SISTEMAS DE E/S – PORTAS SERIAL E PARALELA
Aula 09 – Arquitetura de Computadores
Gil Eduardo de Andrade
O conteúdo deste documento é baseado no livro “Princípios Básicos de Arquitetura e
Organização de Computadores” – Linda Null e Julia Labur. INTRODUÇÃO
Computadores são mais úteis como dispositivos para armazenamento de informações que serão recuperadas posteriormente, do que instrumentos de computação propriamente ditos. Sendo assim sem termos meios para colocar e retirar dados e informações dele, a UCP e a memória teriam pouca utilidade. Com isso os dispositivos de E/S tornam-se integrantes indispensáveis que permitem a interação com os computadores.
Quando pensamos em sistemas pessoais, o teclado e o mouse são dispositivos primários de entrada do usuário. Um monitor comum é um dispositivo somente de saída que apresenta resultados ao usuário. Unidades de disco e modems são chamados de dispositivos de entrada/saída porque neles os dados podem ser escritos e lidos.
ENTRADA/SAÍDA E DESEMPENHO
A entrada/saída é mais do que apenas armazenamento e recuperação de arquivos. Um sistema de E/S com funcionamento deficiente pode ter um efeito cascata, contaminando todo o sistema de computação. Como exemplo podemos utilizar a ideia de memória virtual vista na aula anterior, quando utilizamos parte do disco rígido como extensão da memória principal afim de permitir que mais aplicativos estejam carregados ao mesmo tempo, se o sistema de disco é muito lento, como consequência temos que a execução dos processos se torna lenta também. Uma solução simples poderia ser obter mais recursos para o sistema, nesse caso, mais memória.
Algumas medidas podem ser puro desperdício, pois se realmente entendemos o que está acontecendo no computador, podemos fazer um uso melhor dos recursos disponíveis, adicionando recursos caros somente quando absolutamente necessário. Existem diversas ferramentas que permitem determinar a maneira mais eficaz de aumentar o desempenho, a Lei
de Amdahl é uma delas. Lei de Amdahl
Em 1967, George Amdahl reconheceu os inter-relacionamentos de todos os componentes para eficiência geral de um sistema de computação. Ele quantificou suas observações em uma fórmula, que ficou conhecida como Lei de Amdahl. A lei afirma que a aceleração geral de um sistema de computação depende da aceleração de um componente particular e do quanto este componente é usado pelo sistema. Em símbolos:
onde:
S é a aceleração total do sistema
f é a fração de trabalho realizado pelo compomente mais rápido; k é a aceleração do novo componente;
Vamos supor que processos diários gastam 70% do seu tempo sendo executados pela UCP e 30% aguardando por serviços em um disco. Suponha também que você está pensando em comprar um processador mais moderno, 50% mais rápido que o seu atual e que ele custa R$ 10.000. Um dia antes, alguém telefonou e ofereceu um conjunto de unidades de disco por
R$7.000. Estes discos prometem uma vazão (quantidade de bytes transmitidos por segundo) 2,5 vezes maior que os seus discos existentes. Você tem a consciência de que há a necessidade de atualizar seu sistema que está ficando defasado. A pergunta é, qual das duas opções você escolheria para melhorar o desempenho do seu sistema obtendo um menor custo?
Para opção do processador teríamos:
Portanto, estimamos um acréscimo total de velocidade de 1,3 ou 30%, com o novo processador a R$10.000.
Para opção do disco teríamos:
Portanto, a substituição do disco nos dá um aumento de velocidade de 1,22 ou 22% por um custo de R$7.000.
Se pensarmos no custo que teríamos a cada percentual (1%) de melhoria no desempenho temos que o processador tem um custo de R$333 / 1% de melhoria, já os discos teriam um custo de R$318 / 1% de melhoria. Isso torna a substituição do disco levemente melhor, baseada somente na quantia gasta por melhoria percentual no desempenho. Contudo outros fatores influenciam em uma determinada decisão, como por exemplo se você está ficando sem espaço em disco, isso poderia pesar na escolha da substituição dos discos mesmo que ela custe mais que o processador. Essa análise passa pelo conhecimento das arquitetura de E/S.
