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William Stallings

Arquitetura e Organização de Computadores

Capítulo 7

Sistema de Entrada/Saída - I/O

2

Visão Abrangente

Módulo de E/S (Input/Output) é o terceiro elemento crítico do sistema computador (os outros são, a CPU e a memória)

Todos os sistemas computadores devem ter meios eficientes para receberem entradas e deliberarem saídas. Falhas relacionadas ao endereçamento de E/S tem

sentenciado muitos bons sistemas.

Programa de estudo:

Módulos de E/S e suas interfaces com o resto do sistema.

Mecanismos de E/S.

Exemplos de interfaces

3

Modelo genérico de um modulo de E/S

4

Problemas da E/S

Dispositivos externos, geralmente, não estão conectados diretamente na estrutura de barramento do computador

Uma ampla variedade de dispositivos requerem diferentes lógicas de operação.

Interfaces – impraticável para a CPU “saber como” controlar cada dispositivo

Disparidade entre as taxas de transferências de dados

Diferentes representações de dados

Todos mais lentos do que CPU e RAM

Necessidade de módulos entrada/saída (I/O)

Intermediários na comunicação entre a CPU, RAM e os periféricos.

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Módulo de Entrada/Saída

Provê uma interface padronizada para a CPU e o barramento.

Moldada para um dispositivo de E/S específico e a seus requisitos de interface.

Delega a CPU o gerenciamento dos dispositivos de E/S.

A interface consiste em sinais de:

Control

Status

Dados

Interface entre a CPU e a memória.

Interface para um ou mais periféricos.

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Categorias de Dispositivos Externos

Interpretação humana

vídeo, impressora, teclado

Operação pela máquina

Discos magnéticos e ópticos

Monitoração e controle

Comunicação

Modem

Placa de rede ( "Network Interface Card" – NIC)

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Typical I/O Data Rates

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Funções do Módulo de E/S

Controle e temporização (Control & timming) Coordenação do fluxo de dados

Comunicação com a CPU Decodificar comandos; Enviar e receber dados Informar o estado dos periféricos Reconhecimento de endereços

Comunicação com o dispositivo periférico Emitir comandos; Enviar e receber dados Receber informação do estado dos periféricos

Bufferização de dados (data buffering) Adequação a diferentes taxas de transferência

Deteção de erros Funcionamento incorreto dos periféricos Transmissão de dados (bit de paridade)

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Funções do Módulo de E/S

The major functions for

an I/O module fall into the following

categories:

Control and timing

•Coordinates the flow of traffic between internal resources and external devices

Processor communication

• Involves command decoding, data, status reporting, address recognition

Device communication

• Involves commands, status information, and data

Data buffering

•Performs the needed buffering operation to balance device and memory speeds

Error detection

•Detects and reports transmission errors

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Etapas da operação de E/S

A CPU verifica o status do módulo de E/S

O módulo de E/S retorna o status

Se pronto (ready), a CPU requisita a transferência

de dados

O módulo de E/S obtém os dados do dispositivo

O módulo de E/S transfere os dados para a CPU

Variações para a saída, DMA, etc.

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Decisões de um módulo de E/S

Esconder e/ou revelar as propriedades do

dispositivo para a CPU.

Suportar simples/múltiplos dispositivo(s).

Controlar as funções de um dispositivo ou delegar

para a CPU.

Também são decisões do Sistema Operacional

Por exemplo, Unix trata tudo, se possível, como arquivo.

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I/O Module Diagram

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RAM

CPU

Barr

am

ento

de S

istema

Módulo de

Entrada/Saída

Canal de

Entrada/Saída

Controlador de

Interrupção

Controlador

DMA

periférico

periféricosss

periférico

periféricosss

dos módulos (ou

canais) de

Entrada/Saída

dos módulos (ou

canais) de

Entrada/Saída

Técnicas de

Entrada/Saída Interface externa

Entrada/Saída – perspectiva geral

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Técnicas para Operações de Entrada/Saída

Programmed I/O

Interrupt driven I/O

Direct Memory Access (DMA)

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Programmed I/O

Operação de E/S onde a CPU envia um comando de E/S para o módulo de E/S.

A CPU tem controle direto da operação.

Sensing status

Read/write commands

Transferring data

A CPU espera até que a operação de E/S seja finalizada, antes de realizar outras tarefas.

A finalização é indicada pela mudança dos bits de status do módulo de E/S.

