Aula 8. Organização e arquitetura de Computadores SIF-220. Memória Externa e I/O. Prof. Christopher S. Cerqueira

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1 SIF-220 Organização e arquitetura de Computadores Aula 8 Memória Externa e I/O Prof. Christopher S. Cerqueira

2 Atividades de hoje Visão geral do sistema da memória externa. Magnético e ótico Dispositivos de Input/Output e suas características Seguindo livro-texto: Arquitetura e Organização de Computadores 5ª Edição William Stallings 2

3 Memória Externa 3

4 Pontos principais Discos magnéticos continuam o componente de memória externa mais importante. Para atingir alta performance, disponibilidade e confiabilidade é utilizado a tecnologia de RAID, para paralelizar e criar redundância de discos Armazenamento ótico é vastamente utilizado como media de transporte e backup. 4

5 Disco magnético Um HD (Hard Drive) é um disco (circular) construído de um metal não magnético (vidro), chamado substrato e coberto de um material magnetizável. 5

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7 Lendo e Escrevendo (Medição e Alteração da polaridade) 7

8 Organização dos dados e Formatação Tracks Anéis concêntricos Cada track tem a mesma largura. Milhares de tracks por superfície. São separados por espaçadores (gaps). Tracks são divididos em sectors. Centenas de sectors por track. Também são separados por gaps. E agrupados em blocks. 8

9 Organização dos dados e Formatação 9

10 Características físicas de um Sistema de Disco 10

11 Movimentação da cabeça Cabeça fixa Uma cabeça por trilha. Cabeças montadas num braço fixo. Cabeça móvel Uma cabeça por superfície. A cabeça se movimenta entre as trilhas 11

12 Portabilidade Disco não removível Disco interno ao sistema computacional Disco removível Disco que pode ser trocado por outro disco. Inicialmente era muito caro e as velocidades de acesso eram muito diferentes, hoje é comum, baratos e as velocidades são compatíveis. 12

13 Lados Duplos: Superfície magnetizável dos dois lados Singles: Superfície magnetizável em apenas um lado 13

14 Pratos Múltiplos pratos Múltiplos braços, cabeça móvel. Cabeças são alinhadas. O conjunto das trilhas dos pratos alinhados é chamado de cilindro. 14

15 Comparativo moderno 15

16 Parâmetros de performance Seek Time: Tempo de busca Tempo da cabeça móvel encontrar a trilha correta. Rotational Delay: Latência rotacional Tempo do inicio do setor chegar até a cabeça. Tempo de acesso = busca + latência Transfer rate (barramentos e outros equipamentos) 16

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18 RAID Redundant Array of Independent Disks Redundant Array of Inexpensive Disks Paralelização e distribuição de discos. O sistema RAID é transparente para o S.O. 18

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22 Discos óticos 1983 foi introduzido ao publico Primeiramente para áudio O CD era um disco que não poderia ser apagado, com uma capacidade de mais de 60 min (70min) de áudio. Comércio!!!! DINHEIRO Disco de poli carbono com uma folha de metal refletivo (alumínio) 22

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24 Compact Disk CD / CD-ROM (Compact Disk read-only memory) possuem a mesma tecnologia CD-ROM tem uma pequena camada a mais de material, e possui algoritmos de correção no equipamento. Gravados com laser. São realizados sulcos (BURACOOOS) físicos. Velocidade de rotação constante: 1,2 m/s trilhas na verdade única trilha espiral de 5,27km Na velocidade de leitura 73,2 minutos 24

25 CD-R graváveis Write-once / Read Many CD Gravações com laser de intensidade baixa. Se tornou uma forma mais barata para armazenar dados e documentos. 25

26 CD-RW - Regravável Pode ser repetidamente escrito e reescrito. Mudança de fase da reflexão ao inves de furos Alteração de modos cristalinos das moléculas. O material degrada com o tempo 26

27 DVD?????? Digital Video Disk Digital Versatile Disk Substituiu o VHS 27

28 DVD Tecnologia Multi-layer Capacidade 4.7Gb por layer Filme inteiro em um disco (MPEG) Padronização pelo mercado. Filmes ganharam a codificação por região. 28

29 HD DVD / Blu-Ray Utilização de um laser com uma onda muito pequena. Proximo do azul-violeta HD-DVD 15 GB uma camada e um lado Blu-Ray 25 GB em uma camada BD-ROM Read Only BD-R Recordable once BD-RE Re-recordable 29

