Post on 04-Dec-2020
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Aula 25: E/S: Controladoras, Mapeamentos e Técnicas
Diego Passos
Universidade Federal Fluminense
Fundamentos de Arquiteturas de Computadores
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 1 / 37
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Revisão
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 2 / 37
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Na Aula Anterior. . .
Começamos a discutir o sistema de E/S.▶ O que é.▶ Exemplos de dispositivos.▶ Barramentos.
Também vimos um dispositivo de E/S em particular.▶ Estudo de caso.▶ O disco rígido.▶ Como funciona.▶ Como é organizado.▶ Tempo de acesso.
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Na Aula de Hoje. . .
Continuaremos falando sobre E/S.Mas de forma mais genérica.
▶ Ao invés de focar em um dispositivo específico.Falaremos sobre:
▶ O papel dos controladores de E/S.▶ Tipos de mapeamento de endereços dos dispositivos de E/S.▶ Técnicas de acesso dos dispositivos de E/S.
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Controladores
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Controladores: Introdução
Em geral, dispositivos de E/S não estão diretamente ligados a um barramento.Ao contrário, há um dispositivo intermediário realizando esta conexão.
▶ Chamado de Controlador de E/S.▶ Algumas vezes, também chamado de Módulo de E/S.
O controlador se conecta tanto ao barramento de E/S, quanto ao dispositivo.▶ Recebe comandos e envia dados para a CPU.▶ Repassa estes comandos e interage com o dispositivo de E/S em si.
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Controladores: Possível Arquitetura
CPU Memória
Controlador
de
Disco
Controlador
de
Vídeo
Barramento
Disco
RígidoMonitor
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Controladores: Por Quê?
Por que não conectar os dispositivos de E/S diretamente aos barramentos?Vários motivos:
▶ Dispositivