Sâmia Rodrigues Gorayeb. Arquitetura de Computadores Unidades de Entrada e Saída

Transcrição

1 Sâmia Rodrigues Gorayeb Arquitetura de Computadores Unidades de Entrada e Saída

2 Arquitetura de Computadores Unidades de Entrada e Saída Agenda: 1. Introdução 2. Função 3. Característica 4. Categorias 5. Formas de Comunicação 6. Formas de Transmissão 7. Tipos de Transmissão 8. Conclusão 9. Exercício cio 10.Trabalho

3 Introdução A unidade de entrada traduz informação (por exemplo, letras, números, n imagens, marcas magnéticas) de uma variedade de dispositivos de entrada em pulsos elétricos de forma que a CPU entenda. A unidade de saída traduz os dados processados, enviados pela CPU em forma de pulsos elétricos, em palavras ou números, que são impressos por impressoras ou mostrados em monitores de vídeo. v

4 Função Comunicação do usuário com o computador. Comunicação do computador com o meio ambiente. Armazenamento (gravação) de dados. Ler e transmitir dados. Coletar informações e introduzi-las na máquina, exibi-las ou imprimir os resultados do processamento, ou ainda controlar dispositivos externos.

5 Característica As características que regem a comunicação de cada um dos dispositivos de E/S (entrada e saída) com o núcleo n do computador (composto de UCP e memória principal) são muito diferentes entre si. Cada dispositivo de E/S se comunica com o núcleo de forma diversa do outro.

6 Característica (cont( Entre outras diferenças, os dispositivos de E/S são muito mais lentos que o computador, característica essa que impõe restrições à comunicação, de vez que o computador precisaria esperar muito tempo pela resposta do dispositivo. Outra diferença a fundamental diz respeito às características das ligações dos sinais dos dispositivos.

7 Característica (cont( A UCP não se comunica diretamente com cada dispositivo de E/S e sim com "interfaces", de forma a compatibilizar as diferentes características. A compatibilização de velocidades é feita geralmente por programa, usando memórias temporárias rias na interface chamadas "buffers" buffers" que armazenam as informações conforme vão chegando da UCP e as libera para o dispositivo à medida que este as pode receber.

8 Característica (cont( Inicialmente, a UCP interroga o dispositivo, enviando o endereço o do dispositivo e um sinal dizendo se quer mandar ou receber dados através da interface. O periférico, rico, reconhecendo seu endereço, responde quando está pronto para receber (ou enviar) os dados. A UCP então transfere (ou recebe) os dados através s da interface, e o dispositivo responde confirmando que recebeu (ou transferiu) os dados (acknowledge( ou ACK) ou que não recebeu os dados, neste caso solicitando retransmissão (not( not-acknowledge ou NAK).

9 Característica (cont( O processo de comunicação ("protocolo") é feito através s de transferência de informações de controle, endereços e dados propriamente ditos. Interface de E/S = Adaptador de Periférico, rico, Controladora de E/S, Processador de Periférico, rico, Canal de E/S.

10 Categoria Dispositivos de blocos: Blocos endereçá çáveis de tamanho fixo Exemplos: discos Dispositivos de caracteres Recebem/enviam fluxo de caracteres (sem estrutura de blocos). Sem endereçamento e sem operação de posicionamento (lseek( lseek). Exemplos: impressoras, interfaces de rede, mouses, teclado, vídeo, v etc.

11 Categoria (cont( Relógios (clocks( clocks): geram interrupções em intervalos bem definidos. Não se classificam em nenhuma das categorias.

12 Formas de Comunicação Paralelo: Na comunicação em paralelo, grupos de bits são transferidos simultaneamente (em geral, byte a byte) através s de diversas linhas condutoras dos sinais. Como vários v bits são transmitidos simultaneamente a cada ciclo, a taxa de transferência de dados ("throughput throughput") é alta. O processo de transferência em paralelo envolve um controle sofisticado e é razoavelmente complexo, o que o torna mais caro.

13 Formas de Comunicação (cont( Paralelo (cont( : Um dos problemas importantes diz respeito à propagação dos sinais no meio físico f (cabo de conexão entre o dispositivo e a interface). Essa propagação deve ocorrer de modo que os sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem simultaneamente à extremidade oposta do cabo, onde então serão re-agrupados em bytes.

