Arquitetura de computadores

Prof. Edivaldo Serafim

Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013

IFSP – Campus Capivari

Entrada e saída17/04/2013

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PERIFÉRICOSENTRADA E SAÍDA

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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.

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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;

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Conexões de periféricos

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Conexões de periféricos

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• 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.

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Conexões de periféricos

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• 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.

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Funcionamento

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Buffer

Transdutor

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0

1

1Lógica de controle

NOT READYREADYSEND

Módulo de I/O 1 0 0 1

Periférico

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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. 10

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MÓDULO DE ENTRADA E SAÍDAENTRADA E SAÍDA

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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.

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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.

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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.

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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:

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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.

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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; 17

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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.

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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;

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Txs. de transferências de I/O

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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.

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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;

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Estrutura do módulo de I/O

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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.

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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.

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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. 26

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I/O Programada

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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);

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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;

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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;

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I/O Dirigida por interrupção

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Processamento de interrupção• Os seguintes passos são disparados quando ocorre uma

interrupção:

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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). 33

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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.

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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;

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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.

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Aspecto de projeto• Identificação por hardware (Vetorada):

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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.

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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.

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DMA – Acesso direto a memória

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Estrutura Interna de Um Módulo DMA

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.46