Entrada e Saída. Interface entre periféricos, processador e memória. Fonte: Minho - Portugal 1

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1 Entrada e Saída Interface entre periféricos, processador e memória Fonte: Minho - Portugal 1

2 Ligação Processador/Memória - Periférico Processador Memória Controlo Dados Controlador Fonte: Minho - Portugal 2

3 Input / Output 1. Qual o papel do Sistema Operacional (SO)? 2. Como é que os pedidos de I/O são transformados em comandos e comunicados ao periférico? 3. Como é que os dados são transferidos entre o periférico e a memória? Fonte: Minho - Portugal 3

4 I/O O papel do Sistema Operativo Age como um interface entre os controladores dos periféricos e o programa que pretende realizar operações de I/O Características dos periféricos: 1. São partilhados por vários programas que correm simultaneamente na máquina; 2. Enviam sinais ao processador para comunicar o seu estado; 3. O controlo de um dispositivo de I/O é, geralmente, bastante complexo. Fonte: Minho - Portugal 4

5 I/O O papel do Sistema Operativo Funções do Sistema Operacional: 1. Garante que os utilizadores só têm acesso a periféricos para os quais têm direitos; 2. Gere a multiplicidade de acessos, garantindo uso exclusivo quando necessário e justiça no acesso aos recursos; 3. Atende os sinais gerados pelos periféricos; 4. Esconde a complexidade dos periféricos, fornecendo rotinas que tratam dos aspectos de baixo nível (device drivers). Fonte: Minho - Portugal 5

6 Comunicação de Comandos Para enviar comandos e receber respostas dos periféricos, o processador tem que ser capaz de endereçar os controladores dos periféricos. Existem 2 formas alternativas de comunicação com os controladores: 1. I/O mapeado em memória - porções do espaço de endereçamento são dedicadas aos periféricos; escritas nestes endereços são ignoradas pela memória e comunicadas directamente ao controlador, podendo ser usadas para enviar comandos ou dados; leituras nestes endereços podem ser usadas para receber dados ou verificar o estado do dispositivo; 2. Instruções especiais para I/O (in, out) a comunicação com os periféricos é feita usando as instruções in e out, para leituras e escritas, respectivamente. Cada periférico tem um ou mais números que o identificam. A maior parte dos sistemas operativos não permite que os programas do utilizador comuniquem directamente com os periféricos. Todos os comandos têm que ser enviados via Sistema Operativo (system calls). Fonte: Minho - Portugal 6

7 Comunicação Processador - Periférico Conseguida acedendo a registos do controlador. Genericamente, existem 2 tipos de registos: estado/controle e dados. Registos de estado/controle: Usados pelo controlador para comunicar o seu estado (Ready, erros,...) Usados pelo processador para dar ordens ao controlador Registos de dados: Usados para comunicar/receber dados para/do controlador Fonte: Minho - Portugal 7

8 Transferência de Dados entre a Memória e os Periféricos Existem essencialmente 3 métodos para transferir dados entre a memória e os periféricos: 1. Polling 2. Orientado às interrupções 3. Direct Memory Access (DMA) Diminuição do grau de envolvimento do processador Fonte: Minho - Portugal 8

9 Polling espera activa O processador lê repetidamente os registos de estado dos periféricos, para determinar quando é que estes se encontram prontos para iniciar uma transferência de dados. Repetir Ler Registo de Estado do Controlador Até Controlador=Ready Enviar/Escrever Dados de/para Controlador Fácil de implementar, mas... Processador responsável por verificar alterações no estado do controlador e por fazer as transferências de dados. O processador não pode realizar outras tarefas enquanto a operação de I/O não terminar, mesmo que seja muito mais rápido que o controlador do periférico. Fonte: Minho - Portugal 9

10 Interrupções O controlador envia ao processador um sinal indicando alterações no seu estado. Interrupções sinais enviados pelos controladores dos periféricos ao CPU, indicando uma alteração no seu estado. Rotina de atendimento de interrupções ao receber um sinal de interrupt o CPU interrompe o programa que estava a executar e salta para uma rotina de atendimento de interrupções, que se encarrega da transferência de dados. Esta rotina, regra geral, pertence ao S.O. Excepções semelhantes às interrupções, mas com origem interna ao CPU. As causas podem ser overflow, instrução desconhecida, mau funcionamento do hardware, divisão por zero, etc. Fonte: Minho - Portugal 10

