Barramentos Entrada e Saída (E/S) CPU I...

21/05/2010

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Barramentos

Entrada e Saída (E/S)

Introdução

CPU IMemória

O

Barramento

Arquitetura de von Neuman

Barramentos

Barramento é o meio de comunicação compartilhado por vários dispositivos, constituído por sinais de dados, endereços e controle.

Barramentos

• Transporta informações (dados ou instruções)

• Bidirecional.Barramento

de dados

• Utilizado pelo processador para enviar endereços de memória ou dos dispositivos de E/S.

• Largura depende do número de locais de memória que se pretende acessar.

• Unidirecional

Barramento de endereços

• Utilizado para sinalizar solicitações e confirmações.

• Bidirecional.

• Exemplos: clock; reset; memory read/write; I/O read/write; bus request/grant; interruptrequest/acknowledgement

Barramento de controle

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Barramentos

Vantagens• versatilidade – o uso de um único esquema de

ligação permite adicionar mais periféricos e mover periféricos entre diferentes computadores que usem o mesmo tipo de barramento;

• baixo custo – um único conjunto de ligações é partilhado por vários dispositivos;

Desvantagens• disputa – compartilhado por vários

dispositivos, o barramento pode representar um gargalo de velocidade de comunicação

• limitação na velocidade – a velocidade máxima de transmissão de dados é limitada pelo comprimento e o número de dispositivos ligados.

Barramentos:: Definições

Transação de Barramento

Seqüência de ações para completar uma atividade bem definida.

Exemplos: leitura de memória, escrita de memória.

Iniciada por um dispositivo mestre.

Operação de barramento

Uma transação pode envolver uma ou mais operações de barramento.

Ciclo de barramento

Período do clock do barramento.

Maior que o ciclo de clock do processador.

Barramentos

Largura

Tipo

Arbitragem

Temporização

Hierarquia

A largura de barramento é o número de caminhos elétricos (linhas) que o compõem.

Do ponto de vista do barramento de endereços, quanto mais linhas de endereço um barramento possui, mais espaços de memória ele poderá acessar diretamente.

Um barramento com n linhas pode acessar 2n locais de memória diferentes.

Barramentos mais largos, contudo, requerem mais linhas, ou seja, implicam em maior custo de material e ocupam mais espaço.

Barramentos:: Largura

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

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Do ponto de vista do barramento de dados, para aumentar a

largura de banda de transmissão de dados pelo barramento, há

duas opções:Aumentar a largura do barramento (mais bits por transferências)

Reduzir o período de ciclo (mais transferências por segundo)


Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Largura do barramento de dados

Reduzir o período de ciclo implica em dois problemas:

Incompatibilidade com sistemas legados

Pequenas diferenças de velocidade entre linhas

diferentes do mesmo barramento (bus skew).

A largura do barramento de dados não corresponde

necessariamente ao tamanho das instruções da arquitetura.

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia


Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Barramentos:: Tipo

Barramento Dedicado

• Barramento distintos carregam informações de dados e de endereços

• Alto desempenho

• Alto custo

Barramento Multiplexado

• Informações de dados e de endereços são multiplexados em um barramento compartilhado

• Redução de custos

• Sistema mais lento

Barramentos síncronos

São barramentos que incluem um sinal de clock nas

linhas de controle e um protocolo fixo para comunicação,

que é relativo ao clock.

Aplicação: barramentos processador-memória.

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Barramentos:: Temporização síncrona

Vantagens• simplicidade – fácil de implementar.

• velocidade – o barramento pode funcionar com clocks de alta freqüência.

Desvantagens• homogeneidade – todos os componentes

têm de se comunicar à mesma velocidade.

• comprimento – devido ao clock skew, não pode ser comprido; quanto mais rápido o clock, mais curto tem de ser.

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Barramentos assíncronos

Não há sinal de clock

Utilizam um protocolo de handshaking para coordenar o

uso do barramento.