Arquiteturas de E/S
Considerando Entrada/Saída como um subsistema de componentes que movimentam dados entre dispositivos externos e um sistema principal, consistindo de um UCP e de uma memória principal, esses subsistemas incluem (mas não são limitados a):
→ Blocos de memória principal que são dedicados a funções de E/S
→ Barramentos que fornecem meios de mover dados para dentro e para fora do sistema → Módulos de controle no sistema principal e nos dispositivos periféricos
→ Interfaces com componentes externos tais como os teclados e discos
→ Cabeamentos ou elos de comunicação entre sistema principal e seus periféricos
Os módulos de E/S cuidam da movimentação dos dados entre a memória principal e a interface do dispositivo em particular. Interfaces são projetadas para se comunicar de forma específica com certos tipos de dispositivos, tais como teclados, discos ou impressoras. A forma exata e o significado dos sinais trocados entre um emissor e um receptor chama-se protocolo. Protocolos compreendem sinais de comando, tais como “restaurar impressora”; sinais de estado tais como “fita pronta”.
Dispositivos externos que lidam com grandes quantidades de dados (impressoras) são muitas vezes equipados com um buffer de memória que permite que o sistema principal envie grandes quantidades de dados ao dispositivo periférico de maneira mais rápida. Circuitos de controle colocam ou buscam dados em buffers na placa e se asseguram de que eles cheguem onde devem.
Figura 01: Modelo de Entrada/Saída
MÉTODOS DE CONTROLE DE ENTRADA/SAÍDA
Métodos de controle de E/S realizam muitas funções, incluindo controlar as ações dos dispositivos, colocar dados no buffer, fazer detecção de erros e se comunicar com a UCP. Sistemas de computação adotam qualquer dentre os quatro métodos gerais de controle de E/S, incluindo E/S Programada, E/S orientada a interrupção, acesso direto à memória e E/S baseada em canal. Cada método é apropriado para o modo como esses sistema será usado não sendo de forma geral um melhor do que o outro.
Entrada/Saída Programada
A maneira mais simples para uma UCP se comunicar com um dispositivo de E/S é a E/S
Programada, algumas vezes chamada de E/S monitorada. A UCP monitora continuamente
(consulta) um registrador de controle associado a cada porta de E/S. Quando chega um dado na porta um bit no registrador e controle é setado. A UCP em algum momento consulta a porta e nota que o bit de controle está ligado. A UCP restaura o bit de controle e recupera o byte, processando-o de acordo com as instruções programadas para aquela porta particular.
Benefício desta abordagem é sua fácil implementação e a possibilidade de definir prioridades de acordo com os intervalos de consulta. Entretanto consultas constantes ao registrador são um problema, visto que a UCP fica “ocupada” perdendo tempo consultando dispositivos que podem não ter dado algum para enviar.
Entrada/Saída Orientada a Interrupção
O método de controle mais comum e eficiente é a E/S orientada a interrupção. Ela pode ser pensada como o inverso da programa, invés da UCP perguntar continuamente a seus dispositivos auxiliares se eles têm alguma entrada, o dispositivo diz para a UCP quando ele tem dados a enviar. Sendo assim a UCP prossegue com outras tarefas até que um dispositivo requisite um serviço através de um interrupção da UCP. Normalmente essa comunicação ocorre através de um controlador de interrupções, este circuito é quem trata os sinais de interrupção de todos os dispositivos de E/S do sistema.
Quando duas ou mais interrupções ocorrem de E/S ocorrem simultaneamente, o controlador de interrupção determina qual deve ser tratada primeiro de acordo com a importância do tempo de resposta para o dispositivo que está requisitando a E/S. Por exemplo, teclado e mouse, de forma geral, são as interrupções menos críticas.