A CPU deve, periodicamente, consultar (polling) o módulo para verificar seu status.

Isto, consome tempo de CPU.

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Programmed I/O - detalhes

CPU requer uma operação de E/S

O módulo de E/S realiza a operação

O módulo de E/S configura os bits de status

A CPU verifica os bits de status periodicamente

O módulo de E/S não informa a CPU diretamente.

O módulo de E/S não interrompe as atividades da

CPU.

A CPU pode esperar ou retornar mais tarde.

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I/O Commands

A CPU fornece os endereços. Identifica o módulo (e dispositivo, se mais do que um

por módulo)

A CPU emite os comandos Controle – indicar ao módulo o que fazer

✓ e.g. spin up disk

Teste – verificar o status✓ e.g. power? Error?

Leitura/Escrita✓ O módulo transfere, via buffer, dados de/para o dispositivo

Endereçamento de dispositivos de entrada/saída Nas entradas/ saídas programadas a transferência de

dados consiste, muito provavelmente, num acesso à memória (ponto de vista da CPU)

Cada dispositivo possui um identificador único. As instruções da CPU contêm um identificador

(endereço).

18

I/O Operations

19

Endereçando Dispositivos de E/S

O modo de transferência de dados programada

(programmed I/O) é muito parecido com o

acesso a memória (do ponto de vista da CPU)

A cada dispositivo é atribuído um identificador

único.

Os comandos da CPU carregam este

identificador (endereços).

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I/O Mapping

Memory mapped I/O

Dispositivos e memória compartilham um espaço de endereçamento.

I/O parece como uma memória de leitura/escrita.

Nenhum comando especial para I/O

✓ Um grande conjunto de comandos de acesso a memória estão disponíveis.

Isolated I/O

Espaço de endereçamento separado

Necessidade de linhas de seleção para I/O ou memória

Comandos especiais para I/O

✓ Conjunto limitado

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Programmed I/O - Resumo

Devido a diferença de velocidade entre a CPU e os dispositivos periféricos (ordens de magnitude), programmed I/O consome uma enorme quantidade do potencial de processamento da CPU.

Muito ineficiente

A CPU trabalha na velocidade do periférico.

Vantagens

Implementação Simples

Requer pouquíssimo software especial ou hardware.

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Interrupt Driven I/O

Técnica para reduzir o tempo gasto nas operações de E/S.

A CPU fornece comandos de E/S para o módulo

A CPU continua com suas outras tarefas enquanto o módulo realiza a sua operação.

O módulo sinaliza à CPU quando a operação de E/S for finalizada (a interrupção)

A CPU responde a interrupção, executando uma rotina de serviço de interrupção (isr), logo após, continua a tarefa que estava executando durante este evento.

Contorna os problemas de espera da CPU.

A CPU não precisa realizar uma verificação repetitiva do status do dispositivo.

O próprio módulo de E/S anuncia quando pronto (via interrupção).

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Interrupt Driven I/O - Basic Operation

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CPU Viewpoint

Envia o comando de leitura

Realiza outro trabalho.

Verifica se há interrupção pendente a cada final de ciclo de execução de instrução.

Se houver interrupção:

Salva o contexto (registradores)

Processa a rotina de tratamento da interrupção.

✓ Fetch data & store

Ver notas no conteúdo da disciplina de Sistemas Operacionais.

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Interrupt-driven: decisões de projeto

Com múltiplos módulos e, portanto, múltiplas interrupções.

Como identificar o módulo que gerou o sinal de interrupção?

Como lidar com múltiplas interrupções?

Por exemplo, a rotina que manipula a interrupção está sendo interrompida.

29

Identificando o módulo que interrompe (1)

Cada módulo possui uma linha de interrupção diferente.

PC

Limita o número de dispositivos.

Software polling

CPU consulta cada módulo em uma sequência circular

Lento.

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Identificando o módulo que interrompe (2)

Daisy Chain ou Hardware poll

O recebimento da interrupção (interrupt acknowledge) é enviado cadeia abaixo.

O módulo responsável coloca o vetor de identificação no barramento.

A CPU usa o vetor para identificar a rotina de tratamento.

Bus Mastering

O módulo deve requerer o barramento antes que ele possa gerar a interrupção.

Por exemplo, PCI & SCSI

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Multiplas Interrupções

Cada linha de interrupção tem uma prioridade.

