SO-09 Entrada e Saída: Hardware

Sistemas de Entrada/Saída

Princípios de Hardware

 Visão Geral
 Princípios de Hardware
 Dispositivos de E/S
 Estrutura Típica do Barramento de um PC
 Controladores de Dispositivos
 Interrupções
 Acesso Direto à Memória

Eduardo Nicola F. Zagari
2
Sistemas Operacionais -Entrada e Saída

 Dispositivos podem variar de diversas maneiras:
 Transf. por caractere (terminal) ou por bloco deles (disco)
 O acesso aos dados armazenados pode ser seqüencial (modem)
ou aleatório (CD-ROM)
 Os dados podem ser transferidos de forma síncrona (ﬁta) ou
assíncrona (teclado)
 Os dispositivos podem ser restritos a um único processo (ﬁ-ta) ou
compartilhados simultaneamente por vários (teclado)
 O acesso pode ser apenas para leitura (CD-ROM), apenas para
escrita (CRT) ou para leitura e escrita (disco)
 A velocidade de acesso pode variar muito (freqüentemente, estes
dispositivos são os mais lentos de um sistema computacional)

3

 Principais objetivos:
 estabelecer uma interface que seja a mais simples possível para
que as aplicações possam controlar as distintas características dos
dispositivos de entrada/saída
 otimizar a entrada/saída para obtenção de um maior paralelismo,
tendo em vista que tais dispositivos são em geral componentes
críticos para o desempenho
 Enﬁm,

Controlar todos os dispositivos de entrada/saída (E/S) do computador,
emitindo comandos para os dispositivos,
atendendo interrupções e manipulando erros.

4

 Estruturação em camadas de HW e SW, a ﬁm de prover uma
interface simples e conﬁável para o usuário e suas aplicações.
 Desta forma, as camadas inferiores escondem das superiores os
diversos detalhes (características) de cada periférico e suas
diferenças (velocidade de operação, unidade de transferência,
representação de dados, tipos de operação etc).

5

Processos

Operações de E/S Independente do
dispositivo
Software

Subsistema de E/S

Device Drivers
Manipuladores
de Interrupção
Controladores Dependente do
Hardware

dispositivo

Dispositivos

6

 Responsáveis pela comunicação entre o computador e o mundo
externo.
 Muitos tipos de dispositivos são usados em computadores,
como:
 dispositivos de armazenamento (discos, ﬁtas)
 dispositivos de transmissão (placas de rede, modems)
 dispositivos de interface com usuários (tela, teclado, mouse)
 A transferência de dados, realizada por intermédio dos
controladores, pode ser através de blocos de informações ou
palavra a palavra.

7

 São classificados em:

 Dispositivos de blocos:
 armazenam informações em blocos de tamanho fixo
(normalmente entre 128 e 4096 bytes)
 cada bloco possui seu próprio endereço
 é possível ler ou escrever cada bloco independentemente
(acessando o bloco pelo seu endereço)
 Podem ser:
– Acesso Direto: p. ex., disco magnético
– Acesso Seqüencial: p. ex., fita magnética

8

 Dispositivos de caracteres:
 enviam ou recebem uma seqüência de caracteres sem estar
estruturada no formato de blocos
 seqüência de caracteres não é endereçável (não são possíveis
operações de acesso aos dados)
 Exemplos:
– terminais, impressoras, interfaces de rede e leitoras óticas

 Existem exceções:
 p. ex., relógios (não são endereçáveis e nem geram ou aceitam
ﬁlas de caracteres): tudo o que fazem é gerar interrupções em
intervalos de tempo regulares

9

 A comunicação de um dispositivo com o sistema computacional
é feita através do envio de sinais (cabo ou ar) num ponto de
conexão chamado de porta.
 O meio usado por um ou mais dispositivos para conexão com o
computador é chamado de barramento.
 Para cada barramento, é definido um protocolo que especifica
um conjunto de mensagens que podem ser enviadas pelos fios.