Figura 02: Subsistema de E/S usando interrupções
Figura 03: Ciclo de busca-decodifica-executa com verificação de interrupção.
Acesso Direto a Memória
Tanto com E/S programada quanto com E/S orientada a interrupções, a UCP movimenta dados de e para o dispositivo de E/S. Durante a E/S, a UCP executa instruções para controle de transferência de bytes para buffers, como mostra o pseudo-código abaixo:
Essas instruções são simples o suficiente para que possam ser programadas em um chip dedicado. Essa é a ideia por trás do acesso direto a memória (DMA). Quando um sistema usa DMA, a UCP se livra da execução das instruções tediosas de E/S. Para efetuar a transferência, a UCP fornece ao controlador de DMA a posição dos bytes a serem transferidos, o número total de
bytes e o dispositivo de destino ou endereço de memória. Esta comunicação geralmente ocorre
através de registradores especiais de E/S em uma UCP.
A UCP sinaliza para o subsistema de DMA iniciar o processo de E/S, e prossegue com a próxima tarefa, a DMA cuida de todos os detalhes de transferência de dados e depois de terminá-lo sinaliza para UCP através do envio de uma outra interrupção.
MODOS DE TRANSMISSÃO DE DADOS
Bytes podem ser transmitidos entre um computador principal e um dispositivo periférico
enviando um bit de cada vez ou um byte de cada vez. Estes são chamados, respectivamente, de modos de transmissão serial e paralela. Cada modo de transmissão estabelece um protocolo de comunicação particular entre o computador principal e a interface do dispositivo.
Transmissão de Dados Paralela
Sistemas de comunicação paralela operam de uma maneira análoga à operação de um barramento de memória do computador principal. Eles requerem pelo menos oito linhas de dados (uma para cada bit) e uma linha para sincronização, algumas vezes chamada de linha de
amostragem. Conexões paralelas são eficazes a curtas distâncias – geralmente menos de 90 cm.
Um processo de comunicação entre um computador principal e um impressora que utiliza interface paralela inicia quando um bit é colocado em cada uma das oito linhas de dados. A seguir, a linha busy (ocupado) é verificada para ver se está baixa (zero), assim que ela estiver baixa, o sinal de amostragem, strobe, é ativado, de modo que a impressora saberá que existe um dado nas linhas de dado.
Assim que a impressora detecta o sinal de amostragem, ela lê as linhas de dados ao mesmo tempo que ativa o sinal de busy (ocupado) para evitar que o computador principal coloque mais dados nas linhas de dados. Depois que a impressora lê todas as linhas de dados, ela baixa o sinal de busy e ativa o sinal de reconhecimento, nAck, para informar ao computador que os dados transmitidos por ele através das linhas de dados foram recebidos.
Figura 05: Pinagem da interface de uma porta paralela.
Transmissão de Dados Serial
Anteriormente vimos que na transmissão paralela de dados são movidos um byte de cada vez através das duas linhas de dados (8 bits). A transmissão serial de dados difere da paralela no sentido de que somente um condutor é usado para enviar dados, um bit de cada vez, como pulsos em uma única linha de dados. De forma geral, fluxos seriais de dados podem ser enviados sobre longas distâncias de forma confiável e mais rápida do que dados paralelos. Isto torna a transmissão serial o método mais adequado para interfaces de alto desempenho. Métodos de transferência serial também podem ser usados para transferência de dados sensíveis ao tempo, como os de tempo real, entres eles voz e vídeo.
No protocolo de comunicação RS-232 (padrão serial), caracteres são enviados um a um como um conjunto de bits. A codificação mais comumente usada é o "start-stop assíncrono" que usa um bit de início, seguido por sete ou oito bits de dados, possivelmente um bit de paridade, e um, 1,5 ou dois bits de parada sendo então necessários pelo menos 10 bits para enviar um único dado.
