Entradas/Saídas. Programação por espera activa Programação por interrupções

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1 Entradas/Saídas Programação por espera activa Programação por interrupções

2 Programação por espera activa 1. O programa lê o estado do periférico: CPU pede ao controlador (IN) o valor no registo ESTADO O controlador retorna o seu estado 2.Se o controlador está disponível, o programa faz um pedido de transferência: Se é para uma saída, o programa envia os dados: CPU escreve os dados a sair para registo DADOS (OUT) O CPU escreve o comando para enviar no registo COMANDO (OUT) Se é uma entrada, o programa lê os dados que chegaram: CPU lê o registo DADOS (IN) CPU escreve o comando para ler de novo no reg. COMANDO (OUT) 3. O controlador transfere dados de/para o periférico Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 641

3 Programação por espera activa 1. O CPU requer uma operação 2. O CPU interroga repetidamente o controlador do periférico (bits de ESTADO) para saber se a operação anterior já terminou O CPU pode esperar (com grande desperdício de tempo de CPU) ou voltar a testar mais tarde O controlador fica a efectuar a operação O controlador posiciona os seus bits de estado (registo de ESTADO) O controlador de E/S não informa o CPU directamente e não interrompe o que o CPU está a fazer Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 642

4 Inconvenientes do uso da espera activa Os dispositivos de E/S são muito lentos e o CPU vai passar grande parte do tempo nos ciclos de espera Enquanto se espera há potencial para o CPU executar muitas instruções Os controladores que só suportam espera activa são muito simples do ponto de vista hardware, mas implicam um grande desperdício de tempo de CPU Se o CPU executa outras operações o periférico pode entretanto ficar disponível e logo, desocupado desperdício do periférico Mau para o controlo "simultâneo" de múltiplos periféricos Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 643

5 Exemplo: Porta série do PC PC COM1: CPU Controlador da 1ª porta série TX Ligação RS232 RX Modem ou outro dispositivo Bus de entradas/saídas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 644

6 RS-232 ou V.24 A norma inclui: Aspectos físicos : Fichas, cabos, tensões (Volts), etc. Características da comunicação: Taxa de transferência, sincronização, detecção de erros, etc. Exemplo simples: Grupo de 8 bits, 1 start bit, 1 stop bit e 1 bit paridade par TX Stop Bit Bit paridade Enviar letra A = Start bit RX Ponto de sincronização Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 645

7 Interface do controlador PC UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) CPU 0x3FD (R) 0x3F8 (W) 0x3F8 (R) LSR THR RBR COM1: TX Ligação RS232 RX Dispositivo Bus de entradas/saídas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 646

8 Interface da UART A interface de programação oferecida esconde os detalhes da comunicação série Interacção com o controlador por bytes de dados Suporta full-duplex: 1 reg dados a enviar (THR Transmitter Holding Register) e 1 reg. de dados recebidos (RBR Read Buffer Register) Registo de estado (LSR Line Status Register) THR vazio RBR pronto Vários registos de comando/controlo para programar as características da comunicação Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 647

9 Porta série: envio Suponha-se a existência das duas seguintes funções C que são equivalentes às instruções máquina IN e OUT: unsigned char inbyte(unsigned int port); void outbyte(unsigned int port, unsigned char byte); Para enviar um byte pela porta série teremos: void send_serial (unsigned char b ) { unsigned char s; do { s = // Conteúdo do registo de estado (LSR) } while ( /* bit THR vazio de LSR == 0 */ ); // Escrever b para o registo de dados a enviar } Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 648

10 Porta série: recepção Para receber um byte teremos: unsigned char receive_serial( ) { unsigned char s; } do { s = // Conteúdo do registo de estado (LSR) } while ( /* bit RBR pronto de LSR == 0 */ ); return // Conteúdo do registo de dados a receber Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 649

11 Exemplos em assembly mov dx, 3fdH esperaout: in al, dx ; lê o RegEstado para o CPU (reg AL) and al, B ; testar bit 5 (THR pronto) jz esperaout mov al, [Caracter_a_Enviar] mov dx, 3f8H out dx, al ; envia o carácter para o THR mov dx, 3fdH esperain: in al, dx and al, 1 jz esperain mov dx, 3f8H in al, dx ; lê o RegEstado para o CPU (reg AL) ; testar bit 0 (RBR pronto) ; lê o carácter do RBR Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 650

12 Device Driver Device Driver: conjunto de subrotinas para efectuar operações de entrada/saída, escondendo os detalhes de controlo da interface de um periférico Escondem detalhes do hardware Ex: vários fabricantes de placas de som, mas muitas das funcionalidades são comuns a todas e podem ser vistas da mesma maneira Estas rotinas fazem parte do SO Só o SO é que gere o acesso aos periféricos Oferece abstracções e funcionalidades de mais alto nível para os programas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 651

13 Níveis no I/O Exemplo para a porta série: O device driver controla a interface da porta Oferece ao SO operações de leitura e escrita de bytes nas portas série O SO oferece aos programas um canal virtual de comunicação: stream de bytes Permite (ou não) que vários programas usem as portas série em cada instante, sem interferirem Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 652

14 Dois modos de operação A partilha de recursos exige que um programa incorrecto não prejudique outros programas (ou outros utilizadores) O Sistema de Operação não pode perder o controlo dos periféricos Um programa não pode aceder directamente a um periférico sem que o SO confirme as permissões e se o acesso pretendido não é, por exemplo, inválido. Como impedir os programas normais de usar as instruções de I/O? Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 653

