuado pues la denominación ya se empleaba en los tiempos del XT de IBM y por razones muy validas.

Las ranuras de expansión uniformes del XT fueron unas de las razones fundamentales para la enorme difusión de este tipo de computadoras y la de sus sucesores. Las mismas representan de la forma más clara el concepto de la arquitectura abierta de las computadoras, la cual, a través de la incorporación de tarjetas de expansión de todo tipo, capacita a la computadora para realizar cualquier clase de tarea, sobre todo las relacionadas con entornos industriales. Las ranuras del XT incluían, junto al Bus de direcciones de 20 bits, un solo Bus de datos de 8 bits. Su capacidad operativa era, por tanto, y desde una perspectiva actual bastante limitada.

Como ya hemos apuntado, en las mayorías de las placas madres encontramos, junto a las citadas ranuras de 16 bits, dos o mas ranuras de 8 bits. Ello se debe a la ambición de economizar (¿ tacañería ?) del fabricante, pues la introducción de tarjetas de 8 bits es, naturalmente, posible en los slots de 16 bits.

Con una frecuencia de reloj de 8MHz, el Bus AT alcanza un índice máximo de transmisión de datos de 6.5 MB/S, un valor más que aceptable pero que es plenamente utilizado por muy pocas tarjetas.

Pero desde hace poco, y merced a la cada vez más común utilización de CPU de 32 bits, pueden emplearse sistemas de Bus capaces de alcanzar cotas de transmisión de datos más elevadas.

* EL BUS EISA.   Las siglas EISA corresponden a la (E)nhanced (I)ndustrial (S)tandart (A)rchitecture, que vendría a ser algo así como la arquitectura industrial estandarizada y ampliada. En la practica el Bus EISA no es sino una prolongación del Bus AT, desarrollada por los fabricantes de computadoras mas importantes del mundo ( a excepción de IBM) a fin de enfrentar los cada vez más importantes retos planteados por los procesadores de 32 bits. El BUS EISA es un Bus de 32 bits autentico. Esto significa que los 32 conductos de datos de su CPU están disponibles en el slot de expansión correspondiente.

El índice notablemente superior de transmisión de datos no es la única ventaja que lo caracteriza frente al BUS ISA. Hay un rasgo mucho más importante y habitualmente menos tomado en cuenta que lo define: la capacidad multiusuario. Esta posibilita el acceso común de varios procesadores a un mismo Bus, con lo cual problemas como la configuración de un computadora en paralelo a través de tarjetas de CPU, tendrían fácil solución.

* EL BUS MCA.  El bus MCA o MICROCHANNEL, como se le suele denominar, no es en realidad un bus, sino una especie de sistema de canalización, en el cual los datos no son transmitidos al receptor correspondiente mediante un código simple de direccionamiento, sino que, prácticamente, tienen que ser recogidos por él. Para ello, previamente se informa al receptor (que puede ser, por ejemplo, la tarjeta gráfica) sobre el punto en el que se encuentran los datos y se le da acceso a un canal, por el cual pueden ser transportados.

Este proceso tiene lugar sin la participación de la CPU. El MICROCHANNEL, que fue desarrollado por IBM para su línea de equipos PS/2, alcanza, con esta metodología un índice de rendimiento nada despreciable. La cota de transmisión de datos puede llegar a los 20 MB/s y además el procesador, también mejora su ritmo operativo.

Sin embargo, este sistema no ha conseguido implantarse fuera de la generación IBM PS/2 para la que fue diseñado. La razón de ello no es otra que su total incompatibilidad con las demás tarjetas existentes. Por consiguiente, si desea instalar una placa MICROCHANNEL tendrá  que descartar los componentes del sistema que ya disponía y adquirir los que se corresponden con ella. Y todo esto a un precio superior al que usted estaba acostumbrado.

En efecto, hasta la mas insignificante ampliación, pensemos, por ejemplo, en una ranura adicional, requiere elementos electrónicos costosos y complejos (al fin y al cabo el objetivo es liberar de trabajo a la CPU) para adaptarse al MICROCHANNEL. Este hecho, junto a la difícil situación de las patentes, llevo al resto de fabricantes a desarrollar el estándar EISA arriba descrito.

