Aula 25: E/S: Controladoras, Mapeamentos e Técnicas

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1 Aula 25: E/S: Controladoras, Mapeamentos e Técnicas Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 1 / 37

2 Revisão Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 2 / 37

3 Na Aula Anterior Começamos a discutir o sistema de E/S O que é Exemplos de dispositivos Barramentos Também vimos um dispositivo de E/S em particular Estudo de caso O disco rígido Como funciona Como é organizado Tempo de acesso Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 3 / 37

4 Na Aula de Hoje Continuaremos falando sobre E/S Mas de forma mais genérica Ao invés de focar em um dispositivo específico Falaremos sobre: O papel dos controladores de E/S Tipos de mapeamento de endereços dos dispositivos de E/S Técnicas de acesso dos dispositivos de E/S Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 4 / 37

5 Controladores Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 5 / 37

6 Controladores: Introdução Em geral, dispositivos de E/S não estão diretamente ligados a um barramento Ao contrário, há um dispositivo intermediário realizando esta conexão Chamado de Controlador de E/S Algumas vezes, também chamado de Módulo de E/S O controlador se conecta tanto ao barramento de E/S, quanto ao dispositivo Recebe comandos e envia dados para a CPU Repassa estes comandos e interage com o dispositivo de E/S em si Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 6 / 37

7 Controladores: Possível Arquitetura Disco Rígido Monitor CPU Memória Controlador de Disco Controlador de Vídeo Barramento Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 7 / 37

8 Controladores: Por Quê? Por que não conectar os dispositivos de E/S diretamente aos barramentos? Vários motivos: Dispositivos de E/S diferentes possuem características diferentes Tempos de acesso Comandos Formato dos dados Controladores abstraem as diferenças e tornam o acesso aos dados homogêneo Controladores podem controlar múltiplas instâncias de um dado dispositivo de forma transparente eg, controladora de HD com múltiplos HDs conectados Controladores podem implementar funcionalidades extras Que teriam que ser realizadas pela CPU, caso contrário Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 8 / 37

9 Controladores: Funcionalidades Duas funcionalidades óbvias de um controlador de E/S são: Comunicação com a CPU Comunicação com o dispositivo de E/S Além disso, são funcionalidades comuns: Controle e temporização Bufferização dos dados Detecção de erros Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 9 / 37

10 Controladores: Exemplo de Interação entre CPU e Controlador CPU solicita estado do dispositivo ao controlador Controlador verifica o estado do dispositivo e responde à CPU Se o dispositivo está pronto: CPU solicita leitura de dados Controlador recebe solicitação e a traduz para comandos do dispositivo Dispositivo executa requisição e repassa dados para o controlador Controlador traduz dados para formato adequado para comunicação com o processador Controlador envia dados para o processador Processador armazenada dados em memória Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 10 / 37

11 Mapeamentos de Dispositivos de E/S Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 11 / 37

12 Mapeamentos: Motivação Do ponto de vista do programador, como acessar um dispositivo de E/S? Em outras palavras, como dizer ao processador que queremos realizar uma operação de E/S? Considere o seguinte exemplo: Queremos alterar a cor de um determinado pixel exibido no monitor Como pedimos ao processador para que isso seja feito? Neste exemplo, temos uma operação de saída de dados Queremos escrever a cor de um pixel ie, sabemos o que queremos escrever Mas qual é o endereço? Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 12 / 37

13 Mapeamentos: Tipos Há duas formas diferentes de lidar com este endereçamento de dispositivos de E/S: E/S mapeado em memória E/S mapeado por porta É comum que arquiteturas suportem ambas as formas Embora dispositivos de E/S complexos tendem a usar E/S mapeado por porta Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 13 / 37

14 Mapeamentos: Mapeamento em Memória No mapeamento em memória, dispositivos de E/S são associados a um ou mais endereços de memória Parte do espaço de endereçamento da MP é reservado para dispositivos de E/S Endereços não são acessíveis na MP Leituras ou escritas nestes endereços são capturadas pelos dispositivos de E/S Traduzidas em requisições de entrada ou saída de dados Instruções de leitura/escrita de memória são usadas para E/S eg, load word, store word Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 14 / 37