Linhas de prioridade mais alta podem interromper

as linhas de prioridades mais baixas.

Se o método empregado for bus mastering,

somente o mestre atual pode interromper.

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Example - PC Bus

O 80x86 tem uma linha de interrupção

Sistemas baseados no 8086 utilizam um

controlador de interrupção, o 8259A.

O 8259A tem oito (8) linhas de interrupções.

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Sequência de Eventos

8259A aceita interrupções.

8259A determina prioridades.

8259A sinaliza o 8086 (eleva a linha INTR).

A CPU reconhece (acknowledges).

8259A coloca o vetor correto no barramento de dados.

A CPU processa a interrupção.

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Intel 82C59A Interrupt Controller

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ISA Bus Interrupt System

ISA bus encadeia dois controladores 8259A juntos.

O Link é via interrupção 2.

Temos um total de 15 linhas.

16 linhas menos uma para o link

IRQ 9 é usada para redirecionar alguma coisa tentando usar a IRQ 2.

Backwards compatibility.

Nas arquiteturas atuais, o 8259A foi incorporado nochipset.

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Intel 82C55A Programmable Peripheral Interface

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Direct Memory Access

Interrupt driven e programmed I/O requerem intervenção ativa da CPU.

A taxa de transferência é limitada

A CPU fica aprisionada

Para contornar estes problemas a técnica de DMAsurge como uma solução.

DMA Function:

Módulo adicional (hardware) no barramento.

O DMA controller liberta a CPU da lenta tarefa das operações de E/S.

38

DMA - Diagrama de Bloco

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DMA Operation

A CPU configura a controladora DMA:

Read/Write

Device address

Endereço inicial do bloco de memória para os dados

A quantidade de dados a ser transferida

A CPU preocupa-se com outra tarefa.

A controladora DMA realiza as operações de transferência.

A controladora DMA envia um sinal de interrupção quando a transferência for finalizada.

40

DMA Transfer - Cycle Stealing

“Roubo" de ciclo na transferência DMA

Controlador DMA toma conta do barramento (bus) durante um ciclo (clock).

Transfere uma palavra de dados.

Não é uma interrupção

✓ A CPU não salvaguarda o contexto

CPU suspende a ciclo de instrução imediatamente antes de:

✓ um acesso ao barramento

✓ antes da busca de um operando ou de dados e

✓ da escrita de dados

Provoca um atraso na CPU, mas não tanto como se a própria efetuasse a transferência.

41

Pontos de suspensão de DMA

42

Aside

Qual é o efeito que memória caching tem no DMA?

Dica: Quantos são os barramentos de sistema disponíveis?

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Configurações DMA

Bus único, controlador DMA separado Cada transferência usa o bus duas vezes

✓ Do dispositivo de E/ S para controlador DMA e deste para a memória

Operação da CPU é suspensa duas vezes

Bus único, controlador DMA integrado Controlador pode suportar mais do que um dispositivo de

E/S Cada transferência usa o bus uma vez – do controlador

DMA para a memória Transferência entre dispositivos também usam o bus. Operação da CPU é suspensa uma vez.

Bus separado, controlador DMA integrado suporta todos os dispositivos DMA Cada transferência usa o uma vez – do controlador DMA

para a memória Operação da CPU é suspensa uma vez Transferência entre dispositivos não usam o bus

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DMA Configurations (1)

Bus único, controlador DMA separado

Cada transferência usa o bus duas vezes

✓ Do dispositivo de E/ S para controlador DMA e deste para a memória

Operação da CPU é suspensa duas vezes

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Bus único, controlador DMA integrado Controlador pode suportar mais do que um dispositivo

de E/S

Cada transferência usa o bus uma vez – do controlador DMA para a memória

Transferência entre dispositivos também usam o bus.

Operação da CPU é suspensa uma vez

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Bus separado, controlador DMA integrado

suporta todos os dispositivos DMA

Cada transferência usa o uma vez – do controlador DMA para a memória

Operação da CPU é suspensa uma vez

Transferência entre dispositivos não usam o bus

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Evolução da E/S (1)

No início CPU controlava diretamente o dispositivo (microprocessor-controlled devices)

Módulo de E/S (ou controlador) foi acrescentado Assim CPU não precisa conhecer detalhes específicos dos

dispositivos

CPU usa E/S programada sem interrupção

Surge então, a interrupção CPU trabalha enquanto ocorre E/S

O módulo de E/S ganha poder para acessar memória diretamente (DMA)

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Evolução da E/S (2)

O módulo de E/S torna-se um processador

Conjunto próprio de instruções para E/S

Módulo de E/S é capaz de executar um programa sem intervenção alguma da CPU

Também conhecido por canal de E/S

Módulo de E/S ganha uma memória local própria

Maior número de dispositivos podem ser controlados

Tamanho de buffer maior para troca de dados

Também conhecido como processador de E/S

Ocasionalmente os termos canais de E/S (I/O Channel) e processador de E/S (I/O Processor) são usados para designar os mesmos módulos de E/S.

