Entrada/Saída
•Princípios do hardware de E/S
•Princípios do software de E/S
•Camadas do software de E/S
•Relógios
•Gerenciamento de energia
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1
Princípios do Hardware de E/S
• Diversidade de dispositivos
• Tipos básicos de dispositivos
• Arquitetura de E/S
– Introdução aos barramentos
– Controladores de dispositivos
• Comunicação SO (CPU) – Controlador
• Controle de interrupção
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2
A Importância de E/S
• Tipos de processo:
a) orientado à CPU (CPU-bound)
b) orientado à E/S (I/O-bound)
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3
Princípios do Hardware de E/S
Diversidade
125MB/s = 1Gb/s,
Observe a diferença
de Bytes (B) e bits (b)
Taxas de dados típicas de dispositivos, redes e barramentos
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4
Tipos básicos de dispositivos
• Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal
• Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco
• Sequencial. Tem acesso em ordem fixa. Ex. modem
• Acesso randômico: Ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM
• Síncrono: Tem tempo de resposta previsível. Ex. fita
• Assíncrono: Tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado
• Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao
mesmo tempo. Ex. teclado
• Dedicado. Só pode ser usado por um processo por vez.
Ex. Impressora
• Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, video
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5
Princípios do Hardware de E/S
Diversidade de dispositivos
Tipos básicos de dispositivos
• Arquitetura de E/S
– Introdução aos barramentos
– Controladores de dispositivos
• Comunicação SO (CPU) – Controlador
• Controle de interrupção
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6
Arquitetura de Entrada/Saída
• Portas (ports)
– Comunicação ponto a ponto
– Ex: Porta serial e paralela
• Barramentos (bus)
– Conjunto de condutores elétricos e com um protocolo rígido
que define como mensagens trafegam sobre esses
condutores
– Permite a comunicação entre vários componentes
– Protocolo é um conjunto de regras que definem como as
comunicações no barramento serão efetuadas
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7
Arquitetura de E/S
• Controladores
– Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s)
Ex: Controlador da porta serial
Controlador SCSI (Small Computer System Interface)
Controlador de disco
• Device Drivers
– Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso uniforme para
cada dispositivo
– Traduz as chamadas de alto nível (usuário) para o dispositivo
específico
– Conversão de dados
– Detecção e correção de erros
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8
Introdução aos Barramentos
Comparação
ISA
EISA
VLBUS
PCI
1984
1987
1992
1993
Vários
Vários
2
4
2 (16 bits)
4 (32 bits)
4 (32 bits)
4a8
(32 a 64 bits)
Frequência
(MHz)
8,3
8,3
CPU
33 a 66
Taxa (MB/s)
7,9
31,8
Ano
Dispositivos
Largura (bytes)
Obs.
127,2 a 508,6
Restrito ao
80486
Dados e end.
multiplexados
EISA - Extended Industry Standard Architecture
PCI - Peripheral Component Interconnect
VLBUS (ou VLB) - VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus
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9
Barramento PCI
Peripheral Component Interconnect
CPU
Cache
Bridge/
Cont. de memória
DRAM
AGP
PCI bus
Controlador
de Vídeo
slots
Bridge para
o ISA ou EISA
Controlador
EIDE
Controlador
SCSI
LAN
EISA bus ou ISA bus
ISA ou EISA slots
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EIDE - Enhanced
Integrated Drive
Electronics
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Barramentos
• Dispositivos
– Ativos ou Mestres - dispositivos que controlam o
protocolo de acesso ao barramento para leitura ou
escrita de dados
– Passivos ou Escravos - dispositivos que
simplesmente obedecem a requisição do mestre
Exemplo:
– CPU ordena que o controlador de disco leia ou escreva um bloco
de dados
 A CPU é o mestre e o controlador de disco é o escravo
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Princípios do Hardware de E/S
Diversidade de dispositivos
Tipos básicos de dispositivos
• Arquitetura de E/S
Introdução aos barramentos
– Controladores de dispositivos
• Comunicação SO (CPU) – Controlador
• Controle de interrupção
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12
Controladores de Dispositivos
• Componentes de dispositivos de E/S
– mecânico
– eletrônico
• O componente eletrônico é o controlador do
dispositivo
– pode ser capaz de tratar múltiplos dispositivos
• Tarefas do controlador
– converter fluxo serial de bits em blocos de bytes
– executar toda correção de erro necessária
– tornar o bloco disponível para ser copiado para a
memória principal
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13
Comunicação S.O.(CPU) – Controlador
Diagrama de um controlador
Interface para
barramento
do sistema
Interface para
dispositivo
externo
Registrador de dados
Linhas de
Dados
Linhas
de Endereço
Linhas de
Controle
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Status/Registrador de Controle
Lógica
de E/S
Interface
lógica com
dispositivo
exerno
Dados
Status
Controle
Interface
lógica com
dispositivo
externo
Dados
Status
Controle
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14
Comunicação S.O.(CPU) Controlador
Como a CPU acessa a informação?