15 Mapeamentos: Mapeamento em Memória (Exemplo) type screentype = array[14000] of byte; var screen: screentype absolute $B800:0; begin screen[241]:= 70; screen[242]:= 76; screen[243]:= 65; screen[244]:= 76; screen[245]:= 67; screen[246]:= 76; end DOS: mapeamento da memória de vídeo em modo texto para uma faixa de endereços de memória Programas podiam tratar a memória de vídeo como um vetor ou matriz Normalmente com 4000 bytes Cada caractere correspondia a dois bytes: ASCII do caractere a ser exibido Informação de cor (fundo e fonte) Permitia funcionalidades como salvar e restaurar a tela Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 15 / 37

16 Mapeamentos: Mapeamento por Porta Também chamado de E/S isolado No mapeamento por porta, dispositivos são associados a outro tipo de endereço Um número de porta Há instruções especiais para ler/escrever em uma porta Exemplo (C, Linux): while(1) { } data = inb(port); if (data!= old_data) printf("%02x\n", data); old_data = data; sleep(1); Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 16 / 37

17 Mapeamentos: Comparação Para que o mapeamento em memória funcione, dispositivos de E/S precisam estar conectados (de alguma forma) ao mesmo barramento da MP No mapeamento por porta, pode-se usar um barramento isolado Dedicado para I/O Pode afetar o desempenho Por outro lado, mapeamento em memória simplifica lógica do processador Acesso à MP e a dispositivos de E/S é padronizado Não são necessárias instruções especializadas Arquiteturas como a x86 suportam ambos os métodos Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 17 / 37

18 Técnicas de Acesso Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 18 / 37

19 Técnicas de Acesso: Motivação E/S é bem mais lenta que processamento E que acessos à MP Uma vez que uma operação de E/S é requisitada, ela tipicamente demora vários ciclos de clock Perguntas: O que o processador faz neste período? Como ele sabe que a operação foi concluída? Resposta: depende da técnica de acesso utilizada E/S programada E/S por interrupção E/S por DMA Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 19 / 37

20 Técnicas de Acesso: E/S Programada Processo de transferência de dados é completamente controlado pela CPU Verifica estado do dispositivo Envia pedido Aguarda finalização Recebe os dados Durante a operação, CPU fica presa Ou ao menos gasta tempo para periodicamente verificar se a operação está pronta Também gasta tempo interagindo com o dispositivo/controlador Método ineficiente Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 20 / 37

21 Técnicas de Acesso: E/S Programada (Exemplo de Interação) CPU solicita operação ao dispositivo/controlador Parâmetros enviados pelo barramento Dispositivo realiza operação Enquanto isso, CPU periodicamente verifica se a operação terminou Chamado de polling ou interrogação Eventualmente, operação termina e controlador/dispositivo armazena esta informação Um registrador interno ou um bit de controle Em dado momento, CPU volta a verificar e identifica que a operação está pronta Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 21 / 37

22 Técnicas de Acesso: E/S Programada (Mais Formalmente) Envia Comando Interroga Estado Não Pronto? Ler Dado Sim Enquanto requisição não termina, processador pode: Fazer algo útil e, de tempos em tempos, verificar o status Ou simplesmente verificar constantemente o status O segundo caso é conhecido como espera ocupada Não Terminou? Sim Continue Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 22 / 37

23 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção E/S programada é muito ineficiente São gastos ciclos do processador, esperando pelo fim da operação Mesmo quando ações úteis são intercaladas ie, quando não utilizamos espera ocupada Ineficiência causada pela espera Não sabemos quanto tempo a operação demora Precisamos vericar de tempos em tempos O ideal seria que o dispositivo/controlador pudesse avisar quando a operação fosse concluída Processador ficaria completamente livre para realizar outras tarefas Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 23 / 37

24 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (II) Esta é exatamente a estratégia usada na E/S por interrupção Processador requisita determinada operação a um dispositivo/controlador Enquanto a operação é realizada, CPU realiza outras tarefas eg, executa outras instruções do programa Quando a operação é concluída, dispositivo/controlador gera uma interrupção Uma interrupção é apenas um sinal elétrico de aviso ao processador Uma vez recebido, processador para o que está fazendo e aciona um tratador de interrupções Trecho de código que lida com o evento Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 24 / 37

25 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Exemplo de Interação) CPU solicita operação ao dispositivo/controlador Parâmetros enviados pelo barramento Dispositivo realiza operação Enquanto isso, CPU fica livre para fazer outras atividades Eventualmente, operação termina e controlador/dispositivo gera o sinal de interrupção CPU recebe o sinal, dispara o tratador de interrupção que lê o dado do buffer do dispositivo/controlador Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 25 / 37