49

Interfaces Externas

A interface de um módulo de E/S com um periférico depende da natureza e da operação do periférico.

Transmissão:

Paralela

✓ Várias linhas de conexão entre o módulo de E/S e o periférico.

✓ Diversos bits são transferidos ao mesmo tempo.

✓ Utilizada em periféricos de alta velocidade.

Serial

✓ Apenas uma linha para transmissão dos dados.

✓ Bits transmitidos um de cada vez.

✓ Mais comum para impressoras e terminais.

Transferência

simplex, half ou full-duplex

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Ligação entre módulo E/ S e o periférico

Temporização (timming) síncrona assíncrona

Controle Strobing Handshaking

Taxas de transferência Grande diversidade

Multiplicidade

Ponto a ponto✓ Linha dedicada entre o módulo de E/S e o dispositivo✓ Conecta, por exemplo, teclado, impressora e modem

Multiponto

✓ Utilizada para conexão de dispositivos externos de

armazenamento em massa (discos e fitas) e multimídia

(vídeo, audio).

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Interfaces & Periféricos

RS-232 modems, faxs, placas

áudio, placas de rede

PS/2 mouse

Centronics impressoras, scanners

AGP placas gráficas

ATA/IDE discos magnéticos

ATAPI discos ópticos

SCSI discos magnéticos,

discos ópticos, scanners

SATA discos magnéticos

USB discos magnéticos,

impressoras, scanners, modems

Firewire discos magnéticos,

câmaras fotográficas, de vídeo

PCMCIA discos, faxs, modems,

placas de rede

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Interface Externa SCSI

Small Computer System Interface

Popularizada no Machintosh 1984

Utilizada nos sistemas Windows / Intel

Suporta comunicação síncrona e assíncrona

Cada dispositivo SCSI tem dois conectores:

Entrada

Saída

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Todos os dispositivos são conectados a uma cadeia

circular

O último dispositivo desta cadeia é conectado ao

computador

Dispositivos podem trocar dados:

Diretamente entre si

Com o computador

Exemplo: Um HD pode comunicar-se com uma unidade

de fita diretamente, sem passar por um sistema

hospedeiro(processador)

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Todas as trocas no barramento SCSI são feitas entre um mestre e um escravo

Tipicamente o sistema hospedeiro é o mestre e o periférico é o escravo.

Toda atividade no barramento ocorre em fases:

Barramento livre: barramento disponível para uso

Arbitração: permite a um dispositivo ganhar o controle do barramento. O dispositivo pode iniciar ou retomar o processamento de uma E/S.

Seleção: permite um mestre a selecionar um escravo

Restabelecimento de conexão: permite ao escravo restabelecer a conexão com um mestre para retomar uma operação iniciada anteriormente mas suspensa pelo escravo.

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Toda atividade no barramento ocorre em fases:

Comando: permite ao escravo requisitar informações dos comandos enviados pelo mestre.

Dados: permite ao escravo requisitar a transferência de dados para o mestre (Data In) ou do mestre para o escravo (Data Out)

Estado: permite ao escravo enviar informações de estado ao mestre

Mensagem: Permite ao escravo requisitar a transferência de uma ou mais mensagens para o mestre (Message In) ou do mestre para o escravo (Message Out)

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SCSI Signaling (1)

Between initiator and target

Usually host & device

Bus free? (c.f. Ethernet)

Arbitration - take control of bus (c.f. PCI)

Select target

Reselection

Allows reconnection after suspension

e.g. if request takes time to execute, bus can be released

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SCSI Signaling (2)

Command - target requesting from initiator

Data request

Status request

Message request (both ways)

58

SCSI Bus Phases

59

SCSI Timing Diagram

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Configuring SCSI

Bus must be terminated at each end

Usually one end is host adapter

Plug in terminator or switch(es)

