Arquitetura de Computadores - Módulos de E/S. por Helcio Wagner da Silva

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1 Arquitetura de Computadores - Módulos de E/S por Helcio Wagner da Silva

2 Modelo Geral de um Módulo de E/S Barramento de Endereço Barramento de Dados Barramento de Controle Módulo de E/S Conexões com Dispositivos periféricos 2

3 Por que usar Módulos de E/S? Há uma grande variedade de periféricos, com diferentes mecanismos de operação É impraticável incorporar ao µp a lógica necessária para controlar vários dispositivos diferentes A taxa de transferência de dados dos periféricos é relativamente baixa Não faz sentido usar barramentos de alta velocidade para comunicação direta com um periférico Os periféricos usam freqüentemente formatos de dados e tamanhos de palavras diferentes dos usados internamente à máquina 3

4 Funções de um Módulo de E/S Controle e Temporização Comunicação com o µp Comunicação com dispositivos Área de armazenamento temporário de dados Detecção de erros 4

5 Exemplo da Função Controle e Temporização 1. O µp interroga o módulo de E/S para verificar o estado do dispositivo 2. O módulo retorna o estado do dispositivo 3. Se o dispositivo estiver em operação e pronto para transmitir dados, o µp requisitará a transferência enviando um comando para o módulo de E/S 4. O módulo de E/S obtém uma unidade de dados (p.ex., 8 ou 16 bits) do dispositivo 5. Os dados são transferidos do módulo de E/S para o µp 5

6 Tópicos Envolvidos na Função Comunicação com o µp Decodificação de comandos Conversão entre sinais transmitidos através do barramento de controle e comandos usados pelos dispositivos Dados São transferidos entre o µp e o módulo de E/S através do barramento de dados Informação de estado Lentidão dos periféricos faz com que seja importante conhecer o estado do módulo de E/S Reconhecimento de endereço O módulo de E/S deve reconhecer um endereço distinto para cada periférico controlado 6

7 A Função Comunicação com Dispositivos Sinais de controle Do módulo de E/S (READ/WRITE) Sinais de estado p/ o módulo de E/S (READY/NOT READY) Sinais de dados (bits) de e para o módulo de E/S Lógica De Controle Área de armazenamento temporário Transdutor Dados de e para o ambiente 7

8 A Função Armazenamento Temporário de Dados A transferência de dados da memória principal para o módulo de E/S é feita rapidamente Esses dados são temporariamente armazenados no módulo de E/S e então enviados para o dispositivo numa taxa adequada No caminho oposto, os dados são também armazenados temporariamente no módulo de E/S para não reter a memória numa transferência de dados a baixa velocidade O módulo de E/S deve ser capaz de realizar operações tanto à velocidade da memória quanto à do dispositivo externo 8

9 A Função Detecção de Erros Erros possíveis: Mau funcionamento elétrico ou mecânico Falha de alimentação de papel Trilha de disco defeituosa etc Alterações no padrão de bits transmitidos por um dispositivo para o módulo de E/S Bits de paridade (p.ex., 8º bit em 1 Byte contendo um caractere ASCII) 9

10 Estrutura Interna de um Módulo de E/S Interface com o barramento do sistema Interface com Dispositivos externos Linhas de dados Registradores de dados Registradores de estado/controle Lógica de interface com dispositivo externo Dados Estado Controle Linhas de endereço Linhas de controle Lógica De E/S Lógica de interface com dispositivo externo Dados Estado Controle 10

11 Técnicas Usadas para E/S Transferência entre memória e E/S por meio do µp Transferência direta entre memória e E/S Sem Interrupções E/S programada Com Interrupções E/S dirigida por interrupção - Acesso Direto à Memória (DMA) 11

12 E/S Programada Em um programa, a execução de uma instrução relacionada a E/S faz com que um comando seja enviado para o módulo de E/S O módulo de E/S executa a operação requisitada e sinaliza o seu término carregando um valor no registrador de estado Nenhuma ação é executada pelo módulo para alertar o µp sobre o término da operação É responsabilidade do µp verificar periodicamente o estado do módulo, para ver se a operação foi completada 12

13 Envia cmd de leitura para o módulo de E/S µp módulo de E/S Não pronto Lê o estado do módulo de E/S Verifica estado Pronto Lê uma palavra do módulo de E/S Escreve uma palavra na memória módulo de E/S µp Condição de erro módulo de E/S µp µp memória Não Terminou? E/S Programada Sim 13 Próxima instrução

14 Endereçamento de dispositivos de E/S E/S mapeada na memória Há um único espaço de endereçamento para posições de memória e dispositivos de E/S Exemplo: Endereçamento de Byte Endereços de 10 bits 1024 Bytes Endereços 0-511: memória principal Endereços : dispositivos de E/S E/S independente Espaço de endereçamento de E/S é independente do espaço de endereçamento da memória 14

