ARQUITETURA DE COMPUTADORES

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1 ARQUITETURA DE COMPUTADORES Entrada e Saída Prof Daves Martins Msc Computação de Alto Desempenho

2 William Stallings Arquitetura e Organização de Computadores 8 a Edição Capítulo 7 Entrada/saída slide 2

3 Lembrando... Quem coordena, em termos de software, o funcionamento dos dispositivos de E/S é o Sistema Operacional slide 3

4 Problemas de entrada/saída Grande variedade de periféricos: Entregando diferentes quantidades de dados. Em velocidades diferentes. Em formatos diferentes. Todos mais lentos que CPU e RAM. Precisa de módulos de E/S. slide 4

5 Módulo de entrada/saída Interface com CPU e memória. Interface com um ou mais periféricos. slide 5

6 Modelo genérico de módulo de E/S slide 6

7 Dispositivos externos Legíveis ao ser humano: Monitor, impressora, teclado. Legíveis à máquina: Monitoração e controle. Comunicação: Modem. Placa de interface de rede (NIC). slide 7

8 Diagrama em blocos de um dispositivo externo slide 8

9 Função do módulo de E/S Controle e temporização. Comunicação com CPU. Comunicação com dispositivo. Buffering de dados. Detecção de erro. slide 9

10 Etapas da E/S CPU verifica estado do dispositivo do módulo de E/S. Módulo de E/S retorna o estado. Se estiver pronto, CPU solicita transferência de dados. Módulo de E/S recebe dados do dispositivo. Módulo de E/S transfere dados à CPU. Variações para saída, DMA etc. slide 10

11 Diagrama do módulo de E/S slide 11

12 Decisões do módulo de E/S Ocultar ou revelar propriedades do dispositivo à CPU. Admitir dispositivo múltiplo ou único. Controlar funções do dispositivo ou sair para CPU. Também decisões do SO. P.e., Unix trata de tudo o que pode como arquivo. slide 12

13 Técnicas de E/S Programada. Controlada por interrupção. Acesso direto à memória (DMA). slide 13

14 E/S Programada

15 Três técnicas para entrada de um bloco de dados slide 15

16 E/S Programada Os dados são transferidos entre o processador (CPU) e o módulo de E/S CPU tem controle direto sobre E/S Detecção do estado do dispositivo Envio de comandos de Leitura/Escrita Transferência de dados CPU espera o módulo de E/S completar operação Desperdiço de tempo da CPU slide 16

17 E/S Programada - Detalhes 1. CPU requisita uma operação de E/S 2. Módulo de E/S executa a operação 3. Módulo de E/S ajusta os bits de estado 4. CPU interroga os bits de estado periodicamente 5. Módulo de E/S não informa a CPU diretamente 6. Módulo de E/S não interrompe a CPU 7. CPU pode esperar ou começar depois slide 17

18 Comandos de E/S CPU envia um endereço Identifica módulo e um externo CPU envia um comando Controle diz ao módulo o que fazer Por exemplo. Girar o disco Teste - checa o estado Por exemplo. Pode? Erro? Ligado? Leitura/Escrita Módulo transfere dados via buffer do/para o dispositivo slide 18

19 Endereçamento de Dispositivos de E/S Na E/S programada a transferência de dado é similar ao acesso à memória (ponto de vista da CPU) Cada dispositivo tem um identificador único Comandos da CPU contêm identificador (endereço) slide 19

20 Mapeamento de E/S Endereçamento Mapeado na Memória slide 20 Dispositivos e memória dividem um único espaço de endereço E/S simplesmente se parece com leitura/escrita da memória Não há comandos especiais para E/S São utilizados os mesmos para se fazer acesso à memória Endereçamento Independente Espaços de endereço separados Precisa linhas selecionadas para memória ou E/S Comandos especiais de E/S Conjunto limitado de comandos

21 E/S Dirigida por Interrupção

22 Três técnicas para entrada de um bloco de dados slide 22

23 E/S Dirigida por Interrupção Supera a espera da CPU (E/S Programada) Nenhuma repetição de checagem de dispositivos pela CPU Módulo de E/S interrompe quando estiver pronto slide 23

24 E/S Dirigida por Interrupção Operação Básica CPU envia um comando de leitura Módulo de E/S recebe os dados do periférico enquanto a CPU realiza outras instruções Módulo de E/S interrompe a CPU CPU requisita os dados Módulo de E/S transfere dados slide 24

25 Do Ponto de Vista da CPU Emite um comando de leitura Prossegue com a realização de outras instruções Verifica se há interrupção no fim de cada ciclo de instrução Se interrupção:- Salva contexto (registros) Processa a Interrompição Busca os dados e armazena Verifica as notas do SO slide 25

