Arquitetura e Organização de Computadores I

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1 Arquitetura e Organização de Computadores I Interrupções e Estrutura de Interconexão Prof. Material adaptado e traduzido de: STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 5ª edição

2 Interrupções Mecanismo por meio do qual outros módulos (por exemplo E/S) podem interromper o processamento normal do processador. Se classificam em: Programa Timer E/S Falha de hardware São fornecidas como um modo p/ melhorar a eficiência do processamento.

3 Controle de Fluxo do Programa

4 Interrupções O programa do usuário não precisa conter qualquer código especial (o processador e o S.O. fazem o trabalho todo).

5 Interrupções Quando ocorre uma interrupção o processador salva o contexto do programa em execução (PC e outros dados) e inicia uma rotina de tratamento de interrupção. Quando termina, retoma a execução do programa no ponto da interrupção.

6 Interrupções

7 Interrupções Esta tarefa envolve overhead, contudo é uma saída melhor do que esperar por E/S. E/S são mais lentas que o processamento. Desta forma uma segunda operação de E/S pode ocorrer antes que a primeira termine, travando o processamento por algum tempo.

8 Ciclo de Instrução Em um ciclo de instrução alguns estados podem ser nulos enquanto outros são visitados várias vezes. Estados de um ciclo: cálculo do endereço de instrução busca da instrução decodificador da operação da instrução cálculo do endereço do operando busca do operando operação dos dados armazenamento do operando

9 Ciclo de Instrução - Diagrama de Estados

10 Ciclo de Interrupção Adicionada ao ciclo de instrução Processador checa por interrupções Indicado por um sinal de interrupção Se não há interrupções, busca a próxima instrução

11 Ciclo de Interrupção Se há interrupções pendentes: Suspende a execução do programa em execução Salva o contexto Define PC p/ o endereço de início da rotina de manipulação de interrupções Processo interrompido Restaura o contexto e continua o programa interrompido

12 Ciclo de Instrução (com interrupções) Diagrama de Estados

13 Interrupções Múltiplas Um sistema pode receber uma interrupção enquanto outra ainda está sendo processada. Ex: Impressão e linha de comunicação O sistema deve ser capaz de lidar com isso. Duas técnicas podem ser usadas: desativar interrupções ou definir prioridades para interrupções.

14 Interrupções Múltiplas Técnicas de tratamento (1) Desabilitar interrupções Processador deve ignorar futuras interrupções até concluir o atendimento da interrupção em execução Interrupções permanecem pendentes e são verificados após a primeira interrupção ser processada Interrupções são tratadas na ordem em que ocorrem Simples de implantar, mas desconsidera prioridades e tempo crítico.

15 Interrupções Múltiplas - Sequencial

16 Interrupções Múltiplas Técnicas de tratamento (2) Definir prioridades Interrupções de prioridade baixa podem ser interrompidas por interrupções com alta prioridade Quando as interrupções de alta prioridade são processadas, o processador retorna para interrupção anterior que foi interrompida Mais complexa de implantar, mas atende aos requisitos de prioridade e tempo crítico

17 Interrupções Múltiplas - Aninhadas

18 Interrupções Múltiplas Aninhadas Exemplo Exemplo de interrupção envolvendo 3 dispositivos de E/S: impressora, linha de comunicação e disco com prioridades 3, 4 e 5 respectivamente e interrupções nos instantes 10, 15 e 20 respectivamente.

19 Exercícios 1. Quais são as categorias de interrupções existentes? Comente. 2. Liste e defina resumidamente os estados possíveis na execução de uma instrução. 3. Lista e defina resumidamente duas técnicas para lidar com múltiplas interrupções.

20 Estrutura de Interconexões Coleção de caminhos conectando os módulos básicos de um computador que devem admitir a troca de dados entre estes módulos Diferentes tipos de conexão para diferentes tipos de unidades Memória Entrada/Saída CPU

21 Estrutura de Interconexões

22 Estruturas de Interconexões Memória Recebem e enviam dados Recebem endereços (de localidades) Recebem sinais de controle Leitura Escrita

23 Estruturas de Interconexões Entrada e Saída (1) Semelhante a memória do ponto de vista do computador Saída Recebe dados do computador Envia dados para periféricos Entrada Recebe dados de periféricos Envia dados para o computador

24 Estruturas de Interconexões Entrada e Saída (2) Recebe sinais de controle do computador Envia sinais de controle para perifericos Ex: Rotação do disco Recebe endereços do computador Ex: Número da porta para identificar periférico Envia sinais de interrupção (controle)

25 Estruturas de Interconexões CPU Lê instruções e dados Escreve dados de saída (após processamento) Envia sinais de controle para outras unidades Recebe sinais de interrupção

26 Interconexão de Barramento Entre as estruturas de interconexões, o barramento é a mais comum Consiste em um caminho de comunicação que conecta 2 ou mais dispositivos Meio de transmissão compartilhado Um barramento que conecta os principais componentes de um computador (memória, CPU e E/S) é conhecido como barramento do sistema.