Exemplo básico de uma seqüência de handshaking:

Barramentos:: Temporização assíncrona

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Barramentos:: Temp. assíncrona :: Protocolo de handshaking

DadoPronto

Dados

ReqLeitura

Este símbolo indica que a linha possui

dados válidos nesse período, mas o

valor não é conhecido.

Ack

1

3

4

5

7

642 2

DadoEndereço

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

0. Dispositivo E/S sinaliza uma requisição, enviando um sinal ReqLeitura alto e colocando endereço nas linhas de dados.

1. Memória vê sinal alto em ReqLeitura, lê endereço na linha de dados, e confirma, levantando o sinal de Ack.

2. Dispositivo E/S vê sinal Ack e libera linhas ReqLeitura e de dados.

3. Memória detecta ReqLeitura em baixa e libera sinal Ack.4. Memória, quando pronta, coloca os dados na linha de dados

e ativa sinal DadoPronto.5. Dispositivo E/S vê DadoPronto, lê dados do barramento e

ativa Ack.6. Memória vê sinal Ack, abaixa DadoPronto e libera linha de

dados.7. Dispositivo E/S detecta liberação de DadoPronto e desativa

Ack

Barramentos:: Temp. assíncrona :: Protocolo de handshaking

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Barramentos:: Temporização assíncrona

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Vantagens:

• Heterogeneidade – os dispositivos podem comunicar a diferentes velocidades.

• Comprimento – o barramento pode ser mais longo do que os síncronos, pois não existem problemas de desvio de clock.

Desvantagens:

• Complexidade – implementação complexa.

• Velocidade – normalmente mais lentos do que os barramentos síncronos.

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Barramentos:: Arbitragem

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Uma disputa acontece quando dois ou mais dispositivos E/S

tentam acessar ao mesmo tempo o barramento comum:

Para evitar disputa e disciplinar o acesso dos dispositivos E/S,

utiliza-se um arranjo master-slave:

Somente o mestre do barramento (bus master) pode

controlar o acesso ao barramento.

Ele inicia e controla todas as requisições do barramento.

Um bus slave responde às requisições.

E/S E/S

Barramentos:: Arbitragem :: Taxonomia

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Arbitragem

Estática

Dinâmica

Políticas de alocação

Prioridade fixa

Prioridade rotativa

Com justiça (Fair)

Híbrida

Políticas de liberação

Não-preemptiva

Baseada em transações

Baseada em demanda

Preemptiva

Barramentos:: Arbitragem estática × dinâmica

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Arbitragem estática

• O controle do barramento é compartilhado de forma pré-determinada.

• Implementação fácil.

• Não leva em consideração necessidades dos dispositivos.

• Utilização ineficiente: o barramento é alocado mesmo quando não é preciso.

Arbitragem dinâmica

• Barramento somente é alocado em resposta a uma requisição.

• Duas linhas:

• O mestre usa a linha de bus request para solicitar uso do barramento.

• Antes de usar o barramento, o mestre deve receber permissão pela linha bus grant.

Barramentos:: Arbitragem :: Políticas de alocação

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Políticas de alocaçãoPrioridade fixa

• Cada dispositivo mestre é associado a um número fixo de prioridade.

• O dispositivo de maior prioridade sempre tem acesso ao barramento.

Prioridade Rotativa

• Prioridade não é fixa.

• Várias maneiras de mudança de prioridade:

• Função do tempo de espera

• Menor prioridade para o dispositivo que acabou de usar o barramento.

Com justiça

• Evitam o problema de starvation, quando um elemento não tem acesso ao barramento devido a constantes pedidos de maior prioridade.

• Não utiliza prioridades.

Híbrida

• Prioridade e justiça incorporadas em uma mesma política.

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Barramentos:: Arbitragem :: Políticas de liberação

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Políticas de liberaçãoNão preemptiva –Baseada em transações

•Libera o barramento no final da transação corrente.

•Requer o barramento de novo se houver mais transações, garantindo justiça.