14 Formas de Comunicação (cont( Paralelo (cont( : Os condutores que compõem o cabo usualmente tem pequenas diferenças físicas, f a velocidade de propagação dos sinais digitais nos condutores poderá ser ligeiramente diferente nos diversos fios. O comprimento também m pode influenciar em diferenças de velocidades de condução dos sinais (skew( skew). Caso isso ocorra os bits chegariam fora de ordem e a informação ficaria irrecuperável.

15 Formas de Comunicação (cont( Paralelo (cont( : Há limites para o comprimento do cabo que interliga um dispositivo ao computador, quando se usa o modo paralelo. Essas restrições contribuem para que a utilização da comunicação em paralelo se limite a aplicações que demandem altas taxas de transferência (Ex: HD, CD-ROM, DVD, ou mesmo impressoras) e se situem muito próximo do núcleo n do computador. Em geral, o comprimento dos cabos paralelos é limitado a até um máximo m de 1,5 metro.

16 Formas de Comunicação (cont( Paralelo (cont( :

17 Formas de Comunicação (cont( Serial: Os bits são transferidos um a um, através s de um único par condutor. Os bytes a serem transmitidos são serializados, isto é,, são "desmontados" bit a bit, e são individualmente transmitidos, um a um. Na outra extremidade do condutor, os bits são contados e quando formam 8 bits, são remontados, reconstituindo os bytes originais.

18 Formas de Comunicação (cont( Serial (cont( : Nesse modo, o controle é comparativamente muito mais simples que no modo paralelo e de implementação mais barata. Como todos os bits são transferidos pelo mesmo meio físico, f as eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Não é afetada por irregularidades do meio de transmissão e não háh skew. Transmissão mais lenta.

19 Formas de Comunicação (cont( Serial (cont( : Como os bits são transmitidos seqüencialmente encialmente um a um, sua utilização é normalmente indicada apenas para periféricos ricos mais lentos (Ex: teclado, mouse, etc). Como não tem problema de distância médias m ou longas é usado em redes locais e comunicações via linha telefônica usando modems. Tem recebido aperfeiçoamentos importantes (seja de protocolo, de interface e de meio de transmissão) que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão.

20 Formas de Comunicação (cont( Serial (cont( :

21 Formas de Comunicação (cont( Paralela x Serial: A transmissão serial vem aumento de velocidade. A da transmissão paralela tem boa velocidade, mas tem skew.

22 Formas de Transmissão Síncrona: O intervalo de tempo entre dois caracteres subseqüentes entes é fixo. Os dois dispositivos - transmissor e receptor - são sincronizados, pois existe uma relação direta entre tempo e os caracteres transferidos. Quando não háh caracteres a serem transferidos, o transmissor continua enviando caracteres especiais de forma que o intervalo de tempo entre caracteres se mantém m constante e o receptor mantém-se sincronizado.

23 Formas de Transmissão (cont( Síncrona (cont( : No início de uma transmissão síncrona, s os relógios dos dispositivos transmissor e receptor são sincronizados através s de um string de sincronização e então mantém-se sincronizados por longos períodos de tempo. A sincronização depende da estabilidade dos relógios e pode transmitir dezenas de milhares de bits antes de precisar re-sincronizar.

24 Formas de Transmissão (cont( Assíncrona: O intervalo de tempo entre os caracteres não é fixo. Como o fluxo não é homogêneo, não haveria como distinguir a ausência de bits sendo transmitidos de um eventual fluxo de bits zero e o receptor nunca saberia quando viria o próximo caractere, e portanto não teria como identificar o que seria o primeiro bit do caractere. É padronizado que na ausência de caracteres a serem transmitidos o transmissor mantém m a linha sempre no estado 1 (isto é,, transmite ininterruptamente bits 1, o que distingue também de linha interrompida).

25 Formas de Transmissão (cont( Assíncrona (cont( : Quando for transmitir um caractere, para permitir que o receptor reconheça a o início do caractere, o transmissor insere um bit de partida (start( bit) antes de cada caractere. Convenciona-se que esse start bit será um bit zero, interrompendo assim a seqüência de bits 1 que caracteriza a linha livre (idle( idle). Para maior segurança, a, ao final de cada caractere o transmissor insere um (ou dois, dependendo do padrão adotado) bits de parada (stop bits), convencionando-se serem bits 1 para distingüí üí-los dos bits de partida.

