Aula 6 - Entrada e Saida

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Entrada/

Saída

Aula 6 Prof. Ms. Marcelo Fernandes

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Qual seu

propósito?

(3)

Fazer com que nós possamos

conversar!!!

Função Geral (1)

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Portanto,

Servem para a comunicação do

computador com o meio externo

Para tanto, são

necessários os...

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Dispositivos Entrada/Saída

 Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O –

(6)

Classificação Básica



Podem ser classificados como...

 armazenamento: discos magnéticos, discos

ópticos, fitas, etc.

 transmissão: placas de rede, modem, etc.

 interface homem-máquina: monitor, teclado,

mouse, etc.

 Interface computador com o meio ambiente:

dispositivos externos a serem monitorados ou controlados (Computação Ubíqua e Pervasiva)

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Novos dispositivos e

tecnologias tem

surgido nos últimos

anos...

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Dispositivos Entrada/Saída

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Dispositivos Entrada/Saída

 Dispositivos de Interação para Realidade Virtual :

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Dispositivos Entrada/Saída

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Dispositivos Entrada/Saída

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Dispositivos Entrada/Saída

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Dispositivos Entrada/Saída

 Computação Ubiqua, RFID (Radio-Frequency

IDentification)

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Dispositivos Entrada/Saida



Em relação às taxas de transmissão…

 Alguns muito lentos (teclado, mouse),

 Outros muito rápidos (gráficos escritos no monitor,

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Dispositivos Entrada/Saida

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Como esses dados fluem internamente na placa mãe? Como dispositivos de diferentes velocidades interagem entre si?

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Dispositivos Entrada/Saida



Resposta…

 A CPU não se comunica diretamente com cada

dispositivo de E/S e sim com "interfaces“

 Essas interfaces são as placas controladoras

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Dispositivos Entrada/Saida

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Dispositivos Entrada/Saida



Circuitos controladores de I/O são usados para

permitir a comunicação entre o processador

e os Dispositivos

 Função:

o Compatibilizar as diferentes características

o Controlar seu dispositivo de E/S e tratar o acesso do dispositivo ao barramento

o temporização

o detecção de erros

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Exemplos de Controladoras



São exemplos:

 controladora gráfica: interface entre monitor e

barramento do sistema (PCI)

 controladora de memória: interface entre memória e

barramento do sistema

 controladora de disco IDE: interface entre discos e

barramento

 controladora de disco SCSI: interface entre discos

SCSI e barramento

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Dispositivos Entrada/Saida



Processo Geral de Comunicação

1. Inicialmente, a CPU interroga o dispositivo, enviando o endereço do dispositivo e um sinal dizendo se quer mandar ou receber dados através da controladora

2. A controladora, reconhecendo seu endereço, responde quando está pronta para receber (ou enviar) os dados.

3. A CPU então transfere (ou recebe) os dados através da controladora

4. A controladora responde confirmando que ...

1. ... recebeu (ou transferiu) os dados (acknowledge ou ACK)

2. ... ou que não recebeu os dados, neste caso solicitando

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Dispositivos Entrada/Saida



Barramentos de sistema (CPU-Memória) X

barramentos de E/S



Barramentos do tipo entrada/saída

 São mais longos

 Podem ter muitos dispositivos conectados a ele

 Muitas vezes necessitam atender uma ampla faixa

de bandas passante

 Não necessariamente têm uma interface direta com a

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Dispositivos Entrada/Saida



Barramentos do tipo “backplane”

 Nome devido ao local de construção (no “backplane”,

estrutura onde as placas são fixadas no chassis da máquina

 Projetado de modo que processadores, memórias e

dispositivos de entrada/saída possam ser interconectados em um único barramento

 Tanto pode ser usado para transportar toda a informação

dentro do computador (caso típico dos primeiros PCs)...

 ... como pode ainda funcionar de interface entre o

barramento processador-memória e os barramentos de I/O.

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Dispositivos Entrada/Saida

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Dispositivos Entrada/Saida



Chipset (video)

 Um chipset é um grupo de circuitos integrados ou chips,

que são projetados para trabalhar em conjunto e que são geralmente comercializados como um produto único.