26 Processamento de interrupção simples slide 26

27 Mudanças na memória e registradores para uma interrupção slide 27

28 Aspectos de Projeto Como é identificado o módulo que emitiu a interrupção? Como lidar com múltiplas interrupções? Isto é, o tratador de uma interrupção foi interrompido? slide 28

29 Identificando Módulo que Enviou a Interrupção (1) Linhas diferentes para cada módulo Processador com número limite de pinos Limita o número de dispositivos Identificação por Software CPU pergunta a cada módulo, um por vez Técnica lenta slide 29

30 Identificando Módulo que Enviou a Interrupção (2) Daisy Chain ou Identificação por Hardware O processador recebe uma interrupção É enviado um reconhecimento que se propaga por uma série de módulos de E/S até checar àquele que causou a interrupção Módulo responsável coloca vetor de interrupção (palavra especial) no barramento de dados CPU usa vetor de interrupção para identificar rotina do tratador de interrupção Arbitração do Barramento Módulo deve reinvidicar o barramento antes de enviar interrupção slide 30 Por exemplo: PCI & SCSI

31 Interrupções Múltiplas Quanto diversas linhas são utilizadas, cada linha de interrupção tem uma prioridade Linhas com prioridade alta pode interromper linhas com prioridade baixa Identificação por software: ordem em que os módulos são interrogados determina prioridades Daisy chain: ordem dos módulos na conexão em cadeia circular determina a prioridade Arbitração do barramento: somente o mestre atual pode interromper slide 31

32 Acesso Direto à Memória

33 Três técnicas para entrada de um bloco de dados slide 33

34 Acesso direto à memória E/S controlada por interrupção e programada exige intervenção ativa da CPU. Taxa de transferência é limitada. CPU fica amarrada. DMA é a resposta. slide 34

35 Função do DMA Módulo adicional (hardware) no barramento. Controlador de DMA toma o comando da CPU para E/S. slide 35

36 Diagrama típico do módulo de DMA slide 36

37 Operação do DMA CPU diz ao controlador de DMA: Leitura/escrita. Endereço do dispositivo. Endereço inicial do bloco de memória para dados. Quantidade de dados a serem transferidos. CPU prossegue com outro trabalho. Controlador de DMA lida com transferência. Controlador de DMA envia interrupção quando terminar. slide 37

38 Transferência de DMA Roubo de ciclo Controlador de DMA assume o barramento por um ciclo. Transferência de uma palavra de dados. Não uma interrupção. CPU não troca de contexto. CPU suspensa logo antes de acessar o barramento. Ou seja, antes de uma busca de operando ou dados ou uma escrita de dados. Atrasa a CPU, mas não tanto quanto a CPU fazendo transferência. slide 38

39 DMA e pontos de interrupção durante um ciclo de instrução slide 39

40 Aparte Que efeito tem a memória caching sobre o DMA? E a cache da placa? Dica: o quanto os barramentos do sistema estão disponíveis? slide 40

41 Configurações de DMA Único barramento, controle de DMA separado. Cada transferência usa barramento duas vezes. E/S para DMA, depois DMA para memória. CPU é suspensa duas vezes. slide 41

42 Único barramento, controlador de DMA integrado. Controlador pode aceitar mais de um dispositivo. Cada transferência usa barramento uma vez. DMA para memória. CPU é suspensa uma vez. slide 42

43 Barramento de E/S separado. Barramento aceita todos dispositivos habilitados para DMA. Cada transferência usa barramento uma vez. DMA para memória. CPU é suspensa uma vez. slide 43

44 Comunicação S.O.(CPU) Controlador E/S mapeada na memória (a) Arquitetura com barramento único (b) Arquitetura com barramento duplo (dual) slide 44 4

45 Pois não Sr., um momento Contrato pronto, estou enviando Programa sem interrupção Secretária, por favor escreva o contrato agora para que eu possa assiná-lo; estou esperando. Ok, Obrigado Pois não Sr. Contrato pronto, posso enviá-lo? Programa com interrupção Secretária, por favor escreva o contrato agora, quando estiver pronto me avise. Um momento, estou terminado de escrever um ofício.... agora pode enviar o contrato, obrigado. (Após receber o contrato, o chefe continua fazendo as outras atividades...) Preciso enviar os contratos que estáo sobre a mesa do chefe para o correio Boy, por favor apanhe os contratos que estão na pasta sobre a mesa do chefe para mim. Por favor não incomode o chefe. Obrigada Acesso Direto à Memória Ok, obrigado. CPU Correio E/S Chefe, enviei os contratos que estavam sobre sua mesa. (Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da transação) Barramento slide 45

46 Acesso Direto à Memória (DMA) Operação de uma transferência com DMA slide 46 4

47 Como ocorre uma interrupção: conexões entre dispositivos e controlador de interrupção usam linhas de interrupção no barramento em vez de fios dedicados slide 47 4

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