• Implementação fácil.

•Overhead desnecessário se apenas um mestre precisa do barramento.

Não preemptiva –Baseada em demanda

•Libera o barramento somente quando um outro mestre solicita.

•Evita requisições desnecessárias da política anterior.

•Mais eficiente.

Preemptiva

•Força o mestre corrente a liberar o barramento mesmo sem ter completado sua transação.

Barramentos:: Arbitragem Dinâmica :: Implementação

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Implementação de Arbitragem

Dinâmica

Centralizada

Daisy-chaining

Requisições Independentes

HíbridaDistribuída

Barramentos:: Arbitragem Centralizada × Distribuída

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Arbitragem dinâmica centralizada

• Um árbitro central recebe todas as requisições de barramento.

• Políticas de alocação são utilizadas para determinar quais requisições serão confirmadas.

• Tal confirmação é transportad pela linha de bus grant.

• Quando a transação termina, o barramento é liberado através de alguma política.

Arbitragem dinâmica distribuída

• O hardware de arbitragem está distribuído entre os dispositivos mestres.

• Um algoritmo de arbitragem distribuído é usado para determinar quem deve utilizar o barramento.

Barramentos:: Arbitragem :: Daisy Chaining

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Implementa arbitragem dinâmica centralizada.

Quando o árbitro vê uma requisição de barramento, envia uma confirmação através da linha bus grant.

O dispositivo mais próximo ao árbitro, verifica se foi ele quem pediu acesso.

Caso positivo, ele toma controle do barramento, sem propagar o sinal de grant.

Caso negativo, repassa o sinal de grant para frente

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Barramentos:: Arbitragem :: Daisy Chaining

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Vantagem

• Implementação simples

Desvantagens

• Não garante justiça, pois implementa política de prioridade fixa. Assim, um dispositivo de baixa prioridade pode ficar bloqueado indefinidamente.

• Não tolerante a falhas: o mestre participa de todas as transações.

• O uso do sinal daisy chain grant limita a velocidade do barramento.

Barramentos:: Arbitragem :: Requisições independentes

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Cada dispositivo mestre é conectado ao árbitro central por

linhas de grant e request separadas.

O árbitro central pode utilizar diversas políticas de alocação

para definir quem deve ter acesso ao barramento.

Técnica utilizada pelo barramento PCI.

Desvantagem: implementação complexa.

Barramentos:: Arbitragem :: Híbrida

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Dispositivos mestre com prioridades semelhantes são

divididos em classes.

Cada classe possui suas próprias linhas de request e grant.

Dentro de cada classe, o barramento é conectado usando

daisy-chaining.

Barramentos:: Arbitragem Distribuída

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Os próprios dispositivos mestres determinam quem deve

acessar o barramento no próximo ciclo de transações.

Podemos ter versões distribuídas dos esquemas de daisy-chaining e de requisições independentes.

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Barramentos:: Hierarquia

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

Devido às diferentes necessidades de velocidade dos

dispositivos de E/S, as arquitetura de computadores são

geralmente compostas de diferentes barramentos,

interconectados por interfaces (bridges).

Barramentos:: Hierarquia

Largura

Tipo

Tempori-zação

Arbitragem

Hierarquia

• on-chipProcessor

bus

• Backside bus – conecta a cache ao processador

• Front-side bus – conecta o subsistema de memória e o processador

Memory bus

• Barramento de alta velocidade para conectar periféricos de desempenho crítico à memória e ao processador

• Exemplos: PCI, VESA Local Bus

Local I/O bus

• Conecta periféricos mais lentos ao barramento local

• Exemplos: ISAStandard I/O bus

• Conecta interconecta dispositivos externos.

• Exemplos: USB e FirewireExternal

bus

Controle de E/S

Entrada/Saída:: Definição

Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O –Input/Output) oferecem um meio para troca de dadosentre o ambiente externo e o processador.