15 E/S Mapeada na Memória pronto 0 ocupado Registrador de dados de entrada do teclado Registrador de controle e de estado de entrada do teclado Atribuir 1 para iniciar a leitura ENDEREÇO INSTRUÇÃO OPERANDO COMENTÁRIO 200 Carregar acumulador Armazenar acumulador 517 Iniciar leitura do teclado 202 Carregar acumulador 517 Obter byte de estado 203 Desviar se sinal = Repetir até que esteja pronto 204 Carregar o acumulador 516 Carregar byte de dados 15

16 E/S Independente ENDEREÇO INSTRUÇÃO OPERANDO COMENTÁRIO 200 Iniciar E/S 5 Iniciar leitura do teclado 201 Testar E/S 5 Testar se a operação foi completada 202 Desviar se não pronto 201 Repetir até que seja completada 203 Leitura 5 Carregar byte de dados Acesso aos dispositivos de E/S é feito através de instruções especiais (comandos) 16

17 E/S Dirigida por Interrupção μp envia um comando de E/S para o módulo e continua a executar outras instruções O módulo de E/S interrompe o μp quando ele (módulo) estiver pronto para trocar dados μp efetua a transferência de dados e depois retorna ao seu processamento original É mais eficiente que a E/S programada, pois elimina ciclos de espera desnecessários 17

18 Envia cmd de leitura para o módulo de E/S Lê o estado do módulo de E/S µp módulo de E/S Executa outras instruções módulo de E/S µp Interrupção Verifica estado Pronto Lê uma palavra do módulo de E/S Condição de erro módulo de E/S µp E/S Dirigida por Interrupção Não Escreve uma palavra na memória Terminou? Sim µp memória Próxima instrução 18

19 Processamento da Interrupção Módulo de E/S envia uma interrupção μp termina execução da instrução corrente μp reconhece a interrupção μp armazena PSW e PC na pilha de controle μp carrega novo valor no PC, conforme interrupção Demais informações de estado são armazenadas Processamento da interrupção Informações de estado do processo são restauradas Antigos valores de PSW e PC são restaurados Hardware Software 19

20 Processamento da Interrupção Y PC T R Topo Y Início N N+1 T N+1 Programa de usuário Y+L Retorno Rotina de tratamento de interrupção Pilha de controle 20

21 Processamento da Interrupção Y PC... Registradores T-M R Topo Y Início N N+1 T-M T-1 T N+1 Programa de usuário Y+L Retorno Rotina de tratamento de interrupção Pilha de controle 21

22 Processamento da Interrupção Y+L PC... Registradores T R Topo Y Início N N+1 T-M T-1 T N+1 Programa de usuário Y+L Retorno Rotina de tratamento de interrupção Pilha de controle 22

23 Processamento da Interrupção N+1 PC Y Início N N+1 T N+1 Programa de usuário Y+L Retorno Rotina de tratamento de interrupção Pilha de controle 23

24 Identificação de Dispositivos Técnicas utilizadas: Múltiplas linhas de interrupção Na prática, poucas linhas de μp são usadas para solicitação de interrupções Identificação por software Consome muito tempo Identificação por hardware (vetorada) Consome menos tempo que a identificação por SW Arbitração do barramento (vetorada) Consome menos tempo que a identificação por SW 24

25 Identificação de Dispositivos múltiplas linhas de interrupção Módulo de E/S Dispositivo μp INTR#0 INTR#1 INTR#N... Módulo de E/S Dispositivo... Módulo de E/S Dispositivo 25

26 Identificação de Dispositivos identificação por software Quando o μp detecta uma interrupção, ele desvia a execução para uma rotina de tratamento de interrupções Esta rotina interroga cada módulo de E/S, para determinar qual deles causou a interrupção Metodologias de interrogação: Linha de teste especial (TEST I/O) + colocação de endereços dos módulos no barramento de endereços Leitura de registradores de estado Identificado o módulo, sua rotina de tratamento de interrupção específica é chamada 26

27 Identificação de Dispositivos identificação por hardware μp Módulo de E/S Módulo de E/S Módulo de E/S Módulo de E/S O sinal de reconhecimento de interrupção se propaga pelos módulos de E/S, até chegar àquele que originou a interrupção Esse módulo responde colocando uma palavra de dados, chamada vetor de interrupção, nas linhas de dados O vetor de interrupção contém o endereço do módulo de E/S, e serve para que o μp acione a rotina de tratamento de interrupção adequada ao dispositivo 27

28 Identificação de Dispositivos - arbitração do barramento Para enviar um sinal de interrupção, o módulo de E/S precisa inicialmente obter o controle do barramento Quando o μp detecta a interrupção, ele responde por meio da linha de reconhecimento de interrupção O módulo de E/S que causou a interrupção coloca seu vetor na linha de dados 28

