Arquitectura de Computadores (ACom) - Técnico Lisboa · Portos de Dados (transfere^ncia de dados)...

Arquitectura de Computadores(ACom)

MEAer

Acetatos das Aulas Teoricas

Versao 5.0 - Portugues

Aula No 24:

Tıtulo: Sistema de Entradas e Saıdas

Sumario: Perifericos e interfaces; Organizacao dos perifericos; Exemplosde perifericos.

2015/2016

[email protected]

Sistema de Entradas e Saıdas

Prof. Nuno Roma ACom 2015/16 (MEAer) - DEEC-IST 1 / 45

Arquitectura de Computadores(ACom)

Aula Anterior

Perifericos &Interfaces

Organizacao dosPerifericos

Exemplos dePerifericos

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Na aula anterior...

� Memoria Virtual:

◮ Translation Lookaside Buffer (TLB)◮ Interligacao Memoria Virtual - Caches

Road Map




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Planeamento




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� Planeamento

Sumario




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Hoje:

� Sistema de Entradas e Saıdas:

◮ Perifericos & Interfaces◮ Organizacao dos Perifericos◮ Exemplos de Perifericos

Bibliografia:

• Seccoes 14.1 a 14.3

Perifericos & Interfaces




Proxima Aula






Proxima Aula


� Interaccao com o exterior:

◮ Entrada de dados (ex: interruptores, teclas, etc)◮ Saıda de dados (ex: lampadas, LEDs, etc)

� Dispositivos de entrada/saıda:

◮ Grande variedade de dispositivos◮ Caracterısticas muito dıspares:

• Largura de banda• Tempos de resposta• Formato de dados

Como conciliar com sistema computacional?

Dispositivos de Entradas/Saıdas




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� Exemplos:

Periferico Tipo Parceiro LB (kB/s)

Teclado Entrada Humano 0,01

Rato Entrada Humano 0,02

Impressora Mecanica Saıda Humano 1,00

Floppy Entrada/Saıda Maquina 50,00

Impressora Laser Saıda Humano 100,00

Voz Entrada/Saıda Humano 500,00

Disco Optico Entrada/Saıda Maquina 500,00

Disco Magnetico Entrada/Saıda Maquina 5.000,00

Rede Entrada/Saıda Maquina 10.000,00

Placa grafica Saıda Humano 30.000,00





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� Acesso aos perifericos:

◮ Semelhante ao acesso a uma posicao de memoria;

◮ E indiferente para o processador aceder a uma posicaode memoria ou a um periferico;

⇒ Mapeamento no espaco de enderecamento dosdiferentes perifericos

◮ Implica a existencia de um circuito de interface.

Arquitectura de Entradas/Saıdas




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� Sistema de barramentos que permite ao processador trocarinformacao com a memoria e com todos os perifericos dosistema:

Processador

MemóriaInterface

Periférico

Barramento de dadosBarramento de endereços

Barramento de controlo

Interface Interface

Periférico Periférico

. . .





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Processador

MemóriaInterface

Periférico



Interface Interface


. . .

Barramento de Enderecos Permite ao processador indicar aposicao de memoria ou o periferico com que pretende interagir(uni-direccional);

Barramento de Dados Permite a transferencia de dados entreo processador e a memoria ou os perifericos (bi-direccional);





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Processador

MemóriaInterface

Periférico



Interface Interface


. . .

Barramento de Controlo Permite a coordenacao datransferencia de dados:

� Direccao/sincronizacao da transferencia;� Dimensao dos dados;� Seleccao de memoria / periferico;� Pedidos de atencao, etc.

Interfaces




Proxima Aula


. . .

Bar

ram

ento

de

dado

s

Bar

ram

ento

de

ende

reço

s

Bar

ram

ento

de

cont

rolo

Comunicação com o periférico

Registos

Descodificação de endereços

Controlo

� Interfaces - isolar o processador das particularidades dosdiferentes perifericos:

◮ Adaptacao ao nıvel fısico (nıveis de tensoes/correntes);◮ Adaptacao de ritmos de funcionamento (mais baixos do que o

do processador);◮ Descodificacao de enderecos (identificacao do periferico de

destino);

Interfaces




Proxima Aula


. . .