Así las cosas, si usted es ya propietario de una IBM PS/2 (exceptuemos al PS/2-30, que cuenta con un estándar ISA de 8 bits), le felicitamos por disponer de un sistema de bus inteligente y con gran capacidad operativa y deseamos que no se vea en la necesidad de efectuar ampliaciones. Si esta contemplando la idea de adquirir una de estas computadoras, tendría que analizar la mejora del rendimiento que le ofrece MICROCHANNEL, frente a las limitadas posibilidades de expansión que implica. No olvide que muchas modificaciones es estos equipos (véase, por ejemplo, la instalación de una unidad de disquete de 5 1/4 pulgadas o de un disco duro mas potente) requieren inversiones considerables o la asistencia directa del fabricante.

* Bus de Expansión: Conecta las ranuras de expansión de la computadora con el procesador. Los Buses están alambrados en filas paralelas para que todos los bits enviados puedan recorrer su camino de forma simultanea, como los automóviles en una carretera de 16 o 32 carriles.

* Bus de Microcanal: Bus de expansión de 32 bits introducido por IBM para sus computadoras PS/2 de alto rendimiento. Casi todas las computadoras 80386 distintas a IBM usan una estructura de bus de 32 bits para el microprocesador, pero fuera de esto emplean un bus de expansión AT de 16 bits, para el que hay una gran cantidad de periféricos económicos.

LOCAL BUS:

Teniendo en cuenta las mencionadas limitaciones del bus AT y la infalibilidad de los buses EISA y MCA para asentarse en el mercado, en estos años se han ideado otros conceptos de bus. Se inició con el llamado Vesa Local Bus (VL-Bus), que fue concebido y propagado independientemente por el comité VESA, que se propuso el definir estándares en el ámbito de las tarjetas gráficas y así por primera vez y realmente tuviera poco que ver con el diseño del bus del PC. Fueron y son todavía las tarjetas gráficas quienes sufren la menor velocidad del bus AT. Por eso surgió, en el Comité VESA, la propuesta para un bus más rápido que fue el VESA Local Bus.

Vesa Local Bus

Al contrario que con el EISA, MCA y PCI, el bus VL no sustituye al bus ISA sino que lo complementa. Un PC con bus VL dispone para ello de un bus ISA y de las correspondientes ranuras (slots) para tarjetas de ampliación. Además, en un PC con bus VL puede haber, sin embargo, una, dos o incluso tres ranuras de expansión, para la colocación de tarjetas concebidas para el bus VL, casi siempre gráficos. Solamente estos slots están conectados con la CPU a través de un bus VL, de tal manera que las otras ranuras permanecen sin ser molestadas y las tarjetas ISA pueden hacer su servicio sin inconvenientes.

El VL es una expansión homogeneizada de bus local, que funciona a 32 bits, pero que puede realizar operaciones a 16 bits. VESA presentó la primera versión del estándar VL-BUS en agosto de 1992. La aceptación por parte del mercado fue inmediata. Fiel a sus orígenes, el VL-BUS se acerca mucho al diseño del procesador 80486. De hecho presenta las mismas necesidades de señal de dicho chip, exceptuando unas cuantas menos estrictas destinadas a mantener la compatibilidad con los 386.

