Arquitetura de computadores Prof. Edivaldo Serafim Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013 IFSP – Campus Capivari

Entrada e saída 17/04/2013

periféricos ENTRADA E SAÍDA Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 periféricos

Periféricos Periféricos são componentes de hardware externos que possuem a função de interação com o computador; Servem de interface entre o homem e o computador; Podem ser interface entre maquina e máquina; Existem periféricos de: Entrada: Teclado, mouse, scanner, webcam, microfone; Saída: Impressora, monitor, caixas de som; Entrada e saída: HD, Pen Drive, CD/DVD, Placa de rede. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Conexões de periféricos Um dispositivo externo se conecta a um módulo de entrada e saída; Um dispositivo externo tem as seguintes conexões de interface com o módulo de I/O: Linha de dados; Linha de informações de controle; Linha de informações de estado; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Conexões de periféricos Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Conexões de periféricos Sinais de controle: Determinam as funções a serem exercidas pelos dispositivos de I/O: Enviar dados para o módulo; Receber dados para o módulo; Sinais de estado: Indicam o estado do dispositivo ligado ao módulo de I/O: Pronto (READY) não pronto (NOT READY); Sinais de dados: Passam os dados do ou para o módulo de I/O. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Conexões de periféricos A lógica de controle controla o dispositivo periférico de acordo com os sinais de controle emitidos pelo módulo de I/O; A área de armazenamento é um Buffer temporário que guarda os dados para que possam ser transmitidos Normalmente de tamanho de 8 a 16 bits; O transdutor converte grandezas analógicas em grandezas digitais: Polos magnéticos em corrente elétrica; Padrão elétrico analógico e padrão elétrico digital; Captação sonora em sinal digital; Captação de vídeo em sinal digital; Sinal digital em ondas de áudio ou vídeo, etc. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Funcionamento Módulo de I/O Buffer Lógica de controle Transdutor 1 1 1 SEND NOT READY READY Periférico Lógica de controle Buffer 1 1 Transdutor Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 1 1

Classificação de dispositivos periféricos Dispositivos periféricos podem ser classificados em três categorias: Dispositivos voltados para a comunicação com o usuário: Teclado, mouse, impressoras, monitores, etc.; Dispositivos voltados para a comunicação com a máquina: Discos magnéticos, Pen Drives, Fitas Magnéticas, etc.; Dispositivos voltados para a comunicação com dispositivos remotos: Modens e Rede. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Módulo de entrada e saída Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013 Módulo de entrada e saída

Módulo de entrada e saída Depois do processador e da memória, o módulo de I/O é o terceiro componente mais importante do computador; Esse módulo não é apenas uma ligação entre os periféricos e o processador/memória, possuindo uma lógica dedicada a desempenhar a função de comunicação entre dispositivos periféricos e barramento; Mas por que os periféricos não são ligados diretamente ao barramento? Existem muitos tipos diferentes de periféricos; Possuem taxa de transferências distintas; Utilizam formato de dados e tamanhos de palavras diferentes. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Funções do módulo de I/O O módulo de I/O deve desempenhar as funções principais: Fornecer interface entre processador / memória e dispositivos periféricos; Fornecer interface com um ou mais dispositivos periféricos. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Funções do módulo de I/O Outras funções importantes do módulo de I/O podem ser: Controle de temporização; Comunicação com o processador; Comunicação com os dispositivos; Área de armazenamento temporário de dados; Detecção de erros. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Controle e temporização O processador se comunica com os dispositivos externos de acordo com as necessidades dos programas, ou quando um periférico precisa enviar dados para o processador; Recursos internos como memória principal e barramento local são compartilhados também para o módulo de I/O; O módulo de I/O deve temporizar e controlar as operações que envolvem entrada e saída para utilização do barramento local; Uma operação que envolve este módulo deve possuir as seguintes etapas: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Controle e temporização O processador interroga o Módulo de I/O para saber se o dispositivo está conectado a ele; O módulo de I/O retorna o estado do dispositivo; Se o dispositivo está pronto, o processador requisita um dado para o módulo de I/O; O módulo de I/O negocia com o dispositivo que enviará uma unidade de dados; Assim que obter os dados, o módulo de I/O envia para o processador. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Comunicação com o processador O módulo de I/O comunica-se tanto com o processador quanto com os dispositivos externos; A comunicação com os dispositivos externos foi abordada anteriormente; A comunicação com o processador envolve as seguintes tópicos básicas: Decodificação do comando: Decodificação dos sinais enviados pelo barramento de controle; Dados: Transferência de dados envolvendo o barramento de dados; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Comunicação com o processador Continuação... Informação de estado: Indicam a situação do módulo de I/O podendo ser, entre outras BUSY, READY ou em condição de erro; Reconhecimento de endereços: Assim como a memória, cada dispositivo de entrada e saída possui um endereço que deve ser indicado pelo processador. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Armazenamento de dados O módulo de I/O comunica-se com o barramento local e com os dispositivos; Esses componentes possuem diferentes velocidades de operação; Deve haver uma área de armazenamento no módulo de I/O para que o processador não fique muito tempo ocioso em uma operação de I/O; Essa área de armazenamento compreende um Buffer de dados; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Txs. de transferências de I/O Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Detecção de erros O módulo de I/O deve ser capaz de reconhecer e tratar erros dos dispositivos; Detecção de erros podem ser: Erros de impressão por falta de papel; Erros de funcionamento mecânico ou elétrico de drives; Alteração do padrão de bits transmitidos por um dispositivo externo. Utiliza-se alguma técnica de correção de erros Geralmente usa-se bit de paridade para detectar erros; Além de muito simples pode ser método falho. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Estrutura do módulo de I/O O módulo de I/O pode variar bastante em complexidade e número de dispositivos externos que ele controlam; Discutiremos uma estrutura genérica que pode ser o mais abrangente possível; O módulo de I/O é conectado ao barramento local por um conjunto típicos de linhas de barramento: Barramento de dados, de endereço e de controle; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Estrutura do módulo de I/O

