William Stallings
Arquitetura e Organização de Computadores
Capítulo 7
Visão Abrangente
Módulo de E/S (
Input
/
Output
) é o terceiro
elemento crítico do sistema computador (os
outros são, a CPU e a memória)
Todos os sistemas computadores devem ter
meios eficientes para receberem entradas
e
deliberarem saídas.
Falhas relacionadas ao endereçamento de E/S tem
sentenciado muitos bons sistemas.
Programa de estudo:
Módulos de E/S e suas interfaces com o resto do
sistema.
3
Problemas da E/S
Dispositivos externos, geralmente, não estão
conectados diretamente na estrutura de
barramento do computador
Uma ampla variedade de dispositivos requerem
diferentes lógicas de operação.
Interfaces – impraticável para a CPU “saber como”
controlar cada dispositivo
Disparidade entre as taxas de transferências de dados
Diferentes representações de dados
Todos mais lentos do que CPU e RAM
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Módulo de Entrada/Saída
Provê uma interface padronizada para a CPU e o
barramento.
Moldada para um dispositivo de E/S específico e a
seus requisitos de interface.
Delega a CPU o gerenciamento dos dispositivos de
E/S.
A interface consiste em sinais de:
Control Status Dados
Interface entre a CPU e a memória.
Interface para um ou mais periféricos.
Categorias de Dispositivos Externos
Interpretação humana
vídeo, impressora, teclado
Operação pela máquina
Discos magnéticos e ópticos
Monitoração e controle
Comunicação
Modem
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Typical I/O Data Rates
Funções do Módulo de E/S
Controle e temporização (
Control & timming
)
Coordenação do fluxo de dados
Comunicação com a CPU
Decodificar comandos;
Enviar e receber dados
Informar o estado dos periféricos
Reconhecimento de endereços
Comunicação com o dispositivo periférico
Emitir comandos; Enviar e receber dados
Receber informação do estado dos periféricos
Bufferização de dados (
data buffering
)
Adequação a diferentes taxas de transferência
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Funções do Módulo de E/S
The major functions for an I/O module
fall into the following categories: Control and timing
• Coordinates the flow of traffic between internal resources and external devices
Processor communication
• Involves command decoding, data, status reporting, address recognition Device communication • Involves commands, status information, and data Data buffering
• Performs the needed buffering operation to balance device and memory speeds
Error detection
• Detects and reports transmission errors
Etapas da operação de E/S
A CPU verifica o status do módulo de E/S
O módulo de E/S retorna o status
Se pronto (ready), a CPU requisita a transferência
de dados
O módulo de E/S obtém os dados do dispositivo
O módulo de E/S transfere os dados para a CPU
Variações para a saída, DMA, etc.
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Decisões de um módulo de E/S
Esconder e/ou revelar as propriedades do
dispositivo para a CPU.
Suportar simples/múltiplos dispositivo(s).
Controlar as funções de um dispositivo ou delegar
para a CPU.
Também são decisões do Sistema Operacional
13 RAM CPU Barr ame nto de Sis tem a Módulo de Entrada/Saída Canal de Entrada/Saída Controlador de Interrupção Controlador DMA periférico periférico sss periférico periférico sss dos módulos (ou canais) de
Entrada/Saída
dos módulos (ou canais) de
Entrada/Saída
Técnicas de
Entrada/Saída Interface externa
Técnicas para Operações de Entrada/Saída
Programmed I/O
Interrupt driven I/O
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Programmed I/O
Operação de E/S onde a CPU envia um comando de
E/S para o módulo de E/S.
A CPU tem controle direto da operação.
Sensing status
Read/write commands
Transferring data
A CPU espera até que a operação de E/S seja
finalizada, antes de realizar outras tarefas.
A finalização é indicada pela mudança dos bits de
status do módulo de E/S.
A CPU deve, periodicamente, consultar (
polling
) o
módulo para verificar seu status.
