Modelo Genérico de Módulo de E/S Grande variedade de periféricos

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1 Conteúdo Capítulo 7 Entrada/Saída Dispositivos externos Módulos E/S Técnicas de E/S E/S Programada E/S Conduzida por interrupções Processamento de interrupções Controlador Intel 82C59A Acesso Directo à Memória Canais de E/S e processadores Interface externo: FireWire e InfiniBand António Pina 11/05 2 Módulos de E/S para quê? Modelo Genérico de Módulo de E/S Grande variedade de periféricos Impraticável incorporar a lógica dentro do CPU Taxa de transferência é muitas vezes demasiado lenta Impraticável quando o dispositivo está directamente ligado ao barramento Dispositivos E/S usam diferentes formatos de dados António Pina 11/05 3 António Pina 11/05 4

2 Módulo E/S pode ser designado por... Canal de E/S ou processador de E/S Toma conta do processamento mais específico Representa um interface de alto nível com o CPU Controlador de E/S ou controlador de dispositivo Necessita controlo minucioso do CPU António Pina 11/ Dispositivos Externos Tipos de dispositivos externos Humano-legível usados para comunicar com o utilizador terminais de vídeo e monitores teclado rato impressora Máquino-legível usado para comunicar com equipamento electrónico discos magnéticos e sistema de banda magnética Comunicação usada para comunicar com dispositivos remotos modem Cartão de Interface de Rede/Network Interface Card (NIC) António Pina 11/05 6 Dispositivos Externos: Diagrama de Blocos 7.2 Módulos de E/S Funções dos Módulos Controlo & Temporização Comunicação com o CPU Comunicação com os Dispositivos Comandos, informação de status e dados Tamporização de Dados Dados da memória principal enviados para os módulos de E/S em rajadas rápidas Dados são tamporizados nos módulos de E/S e enviados para os dispositivos periféricos à sua própria taxa de transferência Detecção de erros Erros mecánicos Erros de transmissão António Pina 11/05 7 António Pina 11/05 8

3 Controlo e Temporização Coordenação do fluxo de tráfico entre recursos internos e dispositivos externos Exemplo CPU inquire módulo E/S acerca do status do dispositivo módulo E/S retorna status do dispositivo quando o dispositivo está pronto o CPU reclama os dados módulo E/S obtém os dados do dispositivos módulo E/S transfere os dados para o CPU Communicação com o CPU Descodificação de Comandos módulo de E/S aceita comandos do CPU Dados Relatório de status Ocupado e pronto Várias condições de erro Reconhecimento de Endereço Cada dispositivo de E/S tem um endereço próprio António Pina 11/05 9 António Pina 11/05 10 Taxas de Dados Típicas Diagrama de Blocos Módulo de E/S António Pina 11/05 11 António Pina 11/05 12

4 Técnicas de E/S E/S Programada E/S Conduzida por Interrupção Acesso Directo à Memória (DMA) António Pina 11/05 13 António Pina 11/ E/S Programada Vista geral CPU executa instrução de E/S Enviando um comando para o módulo de E/S Módulo de E/S executa a acção requerida Ajusta os bits apropriados do registo de status CPU testa os bits de status periodicamente Sem interrupções CPU espera que o módulo de E/S termine a operação Consome tempo de CPU Comandos de E/S CPU envia endereço Identifica o módulo (se dispositivo >1 por módulo) CPU emite comando Controlo usado para activar um dispositivo e.g. rotação de disco Teste usado para testar as condições de status de um dispositivo e.g. ligado? erro? Leitura/Escrita módulo transfere dados através do tampão de/para o dispositivo António Pina 11/05 15 António Pina 11/05 16