Estrutura do módulo de I/O O módulo de I/O deve fornecer ao processador uma visão simplificada de uma ampla gama de dispositivos; Deve esconder do processador detalhes dos dispositivos externos como: Temporização, formato de dados e operação mecânicas dos dispositivos externos; Isso permite ao processador operar com comandos simples com o módulo de I/O que fica encarregado de gerenciar os dispositivos; Nos computadores pessoais, o módulo de I/O é também denominado processador de I/O ou controlador de I/O: Controlador de Disco, controlador USB, controlador RAID. Esses controladores geralmente fazem parte do Chipset da placa mãe. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Operações de I/O As operações de I/O podem ser realizadas através de três técnicas diferentes: I/O programada: Dados são enviados do módulo de I/O para o processador, sendo que o processador coordena a operação; I/O dirigida por interrupção: O processador envia um pedido de I/O, e volta a executar outros programas; O módulo de I/O envia uma interrupção ao final da operação de I/O; I/O por DMA: O processador designa ao controlador DMA a operação de I/O que fica a cardo do módulo de I/O efetuar a leitura/gravação na memória. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

I/O programada Nesta técnica, o módulo de I/O recebe um pedido de I/O, e após realizar a operação, disponibiliza os dados no Buffer de I/O; Nenhum sinal é enviado ao processador; O processador deve consultar o módulo de I/O periodicamente para verificar se o dado está disponível; Isso consome tempo de processamento e degrada o desempenho do sistema; Quatro tipos de comandos são utilizados: Controle; Teste; Gravação e; Leitura. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

I/O Programada Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Endereçamento de dispositivos de I/O E/S mapeada na memória Há um único espaço de endereçamento para posições de memória e dispositivos de I/O; E/S independente Espaço de endereçamento de I/O é independente do espaço de endereçamento da memória; Acesso ao s dispositivos de I/O é feito através de instruções especiais (comandos); Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

I/O programada – Comandos Controle: Sinaliza ao periférico uma operação: Avanço de fita, leitura de um setor, impressão de um caractere; Teste: Verifica várias condições de estado do dispositivo, como estado de funcionamento, se o dispositivo está ligado e disponível, bem como se a última operação não resultou em erro; Leitura: Faz com que o módulo de I/O efetue uma leitura no periférico; Gravação: Faz com que o módulo de I/O efetue uma gravação no periférico; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

I/O Dirigida por interrupção O processador envia um comando de I/O para o módulo e continua a executar outras instruções; O módulo de I/O interrompe o processador quando ele (módulo) estiver pronto para enviar ou receber dados; O processador efetua a transferência de dados e depois retorna ao seu processamento original É mais eficiente que I/O programada, pois elimina ciclos de espera desnecessários; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