29 O Controlador Intel 82C59A O Intel possui: Uma única linha de requisição de interrupção (INTR) Uma única linha de reconhecimento de interrupção (INTA) Para manipular vários dispositivos e estruturas de prioridade, ele é normalmente configurado com um controlador de interrupções externo, o Intel 82C59A Os módulos de E/S são conectados ao 82C59A, que por sua vez é conectado ao

30 O Controlador Intel 82C59A INTR INTR IR0 IR1 Módulo de E/S 00 Módulo de E/S 01 IR2 Módulo de E/S INTA INTA IR7 Módulo de E/S 07 Caso seja preciso controlar mais de oito módulos, pode ser usado um arranjo em cascata possibilitando controlar até 64 módulos 30

31 O Controlador Intel 82C59A O 82C59A é programável Modos de programação possíveis: Totalmente aninhado As requisições de interrupção são ordenadas de acordo com as prioridades de 0 (IR0) a 7 (IR7) Circular Num mesmo grupo de dispositivos, aquele que foi mais recentemente atendido recebe a prioridade mais baixa Máscara especial Possibilita ao μp inibir interrupções de determinados dispositivos 31

32 O Módulo de E/S Intel 82C55A Pode ser programado para E/S programada ou E/S dirigida por interrupção Como interface externa para dispositivos, possui 3 grupos de linhas de 8 bits (A, B e C) Em um modo de operação específico, os 3 grupos funcionam como 3 portas de E/S Nos demais modos, as linhas dos grupos A e B funcionam como portas de E/S e as do grupo C como linhas de controle para os grupos A e B 32

33 O Módulo de E/S Intel 82C55A Registrador de Dados Barramento de 8 bits Barramento de dados do A Alimentação +5V Terra 4 C A Linhas de endereço A 0 A 1 Read Write Reset CS Lógica De Controle 8 Registrador de Controle 4 8 C B B buffers 33

34 34 R0 R1 R2 R3 R4 R5 Shift Control Data Ready Acknowledge Teclado S0 S1 S2 S3 S4 S5 Backspace Clear Data Ready Acknowledge Blanking Clear Line Monitor de Vídeo 82C55A A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 C4 C5 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 C6 C7 Porta de entrada Porta de saída Requisição de interrupção C3 Requisição de interrupção C0

35 Acesso Direto à Memória (DMA) Envolve um módulo adicional no barramento do sistema Esse módulo, denominado controlador de DMA, imita o μp nas funções de E/S de dados O controlador de DMA pode operar das seguintes maneiras: Usando o barramento apenas quando o μp não o utiliza Forçando o μp a suspender temporariamente sua operação técnica conhecida como roubo de ciclo 35

36 Roubo de Ciclo Tempo Ciclo de instrução Ciclo do μp Ciclo do μp Ciclo do μp Ciclo do μp Ciclo do μp Ciclo do μp Busca de instrução Decod. de instrução Busca de operando Execução de instrução Armazenam. de resultado Proc. de interrupção Pontos de suspensão de DMA Pontos de suspensão de interrupção 36

37 Acesso Direto à Memória (DMA) Envia cmd de leitura para o módulo de E/S µp controlador DMA Executa outras instruções Lê o estado do controlador DMA Controlador DMA µp Interrupção Próxima instrução 37

38 Estrutura Interna de Um Módulo DMA Contador de dados Linhas de dados Linhas de endereço DMA Request DMA Acknowledgement Interrupt Read Write Registrador de dados Registrador de endereços Lógica de Controle 38

39 Configurações de DMA Algumas possibilidades: Barramento único, DMA separado Barramento único, DMA-E/S integrados Barramento específico de E/S 39

40 Configurações de DMA Barramento Único, DMA separado μp DMA E/S... E/S Memória Barata Ineficiente a transferência de cada palavra consome vários ciclos de barramento 40

41 Configurações de DMA - Barramento Único, DMA-E/S Integrados μp DMA DMA Memória E/S E/S E/S Custosa Eficiente 41

42 Configurações de DMA - Barramento Específico de E/S Barramento do sistema μp DMA Memória Barramento de E/S Custosa Eficiente E/S E/S E/S 42

43 Evolução: canais e processadores de E/S 1. μp controla diretamente dispositivos 2. Módulos de E/S são adicionados 3. Interrupções são utilizadas 4. É introduzido o módulo de DMA 5. O módulo de E/S evolui para um canal, e executa programas de E/S carregados da memória principal 6. O canal evolui para um processador, possuindo sua própria memória local 43

44 Tipos de Canais Seletores Dedicam-se à transferência de dados apenas com um único dispositivo por vez Multiplexadores Transferem dados de/para vários dispositivos simultaneamente 44

45 Canal Seletor Memória principal μp Canal Seletor Módulo de E/S Módulo de E/S dispositivo dispositivo dispositivo 45

46 Canal Multiplexador Memória principal μp Canal Multiplexador Módulo de E/S dispositivo Módulo de E/S dispositivo dispositivo Módulo de E/S dispositivo 46