10

disco

barramento SCSI
monitor processador
disco
memória
cache disco
Controlador de Controlador
memória disco
terminal gráfico de memória
Controlador SCSI

Barramento PCI

Controlador Interface do
de disco IDE barramento de expansão teclado

disco disco barramento de expansão

disco disco porta paralela porta serial

11

 Unidades de E/S consistem tipicamente de
 Componentes mecânicos (o dispositivo propriamente dito)
 Componentes eletrônicos (o controlador)
 Tal diferença deve ser ressaltada, uma vez que o SO vê o
controlador e não o dispositivo
 Normalmente, mini e microcomputadores usam um barramento
único para comunicação entre CPU e os controladores (através de
device drivers)
 Mainframes freqüentemente usam um modelo diferente, no qual
múltiplos barramentos e computadores especializados de E/S
(canais de E/S) aliviam parte da carga da CPU

12

 Como o processador envia comandos e dados a um controlador
para que seja feita uma transf. de dados?
 O controlador possui memória e registradores próprios para armazenar
dados e sinais de controle, de forma a executar instruções enviadas
pelo device driver
 O SO realiza E/S, escrevendo comandos e seus parâmetros nestes
registradores dos controladores.
 As instruções de E/S especiais podem ser usadas para especiﬁcar
a transferência de um byte ou palavra para uma porta de E/S, que
tem um determinado endereço
 A instrução de E/S faz com que o dispositivo apropriado seja
selecionado de acordo com o sinal transmitido no barramento e que
os bits sejam então transferidos para um registrador ou a partir de
um registrador do disp.

13

 Uma alternativa à operação de E/S, é que o controlador forneça
suporte à E/S mapeada em memória. Nesse caso, os
registradores do controlador correspondem à determinados
endereços no espaço de endereçamento do processador. As
operações de E/S são, então, executas usando-se instruções
normais de transferência de dados, que correspondem a ler ou
escrever valores nos registradores do dispositivo.
 Alguns sistemas usam ambas as técnicas, como é o caso dos
PCs: um controlador de terminal gráﬁco tem portas de E/S para
operações básicas, mas uma região grande de memória é usada
para mapeamento do conteúdo de telas.

14

 Um exemplo: Controlador de Terminal Gráﬁco
 trabalha como um dispositivo serial de bits e em baixo nível, ou
seja, lê da memória o byte contendo o caractere a ser exibido e
gera os sinais usados na modulação do feixe do CRT para causar a
escrita na tela
 o controlador também gera os sinais para o feixe CRT fazer o
retraço horizontal após ele ter terminado de esquadrinhar a linha,
bem como, sinais para fazer o retraço vertical após a tela toda ter
sido esquadrinhada;

15

Retraço Horizontal

Retraço Ve

16

 O problema da Espera em Ciclo (CPU x Controlador):
 Controlador usa bit ocupado no registrador de status
 CPU usa bit processar no registrador de controle
 Suponha que a CPU escreva dados em uma porta, comunicando-se
com o controlador, da seguinte forma:
 CPU lê repetidamente o bit ocupado
 CPU liga o bit escrever no reg. de controle e armazena
saída no reg. de saída de dados
 CPU liga bit processar
 Quando controlador nota bit processar ligado, ele liga bit
ocupado

17

 Controlador lê registrador de controle e realiza a operação de
escrita no dispositivo
 Controlador desliga bit processar, desliga o bit erro no
registrador de status (operação com sucesso) e desliga bit
ocupado (operação terminada).
 Problema: No passo 1, CPU faz espera em ciclo
 Se tempos da CPU e do controlador forem diferentes...
 ...CPU deve ser alocada à realização de outras tarefas
 Problema: p.ex., dados chegando a uma porta serial, teclado etc
 Solução: exec instr/testa/exec instr/testa...(ineﬁciente)
 Então, como avisar à CPU que o controlador está ocioso?