5 Endereçamento de Dispositivos E/S E/S no Espaço de Memória Dispositivos e memória no mesmo espaço de endereço E/S equivalente à leitura/escrita da memória Sem comandos especiais para E/S Disponível uma vasta selecção de comandos de acesso à memória E/S Isolada Espaços de endereçamento separadas Necessárias linhas de selecção de E/S ou de memória Comandos especiais para E/S Pequena variedade António Pina 11/05 17 António Pina 11/ E/S Conduzida por Interrupções Problemas com a E/S programada Processador tem de esperar muito tempo até os módulos de E/S ficarem prontos E/S conduzida por interrupção Módulo E/S deixa o processador saber quando está pronto Enquanto o CPU pode fazer outras coisas utéis Envia uma interrupção quando fica pronto António Pina 11/05 19 E/S Conduzida por Interrupção Vista Geral Ponto de vista do módulo E/S (Entrada) recebe um comando de leitura (READ) prossegue para ler dados do dispositivo emite uma interrupção e espera por um pedido do CPU coloca os dados no barramento e fica pronto para outro comando E/S Ponto de vista do CPU (Entrada) emite um comando de leitura (READ) faz outra coisa qualquer verifica se há interrupções no fim de cada ciclo de instrução se houver interrrupção, + salva o contexto (registos) do programa corrente + trata a interrupção o extrai os dados e guarda-os + restaura o contexto do programa interrompido António Pina 11/05 20

6 António Pina 11/05 21 António Pina 11/05 22 Tópicos de Projecto Como lidar com interrupções múltiplas? Processamento sequential e aninhado Como identificar o módulo responsável pela interrupção? Múltiplas linhas de interrupção Uma linha diferente por cada módulo Limitaria o número de dispositivos Sondagem por Software CPU pergunta a cada módulo, um a um Lenta Sondagem em cada cadeia (daisy chain) por hardware, vectorizada) Sinal de Reconhecimento de Interrupção enviado pela cadeia Módulo responsável coloca um vector no barramento CPU usa o vector para identificar a rotina de atendimento Arbitragem de Barramento (vectorizada) Módulo tem de solicitar o barramento antes de sinalizar a interrupção António Pina 11/05 23 Controlador de Interrupções Intel 82C59A 80x86 tem dois pinos para tratar interrupções um para INTR e o outro para INTA O controlador 82C59A é usado para tratar uma variedade dispositivos dispositivos externos são conectados através do controlador que se liga ao 80x86 tem 8 linhas de interrupção pode ser ligado em cascata para tratar até 64 módulos programável ligação em cascata rotativo máscara especial António Pina 11/05 24

7 Controlador de Interrupções Intel 82C59A Gestão de interrupções aceita interrupções de todos os módulos determina a prioridade assinala o 80x86 (INTR) CPU reconhece a interrupção (INTA) lança o vector apropriado no barramento de dados CPU faz o processamento da interrupção Controlador 82C59A António Pina 11/05 25 António Pina 11/05 26 Intel 82C55A Periférico Programável de Interface Um exemplo de módulo de E/S Circuito Integrado, módulo de propósito-geral Interface Externa 24 linhas E/S dividido em três grupos de 8-bits grupo C sub-dividisível em grupos de 4-bit + usado em conjunto com as portas A e B Interface Interna barramento de dados 8-bits 2 linhas de endereços 1 linha de selecção de integrado (CHIP SELECT) 1 linha de leitura e escrita (READ e WRITE) 1 linha de reinício (RESET) Intel 82C55A Periférico Programável de Interface António Pina 11/05 27 António Pina 11/05 28

8 Controlo Teclado/Visor Integrado 82C55A 7.5 Acesso Directo à Memória E/S programada e por interrupção requerem intervenção activa do CPU Taxa de transferência é limitada CPU fica envolvida na gestão e transferência da E/S Quando há grandes volumes de dados a movimentar o acesso DMA é o mais apropriado Módulo de DMA Conectado ao barramento de sistema Transferência de dados de/para a memória principal António Pina 11/05 29 António Pina 11/05 30 Acesso Directo à Memória Diagrama de Blocos de DMA CPU emite um comando para o módulo DMA Leitura ou escrita? Endereço do dispositivo de E/S envolvido Posição inicial na memória Número de palavras a ler/escrever CPU continua com outro trabalho Uma interrupção é emitida quanda a tarefa termina CPU é envolvida apenas no início e no final da transferência António Pina 11/05 31 António Pina 11/05 32