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Entrada/Saída:: Características

Três características básicas na organização de dispositivos de entrada e saída (E/S):

Exemplo: teclado é um dispositivo de entrada utilizado por um humano com uma taxa máxima de 10 B/s

Comportamento

• Entrada(só leitura)

• Saída (só escrita)

• Armazenamento (pode ser relido e normalmente reescrito)

Parceria

• Interação com humano

• Interação com outra máquina

Taxa de dados

• Taxa de pico de transferência de dados entre o dispositivo de E/S e a memória principal (ou processador)

Entrada/Saída:: Desempenho

A maior parte das características dos sistemas de Entrada/Saída (E/S) dependem da tecnologia.

Para comparar diversos sistemas de E/S, deve-se levar em conta:

Desempenho

Expansibilidade

Capacidade de recuperação na presença de falhas

O desempenho de um sistema de E/S é mais complexo de se estimar do que o desempenho dos processadores

Para alguns dispositivos de E/S, a latência de acesso é a característica mais importante (mouse, teclado)

Para outros, o throughput é mais importante (interface de rede)

Entrada/Saída:: Portas de I/O

Dispositivos de E/S não se conectam diretamente ao barramento de sistema.

Por isso, utiliza-se portas de I/O como uma interfaceentre o barramento de sistemas e os dispositivos de E/S.

Portas de I/O permitem troca, retirada e acréscimo de dispositivos de E/S sem alteração do restante da arquitetura.

O processador fica livre dos detalhes de baixo-nível.

Garante-se desacomplamento elétrico.

Periféricos

Entrada/Saída:: Portas de I/O

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Entrada/Saída

Esquemas de acesso

Modos de transmissão

Transferência de dados

Papel do Sistema Operacional

Entrada/Saída:: Acesso a portas de I/O

Dependendo da forma como são acessadas pelo processador, as portas de I/O podem ser:

• Possuem um espaço de endereço único, diferente do espaço de endereçamento de memória.

• Comandos especiais de I/O são utilizados para comunicação.

Dedicadas

(Isoleted)

• Compartilham o mesmo espaço de endereçamento de memória.

• Por isso, são normalmente vistas pelo processador como locais da memória.

Mapeadas em

memória

Entrada/Saída:: Modos de transmissão

Transmissão de dados

Paralela

Serial

Assíncrona

Síncrona


Transmissão serial

utiliza apenas uma linha, e cada bit é transmitido serialmente, um por vez

Transmissão paralela

utiliza uma linha por bit, e todos os bits são

transmitidos simultaneamente

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Serial síncrona

- Emissor e receptor devem estar sincronizados.

- Blocos de dados podem ser enviados de uma só vez.

- Mais cara, porém mais eficiente.

Serial assíncrona

- Cada byte é codificado para transmissão.

- Uso de bits marcadores de começo (start) e final de

transmissão (stop).

Entrada/Saída:: Transferência de dados

Grau de envolvimento do processador

A transferência de dados entre memória e dispositivos de E/S ocorre por meio de protocolos.

Três técnicas básicas são utilizadas:

Transferência de dados

E/S Programada

(Polling)

Orientado a interrupções

Direct Memory Access (DMA)

Transferência de dados:: E/S Programada (Polling)

O processador testa repetida e seqüencialmente cada periférico, a fim de verificar se eles se encontram prontos para receber ou enviar dados.

A CPU verifica seqüencialmente, por meio de um MUX, o estado da linha READY de cada periférico.

Para atender às demandas de todos os periféricos, a CPU deve consultar todos os dispositivos com a freqüência do dispositivo que exige a maior taxa.

Ações da CPU ao consultar um dispositivo E/S:

Interrompe a execução do programa.

Realiza a seqüência de consulta.

Provê o serviço, se necessário.

Retoma a execução do programa.


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Se dois ou mais periféricos precisarem ser atendidos ao mesmo tempo, o primeiro a ser consultado será atendido primeiro, ainda que o outro periférico tenha de ser atendido mais urgentemente.