27 Estrutura de Barramento Barramentos de Sistema consistem em cerca de 50 a centenas de linhas separadas. Cada linha pode ser classificada em 3 grupos funcionais: Dados Endereço Controle

28 Estrutura de Barramento Linha de Dados Caminho para movimentação dos dados Coletivamente são conhecidos como barramento de dados Lembre-se que não há diferença entre "dados" e "instrução" a este nível Número de linhas = largura do barramento Quanto maior a largura do barramento, melhor o desempenho geral do sistema.

29 Estrutura de Barramento Linha de Endereço Identificam a origem e destino dos dados Ex: CPU precisa ler uma instrução (dados) de um determinado local de memória Largura do barramento determina a capacidade máxima de memória do sistema

30 Estrutura de Barramento Linha de Controle (1) Controlam o acesso e uso das 2 anteriores Transmitem sinais de comando e sincronização entre os módulos. Sinais de Sincronização Indicam a validade de dados e endereço

31 Estrutura de Barramento Linha de Controle (2) Sinais de comando Leitura e Escrita na memória Leitura e Escrita de E/S ACK de transferência Solicitação de barramento Concessão de barramento Requisição de interrupção ACK de interrupção Clock Reset

32 Estrutura de Barramento Os módulos utilizam os barramentos em duas situações: enviar e requisitar dados Enviar dados Obter o uso do barramento Transferir os dados Requisitar dados Obter o uso do barramento Enviar requisição Aguardar envio

33 Estrutura de Barramento Fisicamente são linhas de metal coladas a uma placa de circuito impresso. Em um arranjo clássico, em intervalos regulares existem pontos de conexão na forma de slots que facilitam a expansão e troca de componentes.

34 Hierarquia de Barramentos Múltiplos Muitos dispositivos em um barramento = desempenho prejudicado Motivos Atraso na propagação Torna-se um gargalo quando a demanda de transferência se aproxima da capacidade do barramento. Solução Hierarquia de barramentos Arquitetura Mezanino

35 Hierarquia de Barramentos

36 Arquitetura Mezanino

37 Elementos do Projeto de um Barramento Barramentos podem ser classificados em seu projeto quanto: Tipo de barramento Método de arbitração Temporização Largura do barramento Tipos de transferências de dados

38 Tipos de Barramentos Dedicado Linhas de dados e endereços separadas. Alta vazão Multiplexado Linhas compartilhadas Endereço de comando válido ou dados válidos Vantagem poucas linhas Desvantagens Controle mais complexo Redução do desempenho

39 Arbitração do Barramento Mais de um módulo pode precisar ter o controle do barramento Ex: Controladora da CPU e DMA Apenas um módulo pode controlar o barramento por vez Arbitragem pode ser centralizada ou distribuída

40 Arbitração Centralizada Um único dispositivos de hardware controla o acesso ao barramento Controlador do Barramento Árbitro Pode ser parte da CPU ou não

41 Arbitração Distribuída Cada módulo do sistema contém uma lógica de controle de acesso e os módulos agem de forma conjunta para compartilhar o barramento.

42 Temporização Coordenam os eventos no barramento Síncrona Eventos no barramento são determinados pelo clock Simples de implantar Assíncrona A ocorrência de um evento depende da ocorrência de um anterior Mais flexível com dispositivos novos e antigos no barramento.

43 Diagrama de Temporização Síncrona

44 Diagrama de Temporização Assíncrona

45 Largura do Barramento Dados Quanto mais largo, maior a transferência de bits por vez Endereço Quanto mais largo, maior o intervalo de locais que podem ser referenciados

46 Tipos de Transferências de Dados Leitura Escrita Ler-modificar-escrever Leitura-após-escrita Bloco

47 Exercícios 1. Defina barramento e barramento de sistema. 2. Lista e defina resumidamente os tipos de linhas de interconexão existentes. 3. Qual o benefício de usar a arquitetura de barramento múltiplo em comparação com uma arquitetura de barramento único? 4. Lista e defina resumidamente os tipos de classificação a que um barramento pode ser submetido.

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