• E/S isolada
– Através de instruções especiais de E/S
– Especifica a leitura/escrita de dados numa porta
de E/S
• E/S mapeada em memória
– Através de instruções de leitura/escrita na
memória
• Híbrido (ex. IBM-PC):
– E/S mapeada em memória: memória de vídeo
– E/S isolada: dispositivos em geral
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15
Comunicação S.O.(CPU) – Controlador
a)
b)
c)
Espaços de memória e E/S separados - E/S isolada
E/S mapeada na memória
Híbrido
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16
Comunicação S.O.(CPU) – Controlador
E/S mapeada na memória
(a) Arquitetura com barramento único
(b) Arquitetura com barramento duplo (dual)
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17
Comunicação S.O.(CPU) - Controlador
Como a CPU sabe que o dispositivo já executou o
comando?
• E/S Programada
– CPU lê constantemente o status do controlador e verifica se já
acabou (Polling ou Busy-waiting)
– Espera até o fim da operação
• E/S por Interrupção
– CPU é interrompida pelo módulo de E/S e ocorre transferência de
dados
– CPU continua a executar outras operações
• E/S por DMA - Acesso Direto à Memória
– Quando necessário, o controlador de E/S solicita ao controlador de
DMA a transferência de dados de/para a memória
– Nesta fase de transferência não há envolvimento da CPU
– Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da
transação
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18
Comunicação S.O.(CPU) – Controlador
Exemplo de comunicação com dispositivo
Pois não Sr., um momento
Programa sem interrupção
Secretária, por favor escreva o contrato
agora para que eu possa assiná-lo;
estou esperando.
Contrato pronto, estou enviando
Ok, Obrigado
Secretária, por favor escreva o contrato
agora, quando estiver pronto me avise.
Pois não Sr.
Programa com interrupção
Um momento, estou terminado de escrever um
ofício. ... agora pode enviar o contrato,
obrigado. (Após receber o contrato, o chefe
continua fazendo as outras atividades.....)
Contrato pronto, posso enviá-lo?
Preciso enviar os
contratos que
estáo sobre a
mesa do chefe
para o correio
Correio
Boy, por favor apanhe os contratos que estão
na pasta sobre a mesa do chefe para mim.
Por favor não incomode o chefe.
Acesso Direto à Memória
Ok, obrigado.
Obrigada
Chefe, enviei os contratos que
estavam sobre sua mesa. (Ao fim
da transferência, a CPU é
interrompida e informada da
transação)
E/S
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CPU
Barramento
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E/S Programada (1)
Passos da impressão de uma cadeia de caracteres
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20
E/S Programada (2)
count
Escrita de uma cadeia de caracteres para a
impressora usando E/S programada
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21
E/S Orientada à Interrupção
•
Escrita de uma cadeia de caracteres para a
impressora usando E/S orientada à interrupção
a) Código executado quando é feita a chamada ao
sistema para impressão
b) Rotina de tratamento de interrupção
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22
E/S Usando DMA
(Acesso Direto à Memória)
•
Impressão de uma cadeia de caracteres usando
DMA
a) Código executado quando é feita a chamada ao
sistema para impressão
b) Rotina de tratamento de interrupção
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23
Acesso Direto à Memória (DMA)
Operação de uma transferência com DMA
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24
Interrupções: Revisão
Como ocorre uma interrupção: conexões entre
dispositivos e controlador de interrupção usam linhas
de interrupção no barramento em vez de fios
dedicados
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25
Controlador de Interrupção
O 8259A do IBM-PC
INT
INTA
CPU
RD
WR
CS
DADOS
Controlador
de
Interrupções
IRQ0
IRQ1
IRQ2
IRQ3
IRQ4
IRQ5
IRQ6
IRQ7
.........