O método de polling é fácil de implementar, mas implica uma grande dedicação do processador.

Apesar do processador ser mais rápido do que os periféricos, ele não pode prosseguir com a execução do programa enquanto a operação de I/O não terminar.

Transferência de dados:: Interrupções

Por este método, a CPU responde por uma requisição de serviço somente quando requisitada pelo periférico.

Dessa forma, a CPU pode se concentrar na execução de um programa sem ter de interromper desnecessariamente para verificar se um periférico precisa ou não ser atendido.

Interrupções

Vetorizada

Mascarável

Não mascarável

Por software

Transferência de dados:: Interrupções

Ações desempenhadas pela rotina de atendimento a interrupções:

1• Desabilita temporariamente novas interrupções

2• Salva o estado atual do processador (todos registradores)

3• Habilita novas interrupções

4• Determina a causa da interrupção

5• Atende a interrupção

6• Desabilita novas interrupções

7• Restaura o estado do processador

8 • Habilita novas interrupções

9• Retorna da interrupção

Transferência de dados:: Interrupção Vetorizada

Interrupção Vetorizada

Em uma interrupção vetorizada, o PIC (Programmable InterruptController) é responsável por gerenciar as interrupções baseando-se em prioridades.

Caso mais de um dispositivo solicite interrupção ao mesmo tempo, o PIC atenderá primeiro aquele que tiver maior prioridade, depois o de segunda maior prioridade, e assim por diante.

Ao atender uma interrupção, o PIC envia um sinal de interrupção (INTR) para a CPU e informa o endereço do dispositivo colocando uma word (vetor) correspondente no barramento de dados.

Ao receber uma interrupção, o processador completa a instrução atual e salta para uma rotina de atendimento a interrupções(interrupt service routine).

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• São imediatamente atendidas pela CPU.

• Exemplo: erro de paridade na memória DRAM, indicando mal funcionamento.

Interrupções não-mascaráveis

(NMI)

• O atendimento a elas pode ser atrasadoaté que a execução do programa atinja um ponto conveniente.

Interrupções mascaráveis

Transferência de dados:: Interrupção por Software

Interrupção por Software

Interrupções por software são solicitadas pelo software que está sendo processado pela CPU, em vez de um hardware externo à CPU.

Invocam as mesmas rotinas de serviços que as interrupções de hardware.

Quando invocada, a rotina de interrupção funciona da mesma forma que uma interrupção vetorizada.

Exemplos:

Comando syscall, na arquitetura MIPS.

Comando INT, na arquitetura Intel

Transferência de dados:: Acesso Direto à Memória (DMA)

Nos casos de transferência de dados entre dispositivos de I/O, o uso de técnicas de polling ou de interrupção elevaria a carga de trabalho do processador.

O mecanismo de Acesso Direto à Memória (DMA –Direct Memory Access) possibilita transferir dados diretamente da/para memória sem envolver o processador.

O mecanismo de interrupções é utilizado apenas para:

Informar a CPU de que a transferência terminou, ou

Notificar a ocorrência de erros.

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Transferência de dados:: Acesso Direto à Memória (DMA)

Transferência

controlada por

interrupção

Transferência

DMA

Transferência de dados:: Controlador de DMA

O controlador de DMA assume o papel de mestre de barramento (bus master) e dirige todo o tráfego entre a memória e o controlador do periférico.

O controlador de DMA pode gerenciar transferências de dados muito mais rápido que a CPU, pois não tem a incumbência de executar instruções.

Um controlador de DMA possui pelo menos quatro registradores para:

Guardar o endereço de memória a ser lido ou escrito.

Conter a identificação do dispositivo de E/S.

Armazenar o número de bytes ou palavras a serem transferidos.

Informar a direção da transferência (leitura ou escrita no dispositivo de E/S).

Transferência de dados:: DMA :: Mecanismo

Uma transferência DMA envolve três passos básicos:

Uma vez terminada a transferência, o DMA interrompe o CPU, que pode então interrogar o DMA ou a memória se a operação foi completada com sucesso.