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31 Input / Output 31

32 Pontos chaves A arquitetura de I/O é a interface para o mundo externo. Meio sistemático de controlar a interação com o mundo externo. São 3 técnicas principais de controle de I/O Programado: monitoramento direto e contínuo. Por interrupção: O programa pede atenções exporádicas para tratar o evento DMA: Um processador específico controla as operações de I/O. 32

33 1 Processador 2 Memórias 3 Módulos de I/O Uma variedade de periféricos diferentes Diferentes tipos de dados Diferentes velocidade Formatos diferentes Tudo muito mais lento que a CPU 33 e a RAM

34 Modulo de comunicação Tudo que é externo precisa de uma interface de comunicação com a CPU e a memória Interface para um ou mais periféricos ao mesmo tempo. 34

35 Categorias de Equipamentos Externos Leitura humana: Comunicação com o usuário Leitura de maquina: Monitoramento de dispositivos Comunicação: dispositivos remotos 35

36 Diagram de blocos de um E. Externo 36

37 Funcionalidade do Modulo de I/O Controle e temporização Comunicação com a CPU Comunicação com o equipamento Bufferização dos dados Detecção de erros 37

38 Passos para utilização CPU Verifica o status do I/O I/O retorna o status Se disponível, CPU requer transfêrencia I/O CPU Há variações evidentemente de acordo com a técnica de controle. 38

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40 Decisões Mostrar ou esconder propriedades para a CPU Suportar múltiplos ou apenas um equipamento Controlar as funções do equipamento ou deixar pra CPU Decisões referentes ao SO Ex.: pro Unix/Linux tudo é um arquivo 40

41 Técnicas de relação entre dispositivos Programado Por Interrupção Por DMA 41

42 Programado CPU tem o controle sobre o equipamento Verifica o status Escreve/Lê comandos Transfere dados CPU espera pelo modulo I/O para completar a operação CPU disperdiça tempo 42

43 Mais detalhadamente 1. CPU requer uma operação de I/O (via uma instrução) 2. Módulo I/O recebe o pedido 3. I/O configura bits de status do equipamento 4. CPU verifica esses bits periódicamente 5. Módulo I/O nao informa a CPU diretamente 6. Módulo I/O nao interrompe a CPU 7. Tudo ocorre comandado pela CPU 43

44 Por Interrupção CPU não precisa ficar esperando CPU não precisa ficar verificando constantemente Módulo I/O notifica quando está pronto 44

45 Operação básica 1. CPU faz um pedido de leitura 2. I/O pega o dado do periférico enquanto a CPU faz outras coisas 3. I/O envia um pedido de interrupção para a CPU 4. CPU aceita o pedido 5. Ocorre a transferência de dados 45

46 Do ponto de vista da CPU 1. Fazer pedido de leitura 2. Fazer outras atividade 3. Verificar por interrupção após cada ciclo de instrução. 4. Se ocorre interrupção 1. Salva o contexto na pilha 2. Realiza rotina de interrupção 46

47 ??????????? Como identificar o módulo que está pedindo atenção para interrupção? Como tratar multiplas interrupções? 47

48 Identificando Diferentes linhas para cada módulo Limita o número de dispositivos Software poll CPU pergunta cada modulo em turnos lento 48

49 Identificando Hardware Poll Interrupção é colocado num vetor (posição de memória), O módulo é responsável por colocar o vetor no barramento CPU usa o vetor para identificar a rotina de tratamento Bus Master 49 Módulo pede o barramento antes de informar uma interrupção (PCI)

50 Múltiplas Cada linha de interrupção tem uma prioridade Maiores prioridades podem interromper menores 50

51 Por DMA (Direct Memory Access) Tanto interrupção quanto programado requer utilização da CPU Taxa de transferencia do dispositivo é baixa CPU fica amarrada A solução é transferir o dado diretamente para a memória. 51

52 Função DMA Um módulo adicional de hardware no barramento O controlador DMA faz o papel da CPU para o dispositivo. 52

53 Operação DMA CPU diz para o controlador DMA Read/Write Endereço do equipamento Início do bloco de memória Quantidade a ser transferida CPU continua outras atividades DMA controla a tranferência DMA interrompe quando terminado 53