26 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Fluxo de Execução) Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 26 / 37

27 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Tratamento da Interrupção) As informações salvas antes do tratamento da interrupção são chamadas de contexto Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 27 / 37

28 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções) Note que múltiplas operações de E/S podem ser executadas simultaneamente Exemplo: CPU requisita leitura do HD Enquanto a leitura é feita, CPU requisita amostra do microfone Neste caso, ao receber uma interrupção, como a CPU sabe quem a gerou? No exemplo, a controladora de disco ou a placa de som? Várias soluções: Uma linha de interrupção para cada controlador/dispositivo Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 28 / 37

29 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções II) Várias soluções: Uma linha de interrupção para cada controlador/dispositivo Limita número de dispositivos Projeto mais caro e complexo Detecção por software Tratador de interrupções interroga cada dispositivo/controlador Ineficiente Arbitração de barramento Dispositivo/controlador precisa obter o controle do barramento Acessos simultâneos são resolvidos pelo próprio barramento Dispositivo transmite identificação da interrupção pelo barramento Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 29 / 37

30 Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções III) Note que interrupções podem ter prioridades diferentes Mensagem recebida na placa de rede pode ser mais importante que pequeno movimento do mouse Interrupções simultâneas de prioridades diferentes: Interrupção de prioridade mais alta é tratada primeiro Mesmo o tratamento de uma interrupção de baixa prioridade pode ser interrompido por interrupção de prioridade mais alta Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 30 / 37

31 Técnicas de Acesso: Interrupções (Mais Detalhes) Finalmente, note que interrupções não são usadas apenas para E/S Conceito importante nos computadores modernos Também são usadas para: Indicar condições de erro na execução de um programa eg, overflow, divisão por zero Auxiliar no gerenciamento dos recursos do computador pelo Sistema Operacional Implementar temporizadores Mais detalhes sobre interrupções e seus usos na disciplina de SO Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 31 / 37

32 Técnicas de Acesso: DMA O uso de interrupções é bem mais eficiente que a E/S programada Processador não precisa ficar verificando se a operação terminou Mas note que o processador ainda controla a execução da operação Considere, por exemplo, a tarefa de ler uma grande quantidade de dados do HD para a MP Processador requisita leitura do primeiro setor Processador fica livre para outras tarefas Quando há uma interrupção, processador lê dado do barramento e transfere para a MP Processador requisita leitura do próximo setor Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 32 / 37

33 Técnicas de Acesso: DMA (II) A cada interrupção, processador para o que está fazendo para dar sequência à operação Os ciclos usados para isso poderiam ser mais bem empregados executando instruções úteis ao programa Solução: Usar um dispositivo auxiliar, chamado de controlador de DMA CPU informa os parâmetros da E/S no início Controlador de DMA interage com o controlador/dispositivo de E/S Apenas quando a transferência estiver completamente concluída, controlador de DMA gera uma interrupção para a CPU Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 33 / 37

34 Técnicas de Acesso: DMA e Barramentos Controlador de DMA transfere dados de E/S diretamente para a MP Para isso, controlador precisa estar conectado ao barramento da MP Direta ou indiretamente Isso pode significar um prejuízo nos acessos da CPU à MP Mas, em geral, o desempenho com DMA é bastante superior em grandes transferências de dados Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 34 / 37

35 Técnicas de Acesso: DMA e Cache Suponha que processador requisita leitura de HD ao controlador de DMA Dados lidos devem ser escritos na MP a partir da posição X Mas a palavra endereçada por X na MP encontra-se atualmente em cache Logo após o controlador de DMA escrever na MP o novo valor desta palavra, CPU requisita leitura da posição X O que acontece? Valor encontra-se em cache Cache responde com o valor desatualizado Obtemos uma inconsistência na informação da cache Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 35 / 37

36 Técnicas de Acesso: DMA e Cache (II) De alguma forma, a consistência da cache precisa ser mantida Informação desatualizada precisa ser invalidade Duas soluções típicas: Por hardware: controlador de DMA avisa à cache sobre leituras/escritas na MP Por software: linhas da cache são invalidadas antes de uma requisição ao controlador de DMA Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 36 / 37

37 Técnicas de Acesso: Último Detalhe Note que a técnica de acesso é ortogonal ao método de mapeamento de E/S Isto é, podemos usar DMA, interrupções, E/S programada tanto para mapeamento em memória, quanto para mapeamento por porta Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 37 / 37