O controlador de DMA inicia a operação, arbitra o acesso ao barramento e transfere os dados na direção apropriada:

Ele fornece os endereços de memória para cada bloco de dados a ler ou escrever

É possível completar uma transferência de muitos dados sem incomodar a CPU

A CPU fornece ao controlador de DMA:

Endereço de memória

Identidade do dispositivo de E/S

Quantidade de bytes a transferir

Tipo de operação

Transferência de dados:: DMA :: Desempenho

Se um dispositivo de I/O rápido (disco) é controlado por DMA, muitos ciclos de barramento serão ocupados em referências de memória e do próprio dispositivo.

Durante esses ciclos, a CPU deverá esperar, pois DMA tem maior prioridade sobre o barramento.

Esse processo de o controlador DMA tomar ciclos da CPU é conhecido como cycle stealing.

De qualquer forma, o ganho de desempenho pela CPU não ter de se envolver na transferência de cada byte supera a perda ocasionada pelo cycle stealing.

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Transferência de dados:: DMA :: Coerência de dados

Em sistemas sem DMA, apenas o processador tem acesso à memória.

Com DMA, mais componentes modificam a memória:

Se o DMA faz uma escrita na memória e esse item também se encontra na cache, então os dois valores podem ser diferentes.

Se o DMA realiza uma leitura da memória e a cache é write-back, então o DMA pode estar lendo um valor desatualizado.

Soluções:

Fazer o tráfego do DMA passar pela cache – Ineficiente.

Fazer o SO ou o hardware invalidar as linhas da cache que são afetadas pelas escritas do DMA (cache flushing), e forçar o write-back das linhas que são lidas pelo DMA.

Transferência de dados:: Comparação

O preço das máquinas é muitas vezes determinado por:

número e velocidade dos barramentos,

número e tipo de controladores de DMA,

resolução dos problemas de contenção e coerência na memória

• O CPU verifica ativamente alterações no estado do controlador

• O CPU é responsável pela transferência de dadosPolling

• O CPU é notificado de alterações no estado do controlador

• O CPU é responsável pela transferência de dadosInterrupção

• O CPU é notificado de alterações no estado do controlador de DMA

• O DMA é responsável pela transferência de dadosDMA

O papel do Sistema Operacional:: Basic Input/Output System (BIOS)

Sistema armazenado em uma ROM.

Contém instruções que dizem à CPU o que fazer ao ser primeiramente energizada.

Também contém rotinas para gerenciar saída de vídeo, teclado, comunicações assíncronas e outros periféricos.

De uma máquina para a outra, os componentes com maior possibilidade de mudar são os dispositivos de E/S.

Por conta disso, as interfaces para tais dispositivos são agrupadas em um módulo, a BIOS.

O SO pode ser o mesmo para vários tipos de máquina, de modo que apenas a BIOS tem der alterada de uma para outra.

O papel do Sistema Operacional:: Basic Input/Output System (BIOS)

BIOSMemória

PrincipalCPU

1

2

ALT?

CAPS LOCK?

CTRL?

3 4

ASCIIBarramento

5

Exemplo:

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O papel do Sistema Operacional:: Periféricos × SO

Características dos periféricos

• São partilhados pelos vários processos executados simultaneamente na máquina.

• Usam interrupções para comunicar o estado das operações de I/O.

• O controle de baixo-nível de um dispositivo de I/O é complexo, pois exige o gerenciamento de um conjunto de eventos simultâneos.

Funções do Sistema Operacional

• Garantir que os utilizadores só tenham acesso a periféricos para os quais têm direito.

• Gerir a multiplicidade de acessos, garantindo uso exclusivo quando necessário e justiça no acesso aos recursos.

• Atender às interrupções geradas pelos periféricos;

• Esconder a complexidade dos periféricos, fornecendo rotinas que tratam dos aspectos de baixo nível (device drivers).

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