Programmed I/O - detalhes
CPU requer uma operação de E/S
O módulo de E/S realiza a operação
O módulo de E/S configura os bits de status
A CPU verifica os bits de status periodicamente
O módulo de E/S não informa a CPU diretamente.
O módulo de E/S não interrompe as atividades da
CPU.
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I/O Commands
A CPU fornece os endereços.
Identifica o módulo (e dispositivo, se mais do que um
por módulo)
A CPU emite os comandos
Controle – indicar ao módulo o que fazer
✓ e.g. spin up disk
Teste – verificar o status
✓ e.g. power? Error?
Leitura/Escrita
✓ O módulo transfere, via buffer, dados de/para o dispositivo
Endereçamento de dispositivos de entrada/saída
Nas entradas/ saídas programadas a transferência de
dados consiste, muito provavelmente, num acesso à memória (ponto de vista da CPU)
Cada dispositivo possui um identificador único.
As instruções da CPU contêm um identificador
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Endereçando Dispositivos de E/S
O modo de transferência de dados programada
(
programmed I/O
) é muito parecido com o
acesso a memória (do ponto de vista da CPU)
A cada dispositivo é atribuído um identificador
único.
Os comandos da CPU carregam este
I/O Mapping
Memory mapped I/O
Dispositivos e memória compartilham um espaço de
endereçamento.
I/O parece como uma memória de leitura/escrita.
Nenhum comando especial para I/O
✓ Um grande conjunto de comandos de acesso a memória
estão disponíveis.
Isolated I/O
Espaço de endereçamento separado
Necessidade de linhas de seleção para I/O ou memória
Comandos especiais para I/O
Programmed I/O - Resumo
Devido a diferença de velocidade entre a CPU e os
dispositivos periféricos (ordens de magnitude),
programmed I/O
consome uma enorme
quantidade do potencial de processamento da
CPU.
Muito ineficiente
A CPU trabalha na velocidade do periférico.
Vantagens
Implementação Simples
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Interrupt Driven I/O
Técnica para reduzir o tempo gasto nas
operações de E/S.
A CPU fornece comandos de E/S para o módulo
A CPU continua com suas outras tarefas enquanto o
módulo realiza a sua operação.
O módulo sinaliza à CPU quando a operação de E/S
for finalizada (a interrupção)
A CPU responde a interrupção, executando uma rotina
de serviço de interrupção (isr), logo após, continua a tarefa que estava executando durante este evento.
Contorna os problemas de espera da CPU.
A CPU não precisa realizar uma verificação repetitiva do status do dispositivo.
O próprio módulo de E/S anuncia quando pronto (via
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CPU Viewpoint
Envia o comando de leitura
Realiza outro trabalho
.
Verifica se há interrupção pendente a cada final
de ciclo de execução de instrução.
Se houver interrupção:
Salva o contexto (registradores)
Processa a rotina de tratamento da interrupção.
✓ Fetch data & store
Ver notas no conteúdo da disciplina de Sistemas Operacionais.
Interrupt-driven: decisões de projeto
Com múltiplos módulos e, portanto, múltiplas
interrupções.
Como identificar o módulo que gerou o sinal de
interrupção?
Como lidar com múltiplas interrupções?
Por exemplo, a rotina que manipula a interrupção está
29
Identificando o módulo que interrompe (1)
Cada módulo possui uma linha de interrupção
diferente.
PC
Limita o número de dispositivos.
Software polling
CPU consulta cada módulo em uma sequência circular
Identificando o módulo que interrompe (2)
Daisy Chain
ou
Hardware poll
O recebimento da interrupção (interrupt acknowledge) é
enviado cadeia abaixo.
O módulo responsável coloca o vetor de identificação no
barramento.
A CPU usa o vetor para identificar a rotina de tratamento.
Bus Mastering
O módulo deve requerer o barramento antes que ele
possa gerar a interrupção. Por exemplo, PCI & SCSI
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Multiplas Interrupções
Cada linha de interrupção tem uma prioridade.