• Sinais de controle:
•
•
•
•
•
•
IRQx - Interrupt request x
INT (Interrupt) - Houve interrupção
INTA (Int. Acknowledge) - Interrupção recebida
RD (Read) - Leitura
WR (Write) - Escrita
CS (Chip select) - Seleção do chip do controlador
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Controlador de Interrupção
O 8259A do IBM-PC
• Mecanismo de Interrupção
• Dispositivo I/O ativa IRQx
• 8259A ativa INT para a CPU
• CPU ativa INTA pedindo identificação do dispositivo
que gerou a interrupção
• 8259A envia dado (vetor de interrupção identificando o
dispositivo)
– Se houver mais de um, 8259A realiza arbitragem
• CPU usa o vetor para executar a rotina apropriada
para aquele dispositivo
• O sistema operacional deve estabelecer
níveis de prioridade para os dispositivos
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Para Enfatizar: A Importância da
Interrupção
O Elo Hardware-Software
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28
Motivação
• Para controlar entrada e saída de dados, não
é interessante que a CPU tenha que ficar
continuamente monitorando o status de
dispositivos como discos ou teclados
• O mecanismo de interrupções permite que o
hardware "chame a atenção" da CPU
quando há algo a ser feito
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29
Interrupções de Hardware
• Interrupções geradas por algum dispositivo externo à CPU,
como teclado ou controlador de disco, são chamadas de
interrupções de hardware ou assíncronas [ocorrem
independentemente das instruções que a CPU está
executando]
• Quando ocorre uma interrupção, a CPU interrompe o
processamento do programa em execução e executa um
pedaço de código (tipicamente parte do sistema
operacional) chamado de tratador de interrupção
– não há qualquer comunicação entre o programa interrompido e o
tratador (parâmetros ou retorno)
– em muitos casos, após a execução do tratador, a CPU volta a
executar o programa interrompido
Execução do
Programa P
Execução do Tratador
de Interrupção
Retomada de P
Interrupção
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30
Interrupção de Relógio
(Um tipo de Interrupção de HW)
• Permite ao sistema operacional atribuir quotas de
tempos de execução (quantum ou time slice –
fatias de tempo) para cada um dos processos em
um sistema com multiprogramação
• A cada interrupção do relógio, o tratador verifica
se a fatia de tempo do processo em execução já se
esgotou e, se for esse o caso, suspende-o e aciona
o escalonador para que esse escolha outro
processo para colocar em execução
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31
Interrupções Síncronas ou Traps
• Traps ocorrem em consequência da instrução
sendo executada [no programa em execução]
• Algumas são geradas pelo hardware, para indicar
por exemplo overflow em operações aritméticas ou
acesso a regiões de memória não permitidas
– Essas são situações em que o programa não teria como
prosseguir
– O hardware sinaliza uma interrupção para passar o
controle para o tratador da interrupção (no SO), que
tipicamente termina a execução do programa
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32
Traps (cont.)
• Traps também podem ser geradas explicitamente por
instruções do programa
– Essa é uma forma do programa acionar o sistema operacional, por
exemplo para requisitar um serviço de entrada ou saída
– Um programa não pode "chamar" uma rotina do sistema
operacional, já que o SO é um processo a parte, com seu próprio
espaço de endereçamento...
