Aula 24: E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos

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1 Aula 24: E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 1 / 30

2 Revisão Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 2 / 30

3 Nas Aulas Anteriores Temos discutido sobre o processador, execução de programas, linguagem de montagem Vimos como um processador implementa um conjunto de instruções Vimos como programas são traduzidos para a linguagem de montagem E para instruções binárias Falamos sobre o carregamento dos programas Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 3 / 30

4 A Partir de Hoje Vamos alterar o foco do curso Abordar um outro sub-sistema de um computador Vamos os dispositivos de Entrada e Saída O que são Exemplos Como funcionam Particularmente, utilizaremos o HD como estudo de caso Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 4 / 30

5 Conceitos Básicos Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 5 / 30

6 O Que é Entrada e Saída? Processo pelo qual um processador se comunica com o mundo externo Um usuário humano Outro sistema computacional Sensores, atuadores Comunicação pode se dar em dois sentidos: Entrada: processador recebe dados do mundo externo Saída: processador envia dados para o mundo externo Alguns dispositivos de E/S são unidirecionais, outros são bidirecionais Também referenciado pela sigla em inglês I/O Input/Output Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 6 / 30

7 Dispositivos de E/S: Alguns Exemplos Dispositivos de entrada: Teclado Mouse Acelerômetro GPS Câmera Kinect Dispositivos de saída: Impressora Monitor Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 7 / 30

8 Dispositivos de E/S: Alguns Exemplos (II) Dispositivos de entrada e saída: Tela sensível ao toque Placa de som HDs, pendrives, Interface de rede (Ethernet, Wifi, Bluetooth, ) Modem Porta serial Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 8 / 30

9 E/S e Barramentos UCP Processador se comunica com outros dispositivos através de barramentos Meios de comunicação (potencialmente) compartilhados Vários dispositivos conectados ao mesmo barramento Barramentos podem ser interligados a outros barramentos Através de pontes ou bridges Placa Gráfica Gerador de Clock Barramento Gráfico de Alta Velocidade (AGP ou PCI Express) Barramento PCI Chipset Front-side bus Northbridge (hub controlador da memória) Barramento Interno Southbridge (hub controlador de E/S) IDE SATA USB Ethernet Audio Codec CMOS Memory Barramento de Memória Barramento PCI Bancos de Memória Placa Gráfica On-Board Cabeamentos e Conectores Slots PCI Flash ROM (BIOS) LPC Bus Super I/O Porta Serial Porta Paralela Teclado Mouse Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 9 / 30

10 Estudo de Caso: Disco Rígido Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 10 / 30

11 O Disco Rígido Um dos dispositivos de E/S mais comuns em computadores modernos Embora comece a ser substituído por outras tecnologias, como SSD Importante por também atuar como um tipo de memória Memória secundária, na hierarquia Nível mais baixo Grande capacidade, relativamente barato, mas lento Também chamado de HD (do inglês Hard Drive) Em oposição aos discos magnéticos flexíveis, como disquetes Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 11 / 30

12 O Disco Rígido: Princípio de Funcionamento HDs utilizam uma mídia que pode ser magnetizada Informação é armazenada alterando a magnetização de parte da mídia A mídia é composta por um ou mais discos concêntricos Chamados de pratos Por sua vez, podem ter duas superfícies (de baixo e de cima) HD possui uma cabeça de leitura/gravação que se posiciona sobre regiões dos discos Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 12 / 30

13 O Disco Rígido: Layout da Superfície de um Prato Cada prato de um HD é dividido em trilhas Anéis concêntricos Trilhas são subdivididas em setores Menor unidade que pode ser lida ou escrita Entre duas trilhas ou dois setores consecutivos, há uma lacuna Lacuna Entre Trilhas S0 S0 S1 S1 S4 S2 S3 S4 S2 Trilhas S3 Lacuna Entre Trilhas Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 13 / 30

14 O Disco Rígido: Cilindro HDs modernos possuem múltiplos pratos Todos giram no mesmo eixo Juntos Todos possuem o mesmo layout em suas superfícies Conjunto de trilhas correspondentes nos vários pratos é chamado de cilindro Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 14 / 30

15 O Disco Rígido: Números Típicos Cada setor geralmente é capaz de armazenar 512 bytes de dados HDs mais novos às vezes usam setores de 4 KiBytes Um HD pode ter várias superfícies de leitura/escrita, cado uma com uma cabeça eg, 1, 2, 16 Em uma dada superfície, há um certo número de trilhas eg, E cada trilha tem um certo número de setores eg, 64, 200 Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 15 / 30

16 O Disco Rígido: Trilhas Constantes vs Variáveis HDs antigos comumente possuíam trilhas com número fixo de setores ie, todas as trilhas tinham o mesmo número de setores Tamanho da trilha era determinado pelo tempo que a cabeça passava sobre a mesma Velocidade angular constante Trilhas externas eram maiores,em área Trilhas internas tinham maior densidade de bits Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 16 / 30

17 O Disco Rígido: Trilhas Constantes vs Variáveis HDs modernos (ie, desde a década de 1990), utilizam o método de gravação em múltiplas zonas Gravação nas trilhas mais externas é mais rápida Mais bits por segundo Faz com que o número de bits por trilha seja maior nas trilhas mais externas Mantém a densidade de bits (quase) constante Resultado: Trilhas externas têm mais setores Setor 0 Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 17 / 30

