Aula 08 - Daves - Entrada e Saída · Capítulo 7 Entrada/saída William Stallings Arquitetura e...
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ARQUITETURA DE
COMPUTADORES
Entrada e Saída
Prof Daves MartinsMsc Computação de Alto Desempenho
Email: [email protected]
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Capítulo 7
Entrada/saída
William Stallings Arquitetura e Organização
de Computadores
8a Edição
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Lembrando....
Quem coordena, em termos de software, o funcionamento dos dispositivos de E/S é o
Sistema Operacional
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Problemas de entrada/saída
• Grande variedade de periféricos:—Entregando diferentes quantidades de dados.—Em velocidades diferentes.—Em formatos diferentes.
• Todos mais lentos que CPU e RAM.• Precisa de módulos de E/S.
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Módulo de entrada/saída
• Interface com CPU e memória.• Interface com um ou mais periféricos.
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Modelo genérico de
módulo de E/S
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Dispositivos externos
• Legíveis ao ser humano:—Monitor, impressora, teclado.
• Legíveis à máquina:—Monitoração e controle.
• Comunicação:—Modem.—Placa de interface de rede (NIC).
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Diagrama em blocos de
um dispositivo externo
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Função do módulo de E/S
• Controle e temporização.• Comunicação com CPU.• Comunicação com dispositivo.• Buffering de dados.• Detecção de erro.
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Etapas da E/S
• CPU verifica estado do dispositivo do módulo de E/S.• Módulo de E/S retorna o estado.• Se estiver pronto, CPU solicita transferência de
dados.• Módulo de E/S recebe dados do dispositivo.• Módulo de E/S transfere dados à CPU.• Variações para saída, DMA etc.
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Diagrama do módulo de E/S
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Decisões do módulo de E/S
• Ocultar ou revelar propriedades do dispositivo à CPU.• Admitir dispositivo múltiplo ou único.• Controlar funções do dispositivo ou sair para CPU.• Também decisões do SO.
—P.e., Unix trata de tudo o que pode como arquivo.
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Técnicas de E/S
• Programada.• Controlada por interrupção.• Acesso direto à memória (DMA).
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E/S Programada
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Três técnicas para
entrada de um bloco de
dados
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E/S Programada
• Os dados são transferidos entre o processador (CPU) e o módulo de E/S
• CPU tem controle direto sobre E/S—Detecção do estado do dispositivo—Envio de comandos de Leitura/Escrita—Transferência de dados
• CPU espera o módulo de E/S completar operação
• Desperdiço de tempo da CPU
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E/S Programada -
Detalhes
1. CPU requisita uma operação de E/S2. Módulo de E/S executa a operação3. Módulo de E/S ajusta os bits de estado4. CPU interroga os bits de estado
periodicamente5. Módulo de E/S não informa a CPU
diretamente6. Módulo de E/S não interrompe a CPU7. CPU pode esperar ou começar depois
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Comandos de E/S
• CPU envia um endereço—Identifica módulo e um externo
• CPU envia um comando—Controle – diz ao módulo o que fazer
– Por exemplo. Girar o disco
—Teste - checa o estado– Por exemplo. Pode? Erro? Ligado?
—Leitura/Escrita– Módulo transfere dados via buffer do/para o
dispositivo
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Endereçamento de
Dispositivos
de E/S
• Na E/S programada a transferência de dado é similar ao acesso à memória (ponto de vista da CPU)
• Cada dispositivo tem um identificador único
• Comandos da CPU contêm identificador (endereço)
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Mapeamento de E/S
• Endereçamento Mapeado na Memória—Dispositivos e memória dividem um único espaço
de endereço—E/S simplesmente se parece com leitura/escrita
da memória—Não há comandos especiais para E/S
– São utilizados os mesmos para se fazer acesso à memória
• Endereçamento Independente—Espaços de endereço separados—Precisa linhas selecionadas para memória ou E/S—Comandos especiais de E/S
– Conjunto limitado de comandos
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E/S Dirigida por Interrupção
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Três técnicas para
entrada de um bloco de
dados
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E/S Dirigida por
Interrupção
• Supera a espera da CPU (E/S Programada)• Nenhuma repetição de checagem de
dispositivos pela CPU• Módulo de E/S interrompe quando estiver
pronto
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E/S Dirigida por
Interrupção
Operação Básica
• CPU envia um comando de leitura• Módulo de E/S recebe os dados do periférico
enquanto a CPU realiza outras instruções• Módulo de E/S interrompe a CPU• CPU requisita os dados• Módulo de E/S transfere dados
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Do Ponto de Vista
da CPU
• Emite um comando de leitura• Prossegue com a realização de outras
instruções• Verifica se há interrupção no fim de cada
ciclo de instrução• Se interrupção:-
—Salva contexto (registros)—Processa a Interrompição
– Busca os dados e armazena
• Verifica as notas do SO
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Processamento de
interrupção simples
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Mudanças na memória e
registradores para uma
interrupção
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Aspectos de Projeto
• Como é identificado o módulo que emitiu a interrupção?