SCSI Id must be set

Jumpers or switches

Unique on chain

0 (zero) for boot device

Higher number is higher priority in arbitration

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SCSI 1 – início de 1980s Barramento de dados de 8 bits

Cabo com 18 linhas:

✓ 9 para controle

✓ 9 para dados (8 bits dados + 1 bit paridade)

Velocidade de 5 MHz - Taxa de transferência de 5 MBytes/s

Suporta até 7 dispositivos (comparado com 2 da tradicional IDE)

Possui linhas de controle

Mensagens são utilizadas para gerenciar o barramento

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SCSI 2 - 1991 Padrão corrente

Expandiu o barramento para 16 ou 32 bits

Aumentou a velocidade para 10 MHz – Taxa de transferência entre 20 ou 40 MBytes/s

Define comandos específicos para:

✓ Impressoras

✓ Processadores

✓ CD-ROMs

✓ Scanners

✓ Dispositivos de comunicação, etc

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Interface Externa FireWire

IEEE standard 1394 (serial bus FireWire)

Vantagens sobre SCSI

Maior velocidade

Baixo custo

Fácil implementação

Utiliza transmissão de 1 bit por vez (serial)

Requer cabos mais simples que SCSI (que tem mais linhas)

✓ Menor custo pois cabos paralelos precisam de sincronização para enviar informação (problema notado em cabos + longos)

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Usa daisy chain (cadeia circular) com até 63 dispositivos interconectados em uma única porta

Permite hot plugging (conexão a quente)

Computador não precisa ser desligado para conectar/desconectar dispositivos

Configuração automática de IDs para os dispositivos

Não é manual

E não é amarrada à posição do dispositivo

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Comparando com SCSI:

SCSI:

✓ requer terminadores nas pontas

✓ Deve-se associar um único ID para cada dispositivo (durante a configuração)

FireWire:

✓ Não há terminadores

✓ O sistema define os IDs automaticamente

✓ Não precisa ser daisy chain (árvore)

66

Comparação SCSI - Firewire

67


FireWire define 3 camadas de protocolos para o sistema hospedeiro interagir com os dispositivos:

Physical layer – define o meio de transmissão

✓ Características de sinais e elétricas

Link layer – descreve a transmissão dos dados em pacotes

Transaction layer – define um protocolo de requisição-resposta que esconde detalhes do barramento

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FireWire - Physical Layer

Data rates from 25 to 400Mbps

Two forms of arbitration

Based on tree structure

Root acts as arbiter

First come first served

Natural priority controls simultaneous requests

✓ i.e. who is nearest to root

Fair arbitration

Urgent arbitration

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FireWire - Link Layer

Two transmission types

Asynchronous

✓ Variable amount of data and several bytes of transaction data transferred as a packet

✓ To explicit address

✓ Acknowledgement returned

Isochronous

✓ Variable amount of data in sequence of fixed size packets at regular intervals

✓ Simplified addressing

✓ No acknowledgement

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FireWire Protocol Stack

(MAC) & Phys

71

FireWire Subactions

72


Comparando com SCSI:

SCSI:

✓ requer terminadores nas pontas

✓ Deve-se associar um único ID para cada dispositivo (durante a configuração)

FireWire:

✓ Não há terminadores

✓ O sistema define os IDs automaticamente

✓ Não precisa ser daisy chain (árvore)

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InfiniBand

I/O specification aimed at high end servers

Merger of Future I/O (Cisco, HP, Compaq, IBM) and Next Generation I/O (Intel)

Version 1 released early 2001

Architecture and spec. for data flow between processor and intelligent I/O devices

Intended to replace PCI in servers

Increased capacity, expandability, flexibility

74

InfiniBand Architecture

Remote storage, networking and connection between servers

Attach servers, remote storage, network devices to central fabric of switches and links

Greater server density

Scalable data centre

Independent nodes added as required

I/O distance from server up to

17m using copper

300m multimode fibre optic

10km single mode fibre

Up to 30Gbps

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InfiniBand Switch Fabric

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InfiniBand Operation

16 logical channels (virtual lanes) per physical link

One lane for management, rest for data

Data in stream of packets

Virtual lane dedicated temporarily to end to end transfer

Switch maps traffic from incoming to outgoing lane

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InfiniBand Protocol Stack

78

Foreground Reading

Pesquise sobre Universal Serial Bus (USB)

Faça comparações com outros padrões de comunicação.

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