Bar

ram

ento

de

dado

s

Bar

ram

ento

de

ende

reço

s

Bar

ram

ento

de

cont

rolo


Registos


Controlo


◮ Controlo de modos de funcionamento dos perifericos;◮ Controlo e simplificacao da comunicacao entre o processador

e o periferico;

Interfaces




Proxima Aula


. . .

Bar

ram

ento

de

dado

s

Bar

ram

ento

de

ende

reço

s

Bar

ram

ento

de

cont

rolo


Registos


Controlo


◮ Sinalizacao (barramento de controlo) atraves do sistema deinterrupcoes;

◮ Participacao em modos de transferencia avancados (ex:DMA).

Ciclos de Leitura e Escrita




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10ns

Endereços

Relógio

Mem Enable

Read / Write

T1 T2 T3 T0 T1

Tempo de acesso = 25ns

VálidosDados

Endereços válidos

10ns

Endereços

Relógio

Mem Enable

Read / Write

T1 T2 T3 T0 T1

Tempo de acesso = 25ns

Dados

Endereços válidos

Dados

Organizacao dos Perifericos




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Mapas de Memoria




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Muitas vezes, o espaco de memoria esta fragmentado e/ouutiliza diferentes tipos de memorias.

00000h

07FFFh

10000h

1FFFFh

F0000h

FFFFFh

RAM

ROM

...

...

RAM

1

15

.

.

.

0

UCP

Mem Read

RAM

RAM

ROM

CS

R/W

A15EN

CS

Mem Enable

CS

R/W

Des

codi

ficad

or

DATA

ADDR

DATA

ADDR

DATA

ADDR

Dados

20

Endereços

A19−A16

4

A15−A0

8 8

16 16

8

16

15

8

Perifericos




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� Perifericos uni-direccionais (ex: impressora, rato, etc)

◮ Um registo (porto) onde o processador escreve os dadosa enviar / ler do periferico;

� Perifericos bi-direccionais (ex: modem, impressora, etc)

◮ Dois registos (portos):

• Processador escreve• Processador le

Vantagem: por intermedio de registos (portos), a interfacepermite que a operacao seja feita a velocidade do processador.

Interfaces




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� Interfaces geralmente presentes na maioria dos perifericos:

◮ Portos de Dados (transferencia de dados)◮ Portos de Controlo (configuracao da interface,

comunicacoes, etc)◮ Portos de Estado (leitura do estado do periferico, da

ligacao, etc)⇓

Enderecos diferentes, identificados pelo modulo dedescodificacao

Enderecamento dos portos




Proxima Aula


� Os portos de uma interface correspondem, em geral aenderecos consecutivos:

DescodificaçãoInterna

Escrita

Leitura

...

...0 n-1

En

Periférico A

DescodificaçãoExterna

Interface A Interface X...

Periférico X

...

Barramento de endereços

Barramento de dados


A0 a Ai-1

Controlo

Porto 0 Porto n-1OEn

Ai a An-1

◮ As interfaces apenas descodificam os bits menossignificativos, para enderecar os varios registos internos

Enderecamento dos portos




Proxima Aula


� Os portos de uma interface correspondem, em geral aenderecos consecutivos:

DescodificaçãoInterna

Escrita

Leitura

...

...0 n-1

En

Periférico A

DescodificaçãoExterna

Interface A Interface X...

Periférico X

...

Barramento de endereços

Barramento de dados


A0 a Ai-1

Controlo

Porto 0 Porto n-1OEn

Ai a An-1

◮ Os bits mais significativos podem ser descodificadosexteriormente, pelo que a interface apenas esta activa numadeterminada gama de enderecos

Organizacao do Enderecamento




Proxima Aula


Duas alternativas:

A - Barramentos de enderecos, dados e controlo partilhadospelas interfaces dos perifericos e pela memoria;

B - Conjunto de barramentos separados para as interfaces dosperifericos e a memoria.

Organizacao do Enderecamento




Proxima Aula


Duas alternativas:

A - Barramentos de enderecos, dados e controlo partilhadospelas interfaces dos perifericos e pela memoria;

B - Conjunto de barramentos separados para as interfaces dosperifericos e a memoria:

� Aumento do desempenho, permitindo aceder a memoria emsimultaneo com a comunicacao com os perifericos

↓Capacidade de processamento em paralelo

↓Arquitectura mais complexa

� Alternativa: co-processador dedicado para I/O, partilhandoa memoria com o processador principal.