26 Formas de Transmissão (cont( Assíncrona (cont( : Os bits de informação são transmitidos em intervalos de tempo uniformes entre o start bit e o(s) stop bit(s). Logo o transmissor e receptor somente estarão sincronizados durante o intervalo de tempo entre os bits de start e stop.. A transmissão assíncrona também é conhecida como "start" start-stop".

27 Formas de Transmissão (cont( Síncrona X Assíncrona:

28 Tipos de Transmissão Simplex: Permite a comunicação apenas em um único sentido, tendo em uma extremidade um dispositivo apenas transmissor (transmitter( transmitter) ) e do outro um dispositivo apenas receptor (receiver( receiver). Não háh possibilidade do dispositivo receptor enviar dados ou mesmo sinalizar se os dados foram recebidos corretamente. Transmissões de rádio r e televisão são exemplos de transmissão simplex.

29 Tipos de Transmissão (cont( Half-Duplex Duplex: É quando existem em ambas as extremidades dispositivos que podem transmitir e receber dados, porém m não simultaneamente. Durante uma transmissão half-duplex duplex,, em determinado instante um dispositivo A será transmissor e o outro B será receptor, em outro instante os papéis podem se inverter. A operação de troca de sentido de transmissão entre os dispositivos é chamada de turn-around e o tempo necessário para os dispositivos chavearem entre as funções de transmissor e receptor é chamado de turn-around time.

30 Tipos de Transmissão (cont( Full-Duplex Duplex: É quando os dados podem ser transmitidos e recebidos simultaneamente em ambos os sentidos. É equivalente a duas linhas simplex,, uma em cada direção. Como as transmissões podem ser simultâneas em ambos os sentidos e não existe perda de tempo com turn-around around,, uma linha full-duplex pode transmitir mais informações por unidade de tempo (maior throughput) ) que uma linha half- duplex, considerando-se se a mesma taxa de transmissão de dados.

31 Tipos de Transmissão (cont(

32 Metodologia de Comunicação Entrada e Saída Programada (pooling( pooling): A CPU pergunta a cada dispositivo se alguém precisa ser atendido e não checa a prioridade. É simples de implementar, tendo vantagens em algumas aplicações. Entrada e Saída Controlada por Interrupção: Nesse caso a CPU não acessa um dispositivo até que ele precise de atenção. A interrupção ocorre de forma assíncrona,. Não interrompe operação crítica.

33 Metodologia de Comunicação (cont( Acesso direto à memória (DMA): Dispositivo que transfere os dados diretamente da memória para ela mesma em vez de usar a CPU como intermediária. ria.

34 Conclusão Ao contrário rio do que se pensa unidades de E/S não são somente conectores físicos, f são também m responsáveis pela comunicação lógica entre o núcleo, n barramento e a própria pria unidade.

35 Exercício cio 1. Explique para que servem as unidades de entrada e exemplifique. 2. Explique para que servem as unidades de saída e exemplifique. 3. Qual a principal função das unidades de entrada e saída? 4. Cite pelo menos uma característica de comunicação entre as unidades de entrada e saída e o núcleo n do computador.

36 Exercício cio 5. Explique como funcionam as duas categorias de unidades de entrada e saída. 6. Explique como funciona a comunicação em paralelo e serial das unidades de entrada e saída. 7. Explique as diferenças das formas de transmissão síncrona s e assíncrona.

37 Exercício cio 8. Explique os tipos de transmissão abaixo: 1. Simplex; 2. Half-duplex duplex; 3. Full-duplex duplex. 9. Explique como funcionam as metodologias de comunicação abaixo: 1. Entrada e saída programada; 2. Entrada e saída controlada por interrupção; 3. Acesso direto a memória.

38 Trabalho Escrito (2,0 pontos): Resumo de no máximo m 3 páginas p com uma introdução, função, característica (funcionamento, categoria e modo de comunicação entre o núcleo n do computador e a unidade de E/S), conclusão e um exercício cio (mínimo de 3 e máximo de 5 questões). Apresentação (2,0 pontos). Freqüência (1,0 ponto).