15 Modo utilizador/supervisor O CPU tem de suportar pelo menos dois modos de operação: 1. Modo utilizador CPU está a executar por conta de um programa normal 2. Modo supervisor (kernel mode or system mode) Execução de código do SO No modo utilizador o CPU não executa as instruções consideradas privilegiadas Obtém-se uma excepção e passa a executar código do SO para tratamento do erro Para algumas operações os programas têm de efectuar pedidos ao SO o CPU muda então para modo supervisor. Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 654

16 Modo utilizador/supervisor Instruções privilegiadas só podem ser executadas em modo supervidor logo, pelo SO pedido ao SO supervisor utilizador retorno ao programa Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 655

17 Protecção do I/O É preciso garantir que um programa utilizador nunca execute o seu código em modo supervisor (podia fazer o que quisesse aos periféricos) Todas as instruções de I/O são privilegiadas! (IN e OUT nos Intel) Existem mais instruções privilegiadas a não ser que o SO não use esses dois modos do CPU e execute os programas sempre um modo supervisor... por ex.: MS-DOS, pois o 8086 não possui esses modos. Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 656

18 I/O sem espera activa Um programa executa código no CPU que requer uma operação num controlador O CPU continua a executar código do programa ou outro programa Quando a notificação chega, o CPU pode voltar ao programa e este desencadeia a próxima operação O controlador recebe o pedido e fica a efectuar a operação O controlador quando terminar a operação pedida pelo programa, notifica o CPU Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 657

19 Notificação de eventos por interrupções Perante uma alteração no estado do periférico, o controlador notifica o CPU, interrompendo a sua normal execução O CPU passa a executar o código indicado para o tratamento desse evento CPU Interrupção Controlador periférico Periférico Interface Bus I/O Bits com dados Bits com comandos Interface Bus I/O Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 658

20 Exemplo para a Porta Série Se o controlador enviar um sinal de cada vez que chega um byte: Não é necessário ficar em espera activa, testando se já chegou um byte Mas temos de indicar a rotina para o tratamento desse sinal, com o código para ler do controlador o byte chegado O que fazer com os dados recebidos? Guardar num buffer de dados recebidos Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 659

21 Vantagens das interrupções O controlador actua autonomamente depois do CPU indicar a operação de transferência; quando esta termina o controlador envia uma interrupção ao CPU. Durante as operações dos periféricos, o CPU fique disponível para executar outro código, sem perda de tempo em ciclos de espera activa, a testar o estado do periférico Resolve o problema do desperdício do CPU. Permite que o CPU continue a efectuar computações enquanto decorre a transferência de dados Permite resolver a questão da desadequação das velocidades do CPU e dos periféricos Quando o periférico fica disponível para novo pedido, avisa imediatamente o CPU, podendo o programa efectuar logo novo pedido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 660

22 Uma E/S controlada por interrupções Exemplo de leitura (Entrada): 1. CPU emite um comando de leitura 2. O controlador de E/S obtém dados do periférico enquanto o CPU faz outra coisa 3. O controlador de E/S interrompe o CPU 4. O CPU executado a rotina que lê os dados do controlador e efectua novo pedido 5. O CPU retoma o que estava a executar quando foi interrompido Idêntico para a escrita (Saída) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 661

23 Interrupções O controlador do periférico fica responsável por assinalar eventos ao CPU através de uma linha (Interrupt Request): Estes eventos podem ser qualquer alteração no estado do periférico ou seu controlador Ao receber um sinal, o CPU interrompe a sequência normal de execução de instruções: Guarda o estado corrente do CPU Força um salto (como um call) para uma subrotina de tratamento do evento Terminada a subrotina, o CPU retoma o estado guardado Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 662

24 Contexto de execução Excepto pelo intervalo de tempo decorrido, o programa interrompido não se deve aperceber da ocorrência da interrupção! A quando do tratamento de uma interrupção o estado da computação interrompida não pode ser alterado O estado corrente duma computação: estado corrente do CPU (conteúdo dos registos e flags), estado da memória Que parte é guardada pelo mecanismo de interrupções e que parte tem de ser programada na rotina de tratamento? Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 663

25 Tratamento das Interrupções O hardware faz o mínimo essencial: Guarda o Program Counter e as Flags Passa à execução do código para tratar o evento em causa Esta rotina de tratamento (ou serviço) não deve alterar o estado do programa interrompido Se a rotina de tratamento vai usar diversos registos do CPU, deve guardá-los antes de os usar e repor tudo no fim Os dados a enviar ou recebidos são trocados usando buffers em memória Exemplo: quando chega um novo carácter, a rotina de tratamento para esta situação, põe este num buffer em vez de executar todo o programa que vai usar este carácter Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 664

26 Ciclo do CPU com Interrupções Em cada ciclo de execução das instruções verifica se há interrupção Obtenção (fetch) da instrução Descodificação e execução da instrução faz o equivalente a: push flags call RotTratamento Sim Interrupção pendente? Não Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 665

27 Problemas a resolver Como identificar a interrupção? Motivo da interrupção Que rotina executar? Como lidar com múltiplas interrupções? Uma rotina de tratamento de interrupções pode ser, por sua vez, interrompida? Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 666