• Como lidar com múltiplas interrupções?—Isto é, o tratador de uma interrupção foi
interrompido?
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Identificando Módulo
que Enviou a
Interrupção (1)
• Linhas diferentes para cada módulo—Processador com número limite de pinos—Limita o número de dispositivos
• Identificação por Software—CPU pergunta a cada módulo, um por vez—Técnica lenta
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Identificando
Módulo que Enviou
a Interrupção (2)
• Daisy Chain ou Identificação por Hardware—O processador recebe uma interrupção—É enviado um reconhecimento que se propaga por
uma série de módulos de E/S até checar àquele que causou a interrupção
—Módulo responsável coloca vetor de interrupção (palavra especial) no barramento de dados
—CPU usa vetor de interrupção para identificar rotina do tratador de interrupção
• Arbitração do Barramento—Módulo deve reinvidicar o barramento antes de
enviar interrupção—Por exemplo: PCI & SCSI
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Interrupções
Múltiplas
• Quanto diversas linhas são utilizadas, cada linha de interrupção tem uma prioridade—Linhas com prioridade alta pode interromper
linhas com prioridade baixa• Identificação por software: ordem em que
os módulos são interrogados determina prioridades
• Daisy chain: ordem dos módulos na conexão em cadeia circular determina a prioridade
• Arbitração do barramento: somente o mestre atual pode interromper
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Acesso Direto à Memória
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Três técnicas para
entrada de um bloco de
dados
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Acesso direto à memória
• E/S controlada por interrupção e programada exige intervenção ativa da CPU.—Taxa de transferência é limitada.—CPU fica amarrada.
• DMA é a resposta.
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Função do DMA
• Módulo adicional (hardware) no barramento.• Controlador de DMA toma o comando da CPU para
E/S.
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Diagrama típico do
módulo de DMA
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Operação do DMA
• CPU diz ao controlador de DMA:—Leitura/escrita.—Endereço do dispositivo.—Endereço inicial do bloco de memória para dados.—Quantidade de dados a serem transferidos.
• CPU prossegue com outro trabalho.• Controlador de DMA lida com transferência.• Controlador de DMA envia interrupção quando
terminar.
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Transferência de DMA – Roubo de ciclo
• Controlador de DMA assume o barramento por um ciclo.• Transferência de uma palavra de dados.• Não uma interrupção.
—CPU não troca de contexto.• CPU suspensa logo antes de acessar o barramento.
—Ou seja, antes de uma busca de operando ou dados ou uma escrita de dados.
• Atrasa a CPU, mas não tanto quanto a CPU fazendo transferência.
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DMA e pontos de interrupção durante um ciclo
de instrução
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Aparte
• Que efeito tem a memória caching sobre o DMA?
• E a cache da placa?• Dica: o quanto os barramentos do sistema
estão disponíveis?
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Configurações de DMA
• Único barramento, controle de DMA separado.• Cada transferência usa barramento duas vezes.
—E/S para DMA, depois DMA para memória.• CPU é suspensa duas vezes.
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• Único barramento, controlador de DMA integrado.• Controlador pode aceitar mais de um dispositivo.• Cada transferência usa barramento uma vez.
—DMA para memória.• CPU é suspensa uma vez.
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• Barramento de E/S separado.• Barramento aceita todos dispositivos habilitados para DMA.• Cada transferência usa barramento uma vez.
—DMA para memória.• CPU é suspensa uma vez.
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Comunicação S.O.(CPU) – ControladorE/S mapeada na memória
(a) Arquitetura com barramento único(b) Arquitetura com barramento duplo (dual)
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Secretária, por favor escreva o contratoagora para que eu possa assiná-lo; estou esperando.
Pois não Sr., um momento
Contrato pronto, estou enviando Ok, Obrigado
Programa sem interrupção
Secretária, por favor escreva o contratoagora, quando estiver pronto me avise.Pois não Sr.
Contrato pronto, posso enviá-lo?Um momento, estou terminado de escrever um ofício. ... agora pode enviar o contrato, obrigado. (Após receber o contrato, o chefe continua fazendo as outras atividades.....)
Programa com interrupção
Preciso enviar os contratos que estáo sobre a mesa do chefe para o correio
Boy, por favor apanhe os contratos que estão na pasta sobre a mesa do chefe para mim. Por favor não incomode o chefe.
Obrigada
Correio
Acesso Direto à Memória CPU
E/S Barramento
Chefe, enviei os contratos que estavam sobre sua mesa. (Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da transação)
Ok, obrigado.
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Acesso Direto à Memória (DMA)
Operação de uma transferência com DMA
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Como ocorre uma interrupção: conexões entre dispositivos e controlador de interrupção usam linhas de interrupção no barramento em vez de fios dedicados