 É um dos principais fatores de bom desempenho de um

PC, ficando atrás somente do processador e das memórias.

 A maioria dos Chipsets é formada por dois chips

principais:

o ponte norte (northbridge): controlador de memória, alta velocidade)

o ponte sul (southbridge): controlador de periféricos, baixa velocidade)

(26)

(27)

Dispositivos Entrada/Saida



Responsabilidades do Chipset:

 Controle do barramento PCI, AGP, ISA( PC´s mais

antigos);

 Controle da transferência de dados entre a MP e as

Caches

 Controle da transferência de dados entre as Cachês e os

registradores

 Controle do dispositivo DMA ( transferência direta de

dados entre MP e discos), Controle dos sinais de interrupção

 Controle da Interface IDE, USB;  Etc...

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Dispositivos Entrada/Saida



Formas de Comunicação

 Questões a serem consideradas...

o Atividades de E/S são assíncronas (Handshaking pode ser necessário)

o Qualidade dos dados pode ser incerta (Mecanismos de

detecção/correção)

o Transferências podem ser interrompidas (Ex: Impressora sem papel)

Device Drivers devem tratar estes

problemas!!!!!

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Dispositivos Entrada/Saida



Comunicação em Paralelo

 Grupos de bits transferidos simultaneamente (em geral,

byte a byte) através de diversas linhas condutoras dos sinais.

(30)

Por que não usar

sempre comunicação

paralela???

(31)

(32)

Dispositivos Entrada/Saida



Exemplo de Problema

 Propagação dos sinais no meio físico: se fazer de modo que os

sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem

simultaneamente à extremidade oposta do cabo

 Condutores que compõem o cabo usualmente terão pequenas

diferenças físicas , portanto a velocidade de propagação

dos sinais poderá ser ligeiramente diferente nos diversos fios

 Um determinado bit x em cada byte pode se propagar mais

rápido e cheguar à extremidade do cabo antes que os outros n-1 bits do byte.

 Este fenômeno é chamado skew, e as conseqüências são

catastróficas: os bits x chegariam fora de ordem (os bytes

(33)

Dispositivos Entrada/Saida



Portanto, a comunicação em paralelo se limita a

aplicações que demandem altas taxas de

trasferência

 unidades de disco, como CD-ROM, DVD, ou mesmo

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Dispositivos Entrada/Saida



Comunicação em Serial

 Os bits são transferidos um a um, através de um

único par condutor

 O controle é comparativamente muito mais

simples que no modo Paralelo

o Implementação mais barata.

 Inicialmente, muito usada para periféricos mais

lentos

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Dispositivos Entrada/Saida



Comunicação em Serial

A transmissão serial tem recebido aperfeiçoamentos importantes que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão ->USB - Universal

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Dispositivos Entrada/Saida



Metodologias de Comunicação



Entrada e saída programada (ou polling)



Entrada e saída por interrupção

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E/S Programada

(Polling)

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Dispositivos Entrada/Saida



Entrada e saída programada (ou

polling)

 Forma mais simples de E/S

 Freqüentemente utilizada em sistemas de pequeno

porte ou dedicados

 A CPU fica dedicada a gerenciar as transferências

de dados

Deficiência: A CPU gasta a maior parte do tempo

em um loop de espera (busy waiting) até que o dispositivo de entrada esteja pronto para a transferência

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Fluxograma

de E/S

Programada

(Polling) para

uma

transferência

de Disco

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Dispositivos Entrada/Saida



Entrada e saída por interrupção

 Mecanismo pelo qual outros módulos podem

interromper a sequência normal de processamento

o Agora eu tenho elementos interrompendo a CPU

O principal objetivo das interrupções é melhorar o desempenho na utilização da CPU

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Dispositivos Entrada/Saida



Entrada e saída por interrupção

 A interrupção causa um desvio no fluxo do

programa via hardware

o A interrupção para o programa que está rodando e desvia o fluxo para a Rotina de Tratamento da Interrupção

 Rotina de Tratamento da Interrupção

o Software que realiza o serviço de transferência daquele dispositivo externo que solicitou a interrupção.

o Verifica a ocorrência de possíveis erros na transferência de dados

o Quando finaliza a rotina de tratamento da interrupção, o processador retoma a execução do programa interrompido

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(44)

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Dispositivos Entrada/Saida



Tipos mais comuns de interrupção:

1. interrupção de software: ocasionada por alguma condição resultante da execução de uma instrução, como por exemplo um overflow ou uma divisão por zero

2. interrupção de relógio: gerada pelo clock do processador, destinada a executar operações periódicas.