La especificación VL-Bus como tal, no establece límites, ni superiores ni inferiores, en la velocidad del reloj, pero una mayor cantidad de conectores supone una mayor capacitancia, lo que hace que la fiabilidad disminuya a la par que aumenta la frecuencia. En la práctica, el VL-BUS no puede superar los 66 Mhz. Por este motivo, la especificación VL-BUS original recomienda que los diseñadores no empleen más de tres dispositivos de bus local en sistemas que operan a velocidades superiores a los 33 Mhz. A velocidades de bus superiores, el total disminuye: a 40 Mhz solo se pueden incorporar dos dispositivos; y a 50 Mhz un único dispositivo que ha de integrarse en la placa. En la práctica, la mejor combinación de rendimiento y funciones aparece a 33 Mhz. Tras la presentación del procesador Pentium a 64 bits, VESA comenzó a trabajar en un nuevo estándar (VL-Bus versión 2.0).
La nueva especificación define un interface de 64 bits pero que mantienen toda compatibilidad con la actual especificación VL-BUS. La nueva especificación 2.0 redefine además la cantidad máxima de ranuras VL-BUYS que se permiten en un sistema sencillo. Ahora consta de hasta tres ranuras a 40 Mhz y dos a 50 Mhz, siempre que el sistema utilice un diseño de baja capacitancia. En el nombre del bus VL queda de manifiesto que se trata de un bus local. De forma distinta al bus ISA éste se acopla directamente en la CPU. Esto le proporciona por un lado una mejora substancial de la frecuencia de reloj (de la CPU) y hace que dependa de las línea de control de la CPU y del reloj. A estas desventajas hay que añadirle que no en todos los puntos están bien resueltas las especificaciones del comité VESA, hecho que a la larga le llevará a que el éxito del bus VL se vea empañado por ello. En sistemas 486 económicos se podía encontrar a menudo, pero su mejor momento ya ha pasado.

PCI

Visto lo anterior, se puede ver que el bus del futuro es claramente el PCI de Intel. PCI significa: interconexión de los componentes periféricos (Peripheral Component Interconnect) y presenta un moderno bus que no sólo está meditado para no tener la relación del bus ISA en relación a la frecuencia de reloj o su capacidad sino que también la sincronización con las tarjetas de ampliación en relación a sus direcciones de puerto, canales DMA e interrupciones se ha automatizado finalmente de tal manera que el usuario no deberá preocuparse más por ello.  El bus PCI es independiente de la CPU, ya que entre la CPU y el bus PCI se instalará siempre 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 el procesador Intel si no que pueden usar otros, como por ejemplo, un procesador Alpha de DEC. También los procesadores PowerMacintosh de Apple se suministran en la actualidad con bus PCI. Las tarjetas de expansión PCI trabajan eficientemente en todos los sistemas y pueden ser intercambiadas de la manera que se desee. Solamente los controladores de dispositivo deben naturalmente ser ajustados al sistema anfitrión (host) es decir a su correspondiente CPU.  Como vemos el bus PCI no depende del reloj de la CPU, porque está separado de ella por el controlador del bus. Si se instalara una CPU más rápida en su ordenador. no debería preocuparse porque las tarjetas de expansión instaladas no pudieran soportar las frecuencias de reloj superiores, pues con la separación del bus PCI de la CPU éstas no son influidas por esas frecuencias de reloj. Así se ha evitado desde el primer momento este problema y defecto del bus VL.  El bus PCI emplea un conector estilo Micro Channel de 124 pines (188 en caso de una implementación de 64 bits) pero únicamente 47 de estas conexiones se emplean en una tarjeta de expansión( 49 en caso de que se trate de un adaptador bus-master); la diferencia se debe a la incorporación de una línea de alimentación y otra de tierra. Cada una de las señales activas del bus PCI está bien junto o frente a una señal de alimentación o de tierra, una técnica que minimiza la radiación.  El límite práctico en la cantidad de conectores para buses PCI es de tres; como ocurre con el VL, más conectores aumentarían la capacitancia del bus y las operaciones a máxima velocidad resultarían menos fiables.  A pesar de presentar un rendimiento similar al de un bus local conectado directamente, en realidad PCI no es más que la eliminación de un paso en el micropocesador. En lugar de disponer de su propio reloj, un bus PCI se adapta al empleado por el microprocesador y su circuitería, por tanto los componentes del PCI están sincronizados con el procesador. El actual estándar PCI autoriza frecuencias de reloj que oscilan entre 20 y 33 Mhz.  A pesar que de que las tarjetas ISA no pueden ser instaladas en una ranura PCI, no debería renunciarse a la posibilidad de inserción de una tarjeta ISA. Así pues, a menudo se puede encontrar en un equipo con bus PCI la interfaz «puente» llamada «PCI-To-ISA-Bridge». Se trata de un chip que se conecta entre los distintos slots ISA y el controlador del bus PCI. Su tarea consiste en transponer las señales provenientes del bus PCI al bus ISA. De esta manera pueden seguir siendo utilizadas las tarjetas ISA al amparo del bus PCI.  A pesar de que el bus PCI es el presente, sigue y seguirá habiendo buses y tarjetas de expansión ISA ya que no todas las tarjetas de expansión requieren las ratios de transferencia que permite el bus PCI. Sin embargo las tarjetas gráficas, tarjetas SCSI y tarjetas de red se han decantando cada vez más fuertemente hacia el bus PCI. La ventaja de la velocidad de este sistema de bus es que este hardware puede participar del continuo incremento de velocidad de los procesadores.