Partilha de Barramentos




Proxima Aula


Duas alternativas para a partilha de barramentos:

...

Memoria E/S

Independent-IO





Proxima Aula



...

Memoria E/S

Independent-IO

Memoria

...

E/S

Memory-mapped IO





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A - Memory Mapped (portos mapeados em memoria):

B - Independent IO (entradas/saıdas separadas):





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◮ Um unico espaco de enderecamento, partilhado pelamemoria e perifericos;

◮ E necessario reservar, no espaco de enderecamento dememoria, um conjunto de enderecos para portos de en-trada e saıda;

◮ Nao ha necessidade de instrucoes especıficas de entradae saıda;






Proxima Aula





◮ Espacos de enderecamento separados para a memoria epara os portos de entrada/saıda, partilhando os mes-mos barramentos;

◮ Todo o espaco de enderecamento disponıvel para acedera memoria;

◮ Barramento de controlo fornece indicacao se um deter-minado endereco corresponde a memoria ou a um porto,atraves de sinais do tipo:

• MEM/IO• MEMREAD, IOREAD, MEMWRITE, IOWRITE

◮ Instrucoes especıficas de entrada e saıda (em geral, ape-nas do tipo transferencia): IN, OUT.

Exemplos de Perifericos




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Teclado




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Descod

Mux

3

x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

Teclado




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Descod

Mux

3

x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Princıpio de Funcionamento:

◮ Matriz de linhas e colunas com interligacoes electricas;◮ Um interruptor correspondente a uma tecla em cada

cruzamento linha / coluna;◮ Premir a tecla ⇔ fecho do circuito entre uma linha e

uma coluna;

Teclado




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Descod

Mux

3

x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Princıpio de Funcionamento:

◮ Circuito de interface inclui um controlador que contemdois contadores:

• Contador y – faz o varrimento das linhas, activandouma linha de cada vez;

• Contador x – por cada contagem do contador y, ocontador x faz o varrimento das colunas;

◮ A deteccao de uma coluna activa indica que a tecla naposicao (x,y) da matriz esta premida.

Teclado




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Descod

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3

x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Debounce:

◮ Problema: antes de uma linha estabilizar no novo nıvelelectrico, apos se ter premido um interruptor, estaapresenta uma oscilacao de sinal que pode erroneamenteindicar uma sequencia repetida de premir e libertar atecla;

Teclado




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Descod

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x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Debounce:

◮ Problema: antes de uma linha estabilizar no novo nıvelelectrico, apos se ter premido um interruptor, estaapresenta uma oscilacao de sinal que pode erroneamenteindicar uma sequencia repetida de premir e libertar atecla;

◮ Solucao: filtragem dos picos, esperando um temporazoavel entre uma alteracao de estado de uma tecla.

Teclado




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Descod

Mux

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x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Scan Codes:

◮ Para reduzir a quantidade de informacao a transmitir aoprocessador, sao enviadas apenas as alteracoes do estado dasteclas. Exemplo (tecla M):

• M premida – make code• M liberta – break code

◮ Tambem aplicavel as silent keys (shift, control, acentos, etc.)◮ Para poder detectar a mudanca de estado de cada tecla, o

controlador tera de manter uma memoria com o estado actualde cada tecla.

Teclado




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Descod

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x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Device Driver:

◮ Software de interface com o periferico;◮ Conversao das coordenadas (x,y) para um dado scan code;

• Permite atribuir sımbolos diferentes a mesma tecla,adaptando-se a diferentes lınguas;

◮ Verifica se um dado make code ocorre entre umshift premida e um shift liberta:

• Deteccao de letras maiusculas, acentos, etc.

Teclado




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Descod

Mux

3

x

3

Interface

8

interrupção

scan code

y

� Sinalizacao do Processador:

◮ Alteracao do estado de uma tecla → controlador do tecladoenvia uma interrupcao para o processador, indicando que temdados para enviar;

◮ Para evitar a perda de dados, o controlador do teclado possuium buffer (capacidade reduzida) capaz de armazenar umasequencia de eventos do teclado;

◮ Buffer cheio → aviso sonoro para indicar que as teclas estao aser ignoradas.