11 Interrupções Quando ocorre uma excepção ou uma interrupção a execução salta para uma rotina de atendimento. Mas o hardware tem que indicar qual a causa da interrupção. Existem 2 mecanismos alternativos: 1. Interrupções vectorizadas existem diversas rotinas de atendimento de interrupções, localizadas em diferentes endereços. Quando surge o sinal de interrupt, a execução prossegue no endereço apropriado. 2. Registo de causa existem apenas 1 rotina de atendimento de interrupções. Quando surge o sinal de interrupt, o hardware coloca num registo de CAUSA um valor identificativo da interrupção. Mecanismos de atribuição de prioridades: indicam qual a excepção ou interrupção que é atendida primeiro, se se verificarem várias em simultâneo: 1. As excepções têm maior prioridade que as interrupções. 2. Periféricos mais rápidos têm maior prioridade que os mais lentos. Fonte: Minho - Portugal 11

12 Direct Memory Access Polling Interrupt O CPU verifica activamente alterações no estado do controlador O CPU é responsável pela transferência de dados O CPU é notificado de alterações no estado do controlador O CPU é responsável pela transferência de dados Se a quantidade de dados a transferir for elevada, como, por exemplo, no caso dos discos, o overhead no processador é elevado. Direct Memory Access (DMA) controlador dedicado a transferir dados entre a memória e outros controladores e vice-versa. O mecanismo de interrupções é utilizado apenas para notificar o CPU de que a transferência terminou ou da ocorrência de erros. Fonte: Minho - Portugal 12

13 Direct Memory Access Mecanismo O controlador de DMA assume o papel de bus master e dirige todo o tráfego entre a memória e o controlador do periférico. Uma transferência DMA envolve 3 passos: 1. O CPU indica ao DMA a identidade do controlador, o tipo de operação, o endereço de memória a aceder e o número de bytes a transferir; 2. O DMA inicia a operação, arbitra o barramento e transfere os dados na direcção apropriada; o próprio DMA fornece os vários endereços de memória para todo o bloco de dados a ler ou escrever; é possível completar uma transferência de várias centenas ou milhares de dados sem incomodar o CPU; 3. Uma vez a transferência terminada, o DMA interrompe o CPU, que pode então ler os registos de estado do DMA para determinar se a operação completou com sucesso; Fonte: Minho - Portugal 13

14 Direct Memory Access Mecanismo Processador Memória Controlador DMA 1. Início da operação Controlador 2. Transferência de dados 3. Interrupção: Fim ou erro Disco Fonte: Minho - Portugal 14

15 Direct Memory Access Dificuldades O CPU e o DMA acedem simultaneamente à memória, criando problemas de contenção; com a utilização da cache o CPU evita aceder à memória principal a maior parte do tempo, diminuindo a contenção; Num sistema sem DMA apenas o processador acede à memória; num sistema com DMA temos 2 ou mais componentes a aceder à memória; se o DMA está a fazer uma escrita na memória e esse item também se encontra na cache do CPU, então os dois valores ficam diferentes; se o DMA está a fazer uma leitura da memória e a cache é write-back, então o DMA pode estar a ler um valor desactualizado problema da incoerência. Soluções 1. Fazer o tráfego do DMA passar pela cache ineficiente 2. Fazer o S.O. ou o hardware invalidar as linhas da cache que são afectadas pelas escritas do DMA (cache flushing), e forçar o write-back das linhas que são lidas pelo DMA. Fonte: Minho - Portugal 15

16 Mecanismos de I/O - Comparação Polling O CPU verifica activamente alterações no estado do controlador O CPU é responsável pela transferência de dados Interrupt DMA O CPU é notificado de alterações no estado do controlador O CPU é responsável pela transferência de dados O CPU é notificado de alterações no estado do controlador de DMA O DMA é responsável pela transferência de dados O preço das máquinas é muitas vezes determinado pelas facilidades de I/O de que dispõe: número e velocidade dos barramentos, número e tipo de controladores de DMA, resolução dos problemas de contenção e coerência na memória. Fonte: Minho - Portugal 16