SCSI (Small Computer System Interface)

Además de todas las arquitecturas mencionadas anteriormente, también hay que mencionar a SCSI. Esta tecnología tiene su origen a principios de los años 80 cuando un fabricante de discos desarrollo su propia interface de E/S denominado SASI (Shugart Asociates System Interface) que debido a su gran éxito comercial fue presentado y aprobado por ANSI en 1986.
SCSI no se conecta directamente al microprocesador sino que utiliza de puente uno de los buses anteriormente nombrados.  Podríamos definir SCSI como un subsistema de E/S inteligente, completa y bidireccional. Un solo adaptador host SCSI puede controlar hasta 7 dispositivos inteligentes SCSI conectados a él.  Una ventaja del bus SCSI frente a otros interfaces es que los dispositivos del bus se direccionan lógicamente en vez de físicamente. Esto sirve para 2 propósitos:

Elimina cualquier limitación que el PC-Bios imponga a las unidades de disco.

El direccionamiento lógico elimina la sobrecarga que el host podría tener en manejar los aspectos físicos del dispositivo como la tabla de pistas dañadas. El controlador SCSI lo maneja.

Es un bus que a diferencia de otros buses como el ESDI puede tener hasta 8 dispositivos diferentes conectados al bus (incluido el controlador). Aunque potencialmente varios dispositivos pueden compartir un mismo adaptador SCSI, sólo 2 dispositivos SCSI pueden comunicarse sobre el bus al mismo tiempo.  El bus SCSI puede configurarse de tres maneras diferenciadas que le dan gran versatilidad a este bus:

Único iniciador/Único objetivo: Es la configuración más común donde el iniciador es un adaptador a una ranura de un PC y el objetivo es el controlador del disco duro. Esta es una configuración fácil de implementar pero no aprovecha las capacidades del bus SCSI, excepto para controlar varios discos duros.

Único iniciador/Múltiple objetivo: Menos común y raramente implementado. Esta configuración es muy parecida a la anterior excepto para diferentes tipos de dispositivos E/S que se puedan gestionar por el mismo adaptador. Por ejemplo un disco duro y un reproductor de CD-ROM.

Múltiple iniciador/Múltiple objetivo: Es mucho menos común que las anteriores pero así es como se utilizan a fondo las capacidades del bus.
Dentro de la tecnología SCSI hay 2 generaciones y una tercera que está a la vuelta de la esquina. La primera generación permitía un ancho de banda de 8 bits y unos ratios de transferencia de hasta 5 MBps. El mayor problema de esta especificación fue que para que un producto se denominara SCSI solo debía cumplir 4 códigos de operación de los 64 disponibles por lo que proliferaron en el mercado gran cantidad de dispositivos SCSI no compatibles entre sí.

Esto cambió con la especificación 2.0 ya que exigía un mínimo de 12 códigos, por lo que aumentaba la compatibilidad entre dispositivos. Otro punto a favor de SCSI 2.0 es el aumento del ancho de banda de 8 a 16 y 32 bits. Esto se consigue gracias a las implementaciones wide (ancho) y fast (rápido). Combinando estas dos metodologías se llega a conseguir una transferencia máxima de 40 Mbps con 32 bits de ancho (20 Mbps con un ancho de banda de 16 bits).
El protocolo SCSI 3.0 no establecerá nuevas prestaciones de los protocolos, pero si refinará el funcionamiento de SCSI. Además de incluir formalmente el uso del conector P de 68 pines wide SCSI, por ejemplo, también especifica el uso de cables de fibra óptica. Otra posible modificación es el soporte para más de 8 dispositivos por cadena.