Monitor




Proxima Aula


� A interface entre o monitor e o computador e realizada pelaplaca grafica;

� Dois modos de funcionamento:

◮ modo de texto;◮ modo grafico;

� Em qualquer dos modos, o monitor e visto como uma matrizde caracteres (modo de texto) ou de pixels (modo grafico).

Monitor




Proxima Aula


.

.

.

MonitorMemóriamodo texto

Memóriamodo gráfico

ROMcaracteres

ASCII

Geradorvarrimento

monitor

Placa Gráfica

UCP

RGB

� Modo de texto:

◮ Comum em monitores antigos (monitores alfanumericos) oupara manter a compatibilidade entre diferentes interfacesgraficas;

◮ Escrita e feita enviando, para a placa grafica, o codigo ASCIIdo caracter;

◮ A posicao de escrita e definida pelas coordenadas actuais(linha,coluna) do cursor, mantidas pela placa grafica;

Monitor




Proxima Aula


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.

.



ROMcaracteres

ASCII

Geradorvarrimento

monitor

Placa Gráfica

UCP

RGB

� Modo de texto:

◮ Incremento e scroll automaticos do cursor, aquando de umaescrita;

◮ O codigo ASCII inclui comandos para controlar o cursor:

• BS (backspace) - decrementa o valor da coluna;• LF (linefeed) - incrementa o valor da linha;• CR (carriage return) - coloca o valor da coluna a zero;

◮ As placas graficas utilizam uma ROM para obter a descricaodos caracteres em termos de pixels.

Monitor




Proxima Aula


� Modo grafico:

◮ O processador define, pixel a pixel, o que deve aparecerno monitor;

◮ Definicao grafica:

• no total de pixels (no linhas x no colunas);

◮ Modos graficos monocromaticos:

• Um bit por pixel para indicar se esta aceso ouapagado;

◮ Modos graficos policromaticos:

• Para cada pixel define-se a cor desejada, de entre umconjunto de cores de uma determinada palete decores;

• O tamanho da palete determina o numero maximode cores possıvel;

Monitor




Proxima Aula


� Modo grafico:

◮ A placa grafica mantem o estado de cada pixel numamemoria interna, que determina a definicao maximapermitida.

Exemplo:

Definicao 1280 x 1024 (256 cores)⇓

1280 x 1024 x 8 bits = 1,25 MB

Monitor




Proxima Aula


� Monitores Monocromaticos:

◮ Baseados num tubo de raios catodicos: um feixe deelectroes e emitido contra uma tela de fosforo, radiandoluz;

◮ Por controlo do varrimento do feixe e da intensidade aolongo do varrimento, e possıvel definir padroes na tela.

Monitor




Proxima Aula


� Monitores Policromaticos:

◮ Para cada pixel existem tres telas de fosforocorrespondendo as tres cores elementares: vermelho,verde e azul (RGB);

◮ Tres feixes de electroes permitem radiar luz,independentemente, em cada uma das telas.

Monitor




Proxima Aula


� LCDs:

◮ Cada pixel e um elemento semicondutor activo cuja corpode ser controlada independentemente;

◮ Cada pixel pode ser enderecado individualmente,permitindo que a interface seja completamente digital;

• Para manter a compatibilidade com as placas graficasanteriores, os monitores LCD, em geral, aceitam comoentrada o sinal RGB tradicional.

Sinal de Vıdeo




Proxima Aula


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ROMcaracteres

ASCII

Geradorvarrimento

monitor

Placa Gráfica

UCP

RGB

� Sinal de Vıdeo:

◮ A placa grafica le, em sequencia, as posicoes da memoriainterna e gera tres sinais analogicos para o monitor: vermelho,verde e azul;

◮ A intensidade de cada uma destas cores e definida por umbyte;

• Palete de cores com 224 entradas (true-color);

Sinal de Vıdeo




Proxima Aula


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.

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ROMcaracteres

ASCII

Geradorvarrimento

monitor

Placa Gráfica

UCP

RGB

� Sinal de Vıdeo:

◮ O monitor e re-escrito 24 vezes por segundo, exigindo umagrande largura de banda entre a placa grafica e o monitor.