Linhas de prioridade mais alta podem interromper
as linhas de prioridades mais baixas.
Se o método empregado for
bus mastering
,
Example - PC Bus
O 80x86 tem uma linha de interrupção
Sistemas baseados no 8086 utilizam um
controlador de interrupção, o 8259A.
33
Sequência de Eventos
8259A aceita interrupções.
8259A determina prioridades.
8259A sinaliza o 8086 (eleva a linha INTR).
A CPU reconhece (acknowledges).
8259A coloca o vetor correto no barramento de
dados.
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ISA Bus Interrupt System
ISA bus encadeia dois controladores 8259A juntos.
O Link é via interrupção 2.
Temos um total de 15 linhas.
16 linhas menos uma para o link
IRQ 9 é usada para redirecionar alguma coisa
tentando usar a IRQ 2.
Backwards compatibility.
Nas arquiteturas atuais, o 8259A foi incorporado no
Intel 82C55A
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Direct Memory Access
Interrupt driven
e
programmed I/O
requerem
intervenção ativa da CPU.
A taxa de transferência é limitada
A CPU fica aprisionada
Para contornar estes problemas a técnica de
DMA
surge como uma solução.
DMA Function
:
Módulo adicional (hardware) no barramento.
O DMA controller
liberta a CPU da lenta tarefa
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DMA Operation
A CPU configura a controladora DMA:
Read/Write
Device address
Endereço inicial do bloco de memória para os dados
A quantidade de dados a ser transferida
A CPU preocupa-se com outra tarefa.
A controladora DMA realiza as operações de
transferência.
A controladora DMA envia um sinal de interrupção
DMA Transfer - Cycle Stealing
“Roubo" de ciclo na transferência DMA
Controlador DMA toma conta do barramento (bus)
durante um ciclo (clock).
Transfere uma palavra de dados.
Não é uma interrupção
✓ A CPU não salvaguarda o contexto
CPU suspende a ciclo de instrução imediatamente antes
de:
✓ um acesso ao barramento
✓ antes da busca de um operando ou de dados e
✓ da escrita de dados
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Pontos de suspensão de DMA
Aside
Qual é o efeito que memória caching tem no
DMA?
Dica: Quantos são os barramentos de
43
Configurações DMA
Bus único, controlador DMA separado
Cada transferência usa o bus duas vezes
✓ Do dispositivo de E/ S para controlador DMA e deste para a
memória
Operação da CPU é suspensa duas vezes
Bus único, controlador DMA integrado
Controlador pode suportar mais do que um dispositivo de
E/S
Cada transferência usa o bus uma vez – do controlador
DMA para a memória
Transferência entre dispositivos também usam o bus.
Operação da CPU é suspensa uma vez.
Bus separado, controlador DMA integrado
suporta todos os dispositivos DMA
Cada transferência usa o uma vez – do controlador DMA
para a memória
Operação da CPU é suspensa uma vez
DMA Configurations (1)
Bus único, controlador DMA separado
Cada transferência usa o bus duas vezes
✓ Do dispositivo de E/ S para controlador DMA e deste para a
memória
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DMA Configurations (2)
Bus único, controlador DMA integrado
Controlador pode suportar mais do que um dispositivo
de E/S
Cada transferência usa o bus uma vez – do
controlador DMA para a memória
Transferência entre dispositivos também usam o bus.
DMA Configurations (3)
Bus separado, controlador DMA integrado
suporta todos os dispositivos DMA
Cada transferência usa o uma vez – do controlador
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Evolução da E/S
(1)
No início CPU controlava diretamente o dispositivo
(
microprocessor-controlled devices
)
Módulo de E/S (ou controlador) foi acrescentado
Assim CPU não precisa conhecer detalhes específicos dos
dispositivos
CPU usa E/S programada sem interrupção
Surge então, a interrupção
CPU trabalha enquanto ocorre E/S
O módulo de E/S ganha poder para acessar
Evolução da E/S
(2)
O módulo de E/S torna-se um processador
Conjunto próprio de instruções para E/S
Módulo de E/S é capaz de executar um programa sem
intervenção alguma da CPU
Também conhecido por canal de E/S
Módulo de E/S ganha uma memória local própria
Maior número de dispositivos podem ser controlados
Tamanho de buffer maior para troca de dados
Também conhecido como processador de E/S
Ocasionalmente os termos canais de E/S (
I/O
Channel
) e processador de E/S (I/O Processor) são
usados para designar os mesmos módulos de E/S.