Mecanismo de Interrupções

18

 Quando um comando é aceito, a CPU é liberada pelo SO para outra
tarefa.
 Não é necessário que a CPU ﬁque testando repetidamente se o
dispositivo já está pronto, o que seria muito ineﬁciente. Isto é
possível, através do mecanismo de interrupções.
 Quando o comando termina de ser executado, o controlador causa
uma interrupção, fazendo o SO tomar controle da CPU e testar o
resultado da operação.
 A CPU obtém o resultado lendo um ou mais bytes nos registradores
de saída de dados do controlador

19

 As interrupções são muito usadas em SOs modernos para o tratamento de
eventos assíncronos (p. ex., um controlador ﬁcar pronto para operações de
E/S, falhas de hardware ou chamadas a rotinas do sistema), desviando o
controle para rot. do núcleo.
 Funcionamento:
 O hardware da CPU tem um ﬁo chamado de linha de requisição de
interrupções, que é testado pela CPU depois da execução de cada
instrução
 Quando a CPU detecta que um controlador enviou um sinal na linha de
requisição de interrupções (provocou uma interrupção), ela armazena
alguns poucos valores referentes ao seu estado na pilha do processo
(PC, SP etc) e desvia para uma rotina de tratamento de interrupções
em um determinado endereço de memória.

20

 O tratador de interrupções realiza (trata) o processamento
necessário e executa uma instrução de retorno da interrupção, que
faz a CPU retornar ao estado anterior à interrupção.
 Recursos mais complexos:
 Desabilitação de interrupções (em fases críticas)
 CPU usa 2 linhas de requisição de interrupções:
– uma para requisições que não podem ser desabilitadas
(erros de memória irrecuperáveis, p.ex.)
– outra para aquelas que podem ser desabilitadas (os
dispositivos fazem suas requisições por estas linhas)

21

 Vetor de Interrupções
 Cada interrupção gera um endereço que, na maioria das
arquiteturas, é usado como um índice em uma tabela (vetor de
interrupções), que contém endereços de memória das rotinas de
tratamento de interrupção

22

 Níveis de prioridade de interrupções
 Esse sistema permite à CPU protelar o tratamento de
interrupções de baixa prioridade sem desabilitar todas as
interrupções e possibilita que o controle da execução de uma
interrupção seja interrompido e transferido para uma interrupção
de alta prioridade.
 Exemplos de situações que geram interrupções:
– Operações de E/S
– Tratamento de exceções (div. por zero, end. proteg.)
– Mecanismo de paginação
– Chamadas a rotinas do núcleo (system calls)
– Gerenciamento do ﬂuxo de execução do núcleo (per-mite
que trabalhos urgentes sejam tratados primeiro)

23

 Operação de leitura em disco sem suporte à DMA:
 Device Driver executa operação de E/S gravando comando no
registrador do controlador
 Controlador lê o bloco do dispositivo, bit a bit, para seu buffer
interno
 Controlador executa veriﬁcação de erros (checksum)
 Controlador causa interrupção
 SO reassume CPU e lê o bloco do buffer do controlador para a
memória byte a byte (chamado de E/S programada)
» Isto consome um tempo apreciável da CPU
» Solução: usar DMA (Direct Memory Access)

24

 Controladores que suportam DMA:
 CPU (SO) fornece, além do endereço do bloco a ser lido:
 endereço de memória para onde o bloco deve ser copiado
 número de bytes a serem transferidos
 Controlador lê bloco
 Controlador efetua checksum
 Controlador de DMA copia, via barramento, byte a byte, as
informações do buffer para a memória principal
 Controlador causa interrupção
 SO reassume CPU com os dados já disponíveis ao processo que
os solicitou

25

processador

memória
cache
DMA/barramento/
barramento entre
controlador de memória
memória e CPU
interrupções

Barramento PCI

Controlador
de disco IDE

Sinais:
disco disco Requisição de DMA
Confirmação de DMA
disco disco

26

 Por que o controlador puro não armazena diretamente os bytes na
memória, tão logo ele os obtenha? Isto é, por que usar um buffer
interno?
 Diferença de velocidade ⇒ vários acessos ao barramento
 Ainda há um problema: enquanto controlador faz transferência de
dados de/para a memória, próximo setor passa por debaixo da
cabeça do disco
 Solução: intercalação

7 0 7 0 5 0
6 1 3 4 2 3
5 2 6 1 7 6
4 3 2 5 4 1
Sem Intercalação Intercalação Simples Intercalação Dupla

27

SO-09 Entrada e Saída: Hardware

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (20)

Semelhante a SO-09 Entrada e Saída: Hardware

Semelhante a SO-09 Entrada e Saída: Hardware (20)

Mais de Eduardo Nicola F. Zagari

Mais de Eduardo Nicola F. Zagari (20)

SO-09 Entrada e Saída: Hardware