• Através do mecanismo de interrupção de software, um processo
qualquer pode ativar um tratador que pode "encaminhar" uma
chamada ao sistema operacional
• Como as interrupções síncronas ocorrem em função da
instrução que está sendo executada (ex. READ), nesse caso
o programa passa algum parâmetro para o tratador
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33
Interrupções
Assíncronas (hardware)
• geradas por algum dispositivo
externo à CPU
• ocorrem independentemente das
instruções que a CPU está
executando
• não há qualquer comunicação
entre o programa interrompido
e o tratador
• Exs.: interrupção de relógio,
teclado
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Síncronas (traps)
• Geradas pelo no programa em
execução, em consequência da
instrução sendo executada
• Algumas são geradas pelo
hardware em situações em que
o programa não teria como
prosseguir
• Como as interrupções síncronas
ocorrem em função da instrução
que está sendo executada, nesse
caso o programa passa algum
parâmetro para o tratador
• Exs.: READ, overflow em
operações aritméticas ou acesso
a regiões de memória não
permitidas
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34
Interrupção: Suporte de HW
• Tipicamente, o hardware detecta que ocorreu uma
interrupção,
– aguarda o final da execução da instrução corrente e aciona o
tratador,
– antes salvando o contexto de execução do processo interrompido
• Para que a execução do processo possa ser reiniciada mais
tarde, é necessário salvar o program counter (PC) e outros
registradores de status
– Os registradores com dados do programa devem ser salvos pelo
próprio tratador (ou seja, por software), que em geral os utiliza
– Para isso, existe uma pilha independente associada ao tratamento
de interrupções
Execução do
Programa P - SW
Interrupção
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Execução do Tratador
de Interrupção (SO - SW)
Retomada de P
CPU – HW
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35
Entrada/Saída
Princípios do hardware de E/S
•Princípios do software de E/S
•Camadas do software de E/S
•Gerenciamento de energia
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36
Princípios do Software de E/S
Objetivos do Software de E/S (1)
• Independência de dispositivo
– Programas podem acessar qualquer dispositivo
de E/S sem especificar previamente qual
(disquete, disco rígido ou CD-ROM)
• Nomeação uniforme
– Nome de um arquivo ou dispositivo pode ser uma
cadeia de caracteres ou um número inteiro que é
independente do dispositivo
• Tratamento de erro
– Trata o mais próximo possível do hardware
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37
Objetivos do Software de E/S (2)
• Transferências Síncronas vs. Assíncronas
– transferências bloqueantes vs. orientadas a
interrupção
– utilização de buffer para armazenamento
temporário
– dados provenientes de um dispositivo muitas
vezes não podem ser armazenados diretamente
em seu destino final – buffer, “broker”, …
• Dispositivos Compartilháveis vs. Dedicados
– discos são compartilháveis
– unidades de fita não são
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38
Entrada/Saída
Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S
Independência de dispositivo
Nomeação uniforme
Tratamento de erro o mais próximo possível do hardware
transferências bloqueantes vs. não-bloqueantes mas orientadas a interrupção
Dispositivos compartilháveis vs. dedicados
•Camadas do software de E/S
•Gerenciamento de energia
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39
Camadas do Software de E/S
Camadas do sistema de software de E/S
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40
Camadas do Software de E/S
Tratadores de Interrupção (1)
•
As interrupções devem ser escondidas
(transparentes) o máximo possível
–
•
uma forma de fazer isso é bloqueando o driver
que iniciou uma operação de E/S até que uma
interrupção notifique que a E/S foi completada
Rotina de tratamento de interrupção cumpre
sua tarefa
–
e então desbloqueia o driver que a chamou
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41
Camadas do Software de E/S
Tratadores de Interrupção (2)
•
Passos que devem ser executados em software
1.