49
Interfaces Externas
A interface de um módulo de E/S com um periférico
depende da natureza e da operação do periférico.
Transmissão
:
Paralela
✓ Várias linhas de conexão entre o módulo de E/S e o
periférico.
✓ Diversos bits são transferidos ao mesmo tempo.
✓ Utilizada em periféricos de alta velocidade.
Serial
✓ Apenas uma linha para transmissão dos dados.
✓ Bits transmitidos um de cada vez.
✓ Mais comum para impressoras e terminais.
Transferência
Ligação entre módulo E/ S e o periférico
Temporização
(
timming
)
síncrona assíncrona
Controle
Strobing Handshaking
Taxas de transferência
Grande diversidade
Multiplicidade
Ponto a ponto✓ Linha dedicada entre o módulo de E/S e o dispositivo
✓ Conecta, por exemplo, teclado, impressora e modem
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Interfaces & Periféricos
RS-232
modems, faxs, placas
áudio, placas de rede
PS/2
mouse
Centronics
impressoras, scanners
AGP
placas gráficas
ATA/IDE
discos magnéticos
ATAPI
discos ópticos
SCSI
discos magnéticos, discos ópticos, scanners
SATA
discos magnéticos
USB
discos magnéticos, impressoras, scanners, modems
Firewire
discos magnéticos, câmaras fotográficas, de vídeo
PCMCIA
discos, faxs, modems,
Interface Externa SCSI
Small Computer System Interface
Popularizada no Machintosh 1984
Utilizada nos sistemas Windows / Intel
Suporta comunicação síncrona e assíncrona
Cada dispositivo SCSI tem dois conectores:
Entrada
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Interface Externa SCSI
Todos os dispositivos são conectados a uma cadeia
circular
O último dispositivo desta cadeia é conectado ao
computador
Dispositivos podem trocar dados:
Diretamente entre si
Com o computador
Exemplo: Um HD pode comunicar-se com uma unidade
de fita diretamente, sem passar por um sistema hospedeiro(processador)
Interface Externa SCSI
Todas as trocas no barramento SCSI são feitas
entre um mestre e um escravo
Tipicamente o sistema hospedeiro é o mestre e o
periférico é o escravo.
Toda atividade no barramento ocorre em fases:
Barramento livre: barramento disponível para uso
Arbitração: permite a um dispositivo ganhar o controle
do barramento. O dispositivo pode iniciar ou retomar o processamento de uma E/S.
Seleção: permite um mestre a selecionar um escravo
Restabelecimento de conexão: permite ao escravo
55
Interface Externa SCSI
Toda atividade no barramento ocorre em fases:
Comando: permite ao escravo requisitar informações dos
comandos enviados pelo mestre.