18 O Disco Rígido: Organização de um Setor Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 18 / 30

19 O Disco Rígido: Modos de Endereçamento O setor é a unidade básica de acesso de um HD Tanto para leitura, quanto para escrita Não podemos ler/escrever menos que um setor completo Logo, o endereçamento é feito através da identificação de setores Duas formas principais: Cylinder-Head-Sector, ou CHS Setor é identificado como uma tupla com três componentes Logical Block Addressing, ou LBA Cada setor é mapeado para um identificador numérico único Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 19 / 30

20 O Disco Rígido: Tempo de Acesso Quanto tempo demora a leitura de um dado de um HD? Há várias etapas neste processo: Posicionamento da cabeça de leitura sobre a trilha correta Espera pelo setor correto (rotação do prato) Leitura em si Cada uma destas etapas corresponde a uma parcela do tempo total de leitura: Tempo de busca (seek): posicionar o braço sobre a trilha desejada Latência rotacional (latency): espera para que o setor desejado esteja sob a cabeça Tempo de transferência (transfer): transferir um bloco de bits (setor desejado) Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 20 / 30

21 Disco Rígido: Tempo de Busca Depende do quão rapidamente o HD pode mover a cabeça de leitura Também depende da posição inicial da cabeça Se ele já está próxima da trilha desejada, tempo é curto HDs típicos têm tempo médio de busca na casa de 10 ms Mas note que o princípio de localidade espacial pode se aplicar ao HD Leituras/escritas sucessivas podem ser feitas à trilhas próximas Reduz o tempo efetivo de busca Sistemas operacionais usam vários artifícios para tentar melhorar esta localidade de acessos Algoritmos de escalonamento de acessos Desfragmentação do sistema de arquivos Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 21 / 30

22 Disco Rígido: Latência Rotacional Uma vez que a cabeça seja posicionada na trilha, é preciso esperar que o setor certo seja alcançado Através da rotação do prato Se dermos sorte, setor já estará sob a cabeça Se dermos azar, o setor acabou de passar Precisaremos esperar uma revolução completa do prato Na média, precisaremos de metade de uma revolução Velocidades típicas de rotação de pratos vão de 3600 a 7200 RPM Revolução completa demora de 8 ms a 16 ms Metade corresponde de 4 ms a 8 ms Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 22 / 30

23 Disco Rígido: Tempo de Transferência Depende de uma série de fatores: Velocidade de rotação Densidade de bits Tamanho do dado HDs modernos conseguem taxas de transferência na casa de 100 MB/s Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 23 / 30

24 Barramentos de E/S Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 24 / 30

25 Conceitos Básicos O conceito de barramento já foi discutido algumas vezes ao longo deste curso Por exemplo, no contexto do barramento interconectando CPU e MP Mas computadores modernos possuem múltiplos barramentos Para interconectar dispositivos de características diferentes ao processador Dispositivos de E/S tendem a ser muito mais lentos que a MP Usar um único barramento seria prejudicial à MP Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 25 / 30

26 Por Que os Barramentos de E/S São Mais Lentos? Uma série de razões: Velocidade dos dispositivos de E/S Normalmente lentos em relação ao processador e à MP Distância dos barramentos de E/S Normalmente longa em relação ao barramento de conexão da CPU com a MP Número de dispositivos Barramentos são compartilhados Capacidade é dividida entre os dispositivos Número de dispositivos de E/S é relativamente grande Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 26 / 30

27 Padronização dos Barramentos A ideia dos dispositivos de E/S é expandir a funcionalidade do computador Dispositivos periféricos Por isso, é desejável que os dispositivos de E/S sejam genéricos Possam ser conectados a vários tipos de computadores diferentes eg, uma impressora que pode ser conectada tanto a um PC, quanto a um MAC Como os dispositivos de E/S se conectam a barramentos, estes precisam ser padronizados ie, computadores diferentes precisam implementar os mesmos barramentos Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 27 / 30

28 Padronização dos Barramentos (II) Características Firewire (1394) USB 20 PCI Express Serial ATA Serial Attached SCSI Tipo de Uso Externo Externo Interno Interno Externo Dispositivos por Canal Largura do BD por pista 4 4 Capacidade 50MB/s ou 0,2MB/s, 250MB/s 300MB/s 300MB/s Teórica 100MB/s 1,5MB/s ou por pista 60MB/s Conectável sim sim depende sim sim Mesmo Ligado Comprimento 4,5m 5m 0,5m 1m 8m Máximo do Barramento Nome do IEEE 1394, USB Implementors PCI-SIG SATA-IO Padrão IEEE 1394b Forum Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 28 / 30

29 Exercício 1 Suponha que um HD possua: 16 cabeças de leitura/escrita cilindros 100 setores por trilha Assuma que todas as trilhas têm o mesmo número de setores Setores de 512 bytes Determine o tamanho do HD em bytes Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 29 / 30

30 Exercício 2 Considere um HD com as seguintes características: Tempo de busca médio: 4 ms RPM: Taxa de transferência: 100 MB/s Considerando estes dados, determine o tempo médio para leitura de um setor de 512 bytes Diego Passos (UFF) E/S: Dispositivos Típicos e Barramentos FAC 30 / 30