I/O Dirigida por interrupção Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Processamento de interrupção Os seguintes passos são disparados quando ocorre uma interrupção: Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Duas questões devem ser consideradas na implementação de I/O dirigida por interrupção: Como o processador determina qual módulo de I/O enviou a interrupção; Quando há várias interrupções pendentes enviadas, qual processar primeiro; Para resolver esses problemas, temos 4 técnicas para identificar os dispositivos: Múltiplas linhas de interrupção; Identificação por software; Identificação por hardware (vetorada); Arbitração do barramento (vetorada). Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Múltiplas linhas de interrupção: Na prática, poucas linhas de CPU são usadas para solicitação de interrupções; Vários módulos de I/O utilizarão as mesmas linhas; É ineficiente. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Identificação por software: Ao identificar uma interrupção, outras rotinas deverão ser disparadas para poder tratá-la; Consome muito tempo de processamento; Cada módulo de I/O deverá ser interrogado para determinar o originador da interrupção; Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Identificação por hardware (Vetorada): O sinal de reconhecimento de interrupção se propaga pelos módulos de I/O, até chegar àquele que originou a interrupção; Esse módulo responde colocando uma palavra de dados, chamada vetor de interrupção, nas linhas de dados; O vetor de interrupção contém o endereço do módulo de I/O, e serve para que o processador acione a rotina de tratamento de interrupção adequada ao dispositivo; Isso evita a execução de rotinas genéricas para determinar o endereço dos dispositivos. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Identificação por hardware (Vetorada): Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Aspecto de projeto Arbitração do barramento (vetorada): Para enviar um sinal de interrupção, o módulo de I/O precisa inicialmente obter o controle do barramento; Somente o módulo de I/O que gerou a interrupção pode comunicar-se com o processador, que já saberá qual módulo está pedindo a interrupção; Quando o Processador detecta a interrupção, ele responde por meio da linha de reconhecimento de interrupção; O módulo de I/O que causou a interrupção coloca seu vetor na linha de dados. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

DMA – Acesso direto a memória É a técnica mais eficiente para operação do módulo de I/O com o barramento do sistema; Envolve um módulo adicional no barramento do sistema; Esse módulo, denominado controlador de DMA, imita o processador nas funções de I/O de dados; Utiliza o barramento de dados para gravar dados diretamente dos dispositivos na memória, sem a interferência do processador; Para utilizar o barramento do sistema, o controlador de DMA pode operar das seguintes maneiras: Usando o barramento apenas quando o processador não o utiliza; Forçando o processador a suspender temporariamente sua operação – técnica conhecida como roubo de ciclo. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

DMA – Acesso direto a memória Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Estrutura Interna de Um Módulo DMA Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Configurações de DMA Algumas possibilidades de configuração para o módulo DMA: Barramento único, DMA separado; Barramento único, DMA e I/O integrados; Barramento específico de I/O. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Configurações de DMA Barramento único, DMA separado: Existe um barramento único ao qual o controlador DMA está também ligado; O controlador DMA atua como se fosse o processador substituto; É menos eficiente pois consome ciclos de barramento local; Porém é uma solução barata. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Configurações de DMA Barramento único, DMA e I/O integrados: Existe um barramento único ao qual os controladores DMA estão também ligados; O controlador DMA atua como se fosse o processador substituto; Porém cada controlador DMA possui seus módulos de I/O correspondentes interligados; É mais eficiente que o anterior. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Configurações de DMA Barramento específico de I/O: Existe um barramento específico ao qual o controlador DMA está ligado; O controlador DMA atua como se fosse o processador substituto; É mais eficiente que os anteriores. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013

Canais e processadores de I/O A evolução da forma como o processador trata as entradas e saídas foi evoluindo com os anos; Uma sequencia dessa evolução pode ser resumida: O processador controla diretamente dispositivos; Módulos de I/O são adicionados; Interrupções são utilizadas; É introduzido o módulo de DMA; O módulo de I/O evolui para um canal, e executa programas de I/O carregados da memória principal; O canal evolui para um processador, possuindo sua própria memória local. Prof. Edivaldo Serafim - Arquitetura de Computadores - IFSP 2013