salva registradores que ainda não foram salvos pelo hardware
de interrupção
2. estabelece contexto para rotina de tratamento de interrupção
3. estabelece uma pilha para a rotina de tratamento de
interrupção
4. sinaliza o controlador de interrupção, reabilita as interrupções
5. copia os registradores de onde eles foram salvos
6. executa rotina de tratamento de interrupção
7. escolhe o próximo processo a executar
8. estabelece o contexto para o próximo processo a executar
9. carrega os registradores do novo processo
10. começa a executar o novo processo
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42
Camadas: Drivers dos Dispositivos
• Posição lógica dos
drivers dos
dispositivos
• A comunicação
entre os drivers e
os controladores
de dispositivos é
feita por meio do
barramento
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43
Camadas: Software de E/S
Independente de Dispositivo (1)
Funções do software de E/S independente de dipositivo
Interface uniforme para os drivers dos dispositivos
Armazenamento em buffer
Relatório de erros
Alocação e liberação de dispositivos dedicados
Fornecimento de tamanho de bloco independente
de dispositivo
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44
Camadas: Software de E/S
Independente de Dispositivo (2)
(a) Sem uma interface-padrão do driver
(b) Com uma interface-padrão do driver
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45
Camadas: Software de E/S
Independente de Dispositivo (3)
a)
b)
c)
d)
Entrada sem utilização de buffer
Utilização de buffer no espaço do usuário
Utilização de buffer no núcleo seguido de cópia para o
espaço do usuário
Utilização de buffer duplo no núcleo (ex. tolerância a falha)
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46
Camadas: Software de E/S
Independente de Dispositivo (4)
A operação em rede pode envolver muitas
cópias de um pacote
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47
Camadas: Software de E/S no
Espaço do Usuário
Camadas do sistema de E/S e as principais funções de
cada camada
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48
Entrada/Saída
Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S
Camadas do software de E/S
•Gerenciamento de energia
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49
Gerenciamento de Energia (1)
Tecnologia mais avançada
Aumento do desempenho
Consumo de energia de várias partes de um laptop
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50
Gerenciamento de Energia (2)
a.
Execução em velocidade máxima
do relógio
Cortando a voltagem pela metade
b.
–
–
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corta a velocidade do relógio também
pela metade,
consumo de energia cai para 4 vezes
menos
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51
Gerenciamento de Energia (3):
Impactos na Entrada/Saída
• Dizer aos programas para usar menos energia
– pode significar experiências mais pobres para o
usuário
• Exemplos
– muda de saída colorida para preto e branco
– reconhecimento de fala com vocabulário reduzido
– menos resolução ou detalhe em uma imagem
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52
Entrada/Saída
•Princípios do hardware de E/S
•Princípios do software de E/S
•Camadas do software de E/S
•Gerenciamento de energia
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53
Como o processador “enxerga” a memória e os
demais dispositivos ou como o processador se
comunica com o seu exterior
• Um processador é capaz de realizar operações
como:
–
–
–
–
Ler um dado da memória
Escrever um dado na memória
Receber (ler) um dado de dispositivos de E/S
Enviar (escrever) dados para dispositivos de E/S
• Nas operações de acesso à memória, o processador
escreve e lê dados, praticamente sem
intermediários
• Nos acessos a dispositivos de E/S, existem
circuitos intermediários, que são as interfaces
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54
Cada dispositivo de E/S possui a sua
própria interface: Diversidade
Dispositivo
Interface
Monitor
Placa de vídeo
Teclado
Interface de teclado
Alto falante
Interface de alto falante
Impressora
Interface paralela ou USB
Mouse
Interface serial, PS/2 ou USB
Disco rígido IDE
Interface IDE
Disco rígido SCSI
Interface SCSI
Joystick
Interface para jogos ou USB
Scanner
Placa de interface de scanner, paralela ou USB
Câmera digital
Interface serial, paralela ou USB
Para controlar um dispositivo de E/S, o processador precisa realizar acessos de leitura
e escrita na sua interface
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55
E/S programada
• O processador
controla o
“transporte”
dos dados
entre a
memória e a
interface
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56
E/S por Acesso Direto a
Memória
•
•
•
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O processador fica
momentaneamente desabilitado
enquanto o controlador de
DMA assume o controle dos
barramentos e faz as
transferências
A grande vantagem do DMA é
que o processador não precisa
se ocupar diretamente da
operação de recepção e
transmissão de cada byte,
ficando livre para executar
outros processamentos
Normalmente as interfaces que
utilizam DMA, utilizam
também uma interrupção para
avisar o processador sobre o
término da transferência do
número de bytes préprogramado
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57
Arquitetura de Entrada/Saída
• Portas (ports)
– Comunicação ponto a ponto
• Barramentos (bus)
– Permite a comunicação entre vários componentes
• Controladores
– Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s)
• Device Drivers
– Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso
uniforme para cada dispositivo
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Princípios do software de E/S
• Independência de dispositivo
• Nomeação uniforme
• Tratamento de erro o mais próximo possível
do hardware
• Transferências bloqueantes vs. nãobloqueantes mas orientadas a interrupção
• Dispositivos compartilháveis vs. dedicados
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Camadas do Software de E/S
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