3. interrupção de E/S: ocasionada por um controlador de E/S para indicar a conclusão de uma operação ou a ocorrência de erros.

4. interrupção de falha de hardware: provocada por falha do hardware, como um erro de paridade em memória ou a queda de energia.

(46)

Fluxograma

de E/S

controlada

por

interrupção

para uma

transferência

de Disco

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Dispositivos Entrada/Saida



Entrada e saída por interrupção (cont.)

 É comum existirem várias interfaces de dispositivos

diferentes que fazem pedidos de interrupção à CPU

 Cada interface deve ser atendida por uma rotina de

serviço de interrupção específica

o Assim, ao receber um pedido de interrupção, o processador deve

determinar qual a rotina de serviço a ser executada

o Além disso, quando duas ou mais interfaces fazem pedidos de interrupção simultâneos, é necessário decidir qual o pedido de

interrupção que será atendido

 Estas duas funções são suportadas por um

componente chamado controlador de interrupção (interrupt controller)

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Dispositivos Entrada/Saida

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Dispositivos Entrada/Saida



Entrada e saída por interrupção (cont.)

 O sinal de interrupção de cada interface é ligado ao

controlador de interrupção.

o Um número e uma prioridade são atribuídos a cada um destes sinais

 Quando um pedido de interrupção acontece, o

controlador de interrupção envia para o processador, através do barramento de dados, o número do pedido.

 No caso de dois ou mais pedidos simultâneos, o

controlador decide qual é o pedido com maior prioridade e envia para o processador o número correspondente.

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Acesso Direto à Memória

(DMA)

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Dispositivos Entrada/Saida



DMA (Direct Memory Acess)

 Uma controladora que lê ou escreve dados da/na

memória sem que seja necessária a intervenção

do processador utiliza o mecanismo de Acesso

Direto à Memória

 Caracteristicas:

o Libera a CPU do intermédio entre dispositivo e memória

o Uma transferência por DMA essencialmente copia um bloco de memória de um dispositivo para outro

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A transferência é realizada pelos

controladores DMA

que são tipicamente parte do chipset

da placa mãe

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Dispositivos Entrada/Saida



Controlador de DMA

 Possui…

o Address: end. de memória a ser lido/escrito o Count: quantidade de bytes/palavras

o Device: no. do dispositivo/end. de memória (E/S mapeada em

memória)

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Dispositivos Entrada/Saida

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Dispositivos Entrada/Saida

Início

CPU prepara Disco para transferencia DMA

Controladora de DMA inicia transferencia independente

da CPU

CPU executa outro processo Controladora de DMA interrompe a CPU quando transferencia é terminada Continua Quando termina a transferência dos dados, o controlador DMA força uma interrupção, fazendo com que o processador suspenda a execução do programa corrente (processo), e inicie a execução da respectiva rotina de Tratamento da Interrupção.

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Dispositivos Entrada/Saida



Acesso Direto à Memória

 Em geral, é possível ter várias dispositivos de e/s

operando com a técnica de acesso direto à memória

 Para tanto, o controlador de DMA possui várias entradas para

pedido de DMA

 O controlador de DMA associa a cada uma destas entradas um

conjunto independente de registradores

o Para armazenar o número de dados a serem transferidos, o endereço inicial e o sentido da transferência

 Um grupo de sinais de controle com seus respectivos

registradores formam o chamado canal de DMA

 O controlador de DMA se encarrega de arbitrar entre

dispositivos que fazem pedidos de DMA simultâneos, usando um

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Página da Disciplina

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Bibliografia

 Andrew S. Tanenbaum. Structured Computer

Organization. Prentice Hall, 4ª edição, 2001

 Slides da Professora Roberta Lima Gomes - PRM/DI/UFES