Exemplo:

• Ritmo de transmissao: 24 x 1280 x 1024 x 3 = 90 MB/s• Memoria de Vıdeo: 1280 x 1024 x 3 = 3,75 MB

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Discos Magneticos:

◮ Duas funcoes controladas pelo sistema operativo:

• Armazenamento de dados de forma permanente

◦ Gerido pelo sistema de ficheiros

• Elemento de mais alto nıvel na hierarquia dememoria (memoria virtual)

◦ Gerido pelo sistema operativo

◮ O espaco de armazenamento esta dividido em pelomenos duas particoes:

• Sistema de ficheiros;• Sistema de memoria (SWAP).

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Organizacao Interna:

Disco Rígido Cilindro Pista Sector

◮ Pilha de discos magneticos, permanentemente emrotacao a uma velocidade elevada e constante;

◮ Cada disco esta organizado em pistas concentricas;

◮ Cilindro: conjunto de pistas com o mesmo raio;

◮ Cada pista esta dividida em sectores (elemento mınimode informacao num disco);

◮ Cada disco tem uma cabeca magnetica que se podedeslocar radialmente para se posicionar sobre qualquerpista desse disco.

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Funcionamento:

Disco Rígido Cilindro Pista Sector

◮ O sistema operativo acede ao disco (R/W) em termosde um ou mais sectores;

◮ Cada sector tem uma referencia unica;

◮ O controlador de disco determina qual dos cilindroscontem o sector pretendido e em qual das pistas destecilindro este sector se encontra;

• Desloca a cabeca desse cilindro e espera que o sectorpasse por debaixo da cabeca magnetica.

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:

T1: tempo de procura (em ingles, seek time): tempo que acabeca magnetica demora ate chegar a pista onde osector se encontra (exemplo: 8ms);

T2: tempo rotacional (em ingles, rotational latency):tempo que demora desde que a cabeca magnetica seencontra em posicao ate que o sector desejado passe porbaixo desta (exemplo: 3ms);

T3: tempo de leitura/escrita (em ingles, access time):tempo que demora a leitura ou a escrita de um sector.(exemplo: 0,09ms);

TTOTAL = T1+T2+T3 ≈ 10ms ≫ TMEM ≈ 100ns

◮ O tempo de acesso ao disco e cerca de 100.000 vezesmaior do que o tempo de acesso a memoria;

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:

◮ O controlador de disco le os dados do disco com umataxa de transferencia muito elevada;

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:


• Possui um buffer para onde sao copiados os sectoresque so depois serao lidos pelo processador.

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:



◮ O tempo de leitura/escrita e desprezavel face aostempos de procura e rotacional

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:




Solucao: Aumentar o tamanho do sector

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:




Solucao: Aumentar o tamanho do sector↓

Problema: Desperdıcio de espaco, quando se pretendearmazenar ficheiros pequenos.

Tamanho tıpico: entre 512Bytes e 4 kBytes

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Temporizacao:




Solucao: Aumentar o tamanho do sector↓

Problema: Desperdıcio de espaco, quando se pretendearmazenar ficheiros pequenos.

Tamanho tıpico: entre 512Bytes e 4 kBytes↓

Solucao alternativa: Desfragmentacao do disco

Discos Magneticos




Proxima Aula


� Desfragmentacao do disco:

◮ Aumentar a eficiencia no acesso, garantindo a estruturalogica dos dados em sectores contıguos:

• Apenas se perde uma vez o tempo da procura erotacional para leitura e escrita de varios sectores.

Proxima Aula




Proxima Aula


Proxima Aula




Proxima Aula


� Comunicacao Serie vs. Paralela� Sincronizacao� Comunicacao Serie Sıncrona

◮ Barramento SPI◮ Barramento I2C

� Comunicacao Serie Assıncrona

◮ Norma RS-232

Nota de Agradecimento




Proxima Aula


Agradecimento

Algumas paginas desta apresentacao foram extraidas de:

[1] Jose Carlos Monteiro, “Arquitectura de Computadores”, InstitutoSuperior Tecnico (IST), Universidade Tecnica de Lisboa, Portugal,2010.

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