9 DMA e pontos de Interrupção Configuração DMA (1) Um único Barramento, Controlador DMA separado Cada transferência usa o barramento 2 vezes E/S para DMA depois DMA para memória CPU é suspensa 2 vezes António Pina 11/05 33 António Pina 11/05 34 Configuração DMA (2) Configuração DMA (3) Um único Barramento, Controlador DMA integrado Controlador pode suportar mais do que 1 dispositivo Cada transferência usa o barramento apenas 1 vez DMA para memória CPU suspenso apenas 1 vez António Pina 11/05 35 Barramento de E/S separado Expansível facilmente Cada transferência usao barramento apenas 1 vez DMA para a memória CPU suspenso apenas 1 vez António Pina 11/05 36

10 7.6 Canais e Processadores de E/S Evolução da função de E/S CPU controla directamente um dispositivo externo Adicionado controlador e usada E/S programada Adicionado controlador e E/S conduzida por interrupção Usado DMA Módulo E/S é um processador em si mesmo pode extrair e executar instruções de E/S sem intervenção da CPU chamado canal de E/S Módulo E/S é um processador com memória local própria uma vasta gama de dispositivos de E/S pode ser controlado com envolvimento mínimo da CPU chamado processador de E/S António Pina 11/05 37 Características dos Canais E/S Operação CPU inicia uma transferência de E/S indicando ao canal E/S um programa para executar na memória Programa especifica o dispositivo, a área na memória, a prioridade e outras acções O canal E/S segue as instruções e controla a transferência de dados Tipos de canais de E/S Canal selector dedicado, em cada momento, à transferência de dados com 1 dos dispositivos Canal multiplexador Trata da E/S de múltiplos dispositivos, ao mesmo tempo Multiplexagem ao octecto (byte) ou bloco António Pina 11/ Interface Externo E/S Paralela e Série Tipos de interfaces Paralelo Série Diálogo com o periférico (escrita) Módulo E/S emite um sinal de controlo pedindo permissão para enviar os dados Periféricos reconhecem o pedido Módulo E/S transfere os dados Periféricos reconhecem a recepção dos dados Módulo E/S tem um tampão interno Compensar as diferenças de velocidade entre o barramento de sistema e os dispositivos externos António Pina 11/05 39 António Pina 11/05 40

11 Interface Externo Conexão Ponto-a-ponto linha dedicada line entre módulo E/S e o dispositivo externo Multi-ponto barramentos externos usado para dar suporte aos dispositivos de armazenamento de massa e dispositivos de media FireWire e InfiniBand Barramento Série FireWire Norma IEEE 1394 para barramento série Rápido, baixo custo e fácil de realizar Usa transmissão série SCSI usa transmissão paralela Desvantagens da transmissão paralela mais fios, i.e., cabos e conectores caros isolamento para evitar interferências entre fios sincronização entre fios António Pina 11/05 41 António Pina 11/05 42 FireWire Configuration Configuração FireWire simples Sondagem em cadeia (daisy chain) Até 63 dispositivos pendurados numa única porta Ligação a quente conexão dispositivos sem desligar o sisitema Configuração automática sem ajuste manual da identificação dos dispositivos (IDs) Suporte à organização em árvore António Pina 11/05 43 António Pina 11/05 44

12 FireWire Três protocolos em camada Física Meio de Transmissão, características eléctricas e sinalização Ligação Transmissão de dados em pacotes Transacção Protocolo de pedido-resposta que esconde os detalhes da camada mais baixa FireWire Protocol Stack António Pina 11/05 45 António Pina 11/05 46 InfiniBand Estrutura do comutador InfiniBand Especificação E/S para servidores de alta-gama Resultante da fusão dos projectos:.future E/S (Cisco, HP, Compaq e IBM).Next Generation E/S (Intel) Arquitectura e especificação para fluxo de dados entre o processador e dispositivos inteligentes de E/S Pretendia substituir o barramento PCI em servidores Capacidade aumentada, expansibilidade e flexibilidade António Pina 11/05 47 António Pina 11/05 48

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