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56 AVISOS Semana que vem haverá aula: Arquitetura de Dispositivos Móveis: Motorola XOOM - Android Na próxima ( 8/11) a princípio não haverá aula. WRVA. Se houver será Revisão. Dia 15/11 é feriado (não haverá aula) Dia 22/11 prova Depois disso: Apresentação de trabalhos. 56

57 Nove trabalhos Tempo de apresentação ~ 30 minutos Apresentações: / / /12 57

58 Tema dos trabalhos Apresentação de arquitetura de elementos 1. Pendrive e Memory Card 2. Câmera digital 3. Celular simples 4. Placa de vídeo 5. ipad 6. Barramento USB 7. Roteador 8. Kinect 9. Impressora 58

59 Pendrive e Memory Card Assuntos necessário (fazer dos dois): Tipos de uso Formato das unidades de memória Chip que conversa com o barramento Diagrama de blocos das partes Esquema elétrico Se tem um chip de processamento interno, qual e mostrar sobre ele. Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador interno. 59

60 Câmera digital Assuntos necessários: Tipos de uso Formato da unidade de memória, se tem interno e o acesso ao cartão de memória ( RAM, armazenamento) Processador interno, mostrar o processador, ver características Elemento de captura Diagrama de blocos das partes Esquema elétrico Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador interno 60

61 Celular (pode ser smartphone não muda muito) Assuntos necessários: Tipos de uso Formato das unidades de memoria ( RAM, armazenamento) Processamento interno, mostrar o processador e ver características Elemento de comunicação Diagrama de blocos das partes Esquema elétrico Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador interno Se pegar smartphone, explique Wi-fi, Bluetooh, GPS e Sensores inerciais 61

62 Placa de vídeo Assuntos necessários Tipos de uso, fabricantes Formato da unidade de memória Processamento interno, Programação para a placa de vídeo : CUDA Tipos de vídeo HDMI, VGA e DVI Diagrama de blocos das partes Esquema elétrico Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador interno. 62

63 ipad Assuntos necessários: Tipos de Tablet, fabricantes Formato da unidade de memória Processamento interno ( Chip do processador). Programação em object_c Padrões de dispositivos externos Diagrama de blocos das partes Esquema elétrico Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador. 63

64 Barramento USB Assuntos necessários: Tipos de barramento para dispositivos PS2, ISA, PCI, PCIe Elementos do barramento: HOST, HUB Diferenças USB 1.0, 2.0 e 3.0 Pinos dos cabo, como funciona a transferência Diagrama do chip USB dentro do equipamento (ex.: HC08JB-JG-JT-JW) Esquema elétrico Mostrar os barramentos USB, chip, barramento do hardware específico. 64

65 Roteador Assuntos necessários Diferenciar: hub, switch, roteador, ponto de acesso Formato da unidade de memória para o firmware O que é firmware? Processamento interno Barramentos de conexão: Wi-fi, ethernet. Diagrama de blocos Esquema elétrico Mostrar os pontos de barramento, onde é a memória e onde é o processador 65

66 Kinect Assuntos necessários Outros dispositivos de captura de movimento Qual o funcionamento do Kinect, mapeamento e diferença de posição dos pontos Qual é o hardware, memória, processador, câmeras. Diagrama de blocos dos componentes Esquema elétrico Outras soluções para captura Mostrar os elementos de barramento, memória e processamento. 66

67 Impressora Assuntos necessários Como foi criado a impressora Qual o funcionamento físico e como é liberada a tinta Outras opções de impressora, Matricial, jato de tinta, laser. Funcionamento de impressora 3D, plotter. Qual é o hardware: memória, processador e câmera Diagrama de blocos dos componentes Esquema elétrico Mostrar os elementos de barramento, memória e processamento 67

68 Critérios de avaliação dos trabalhos Cobertura dos tópicos. Não importa quem apresentará. A presença e comportamento nas apresentações dos outros grupos A presença de todo o grupo na apresentação Postura de apresentação (gírias, bonés) 68

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70 Exercícios 1. Como são escritos dados em um disco magnético? 2. Como são lidos dados de um disco magnético? 3. Defina os termos, trilha, cilindro, setor e bloco. 4. Qual é o tamanho típico de um setor? 5. Defina seektime, rotational delay, access time e transfer time. 6. O que é tempo de busca médio? 7. O que é latencia de rotação média? 8. Qual é o total médio de tempo? 9. Liste e defina resumidamente as 3 tecnicas de I/O 10. Quando uma interrupção ocorre, como o processador determina qual o equipamento que pediu a interrupção? 70