Dados: permite ao escravo requisitar a transferência de
dados para o mestre (Data In) ou do mestre para o escravo (Data Out)
Estado: permite ao escravo enviar informações de estado
ao mestre
Mensagem: Permite ao escravo requisitar a transferência
de uma ou mais mensagens para o mestre (Message In) ou do mestre para o escravo (Message Out)
SCSI Signaling (1)
Between initiator and target
Usually host & device
Bus free? (c.f. Ethernet)
Arbitration - take control of bus (c.f. PCI)
Select target
Reselection
Allows reconnection after suspension
e.g. if request takes time to execute, bus can
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SCSI Signaling (2)
Command - target requesting from initiator
Data request
Status request
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Configuring SCSI
Bus must be terminated at each end
Usually one end is host adapter
Plug in terminator or switch(es)
SCSI Id must be set
Jumpers or switches
Unique on chain
0 (zero) for boot device
61
Interface Externa SCSI
SCSI 1 – início de 1980s
Barramento de dados de 8 bits
Cabo com 18 linhas:
✓ 9 para controle
✓ 9 para dados (8 bits dados + 1 bit paridade)
Velocidade de 5 MHz - Taxa de transferência de 5
MBytes/s
Suporta até 7 dispositivos (comparado com 2 da
tradicional IDE)
Possui linhas de controle
Interface Externa SCSI
SCSI 2 - 1991
Padrão corrente
Expandiu o barramento para 16 ou 32 bits
Aumentou a velocidade para 10 MHz – Taxa de
transferência entre 20 ou 40 MBytes/s
Define comandos específicos para:
✓ Impressoras
✓ Processadores
✓ CD-ROMs
✓ Scanners
63
Interface Externa FireWire
IEEE standard 1394 (serial bus FireWire)
Vantagens sobre SCSI
Maior velocidade
Baixo custo
Fácil implementação
Utiliza transmissão de 1 bit por vez (serial)
Requer cabos mais simples que SCSI (que tem mais
linhas)
✓ Menor custo pois cabos paralelos precisam de sincronização
para enviar informação (problema notado em cabos + longos)
Interface Externa FireWire
Usa daisy chain (cadeia circular) com até 63
dispositivos interconectados em uma única porta
Permite hot plugging (conexão a quente)
Computador não precisa ser desligado para
conectar/desconectar dispositivos
Configuração automática de IDs para os
dispositivos
Não é manual
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Interface Externa FireWire
Comparando com SCSI:
SCSI:
✓ requer terminadores nas pontas
✓ Deve-se associar um único ID para cada dispositivo (durante
a configuração)
FireWire:
✓ Não há terminadores
✓ O sistema define os IDs automaticamente
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Interface Externa FireWire
FireWire define 3 camadas de protocolos para o
sistema hospedeiro interagir com os dispositivos:
Physical layer – define o meio de transmissão
✓ Características de sinais e elétricas
Link layer – descreve a transmissão dos dados em pacotes
Transaction layer – define um protocolo de requisição-resposta que esconde detalhes do barramento
FireWire - Physical Layer
Data rates from 25 to 400Mbps
Two forms of arbitration
Based on tree structure
Root acts as arbiter
First come first served
Natural priority controls simultaneous requests
✓ i.e. who is nearest to root
Fair arbitration
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FireWire - Link Layer
Two transmission types
Asynchronous
✓ Variable amount of data and several bytes of transaction
data transferred as a packet
✓ To explicit address
✓ Acknowledgement returned
Isochronous
✓ Variable amount of data in sequence of fixed size packets at
regular intervals
✓ Simplified addressing
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FireWire Subactions
Interface Externa FireWire
Comparando com SCSI:
SCSI:
✓ requer terminadores nas pontas
✓ Deve-se associar um único ID para cada dispositivo (durante
a configuração)
FireWire:
✓ Não há terminadores
✓ O sistema define os IDs automaticamente
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InfiniBand
I/O specification aimed at high end servers
Merger of Future I/O (Cisco, HP, Compaq, IBM) and Next
Generation I/O (Intel)
Version 1 released early 2001
Architecture and spec. for data flow between
processor and intelligent I/O devices
Intended to replace PCI in servers
InfiniBand Architecture
Remote storage, networking and connection
between servers
Attach servers, remote storage, network devices to
central fabric of switches and links
Greater server density
Scalable data centre
Independent nodes added as required
I/O distance from server up to
17m using copper
75
InfiniBand Switch Fabric
InfiniBand Operation
16 logical channels (virtual lanes) per physical link
One lane for management, rest for data
Data in stream of packets
Virtual lane dedicated temporarily to end to end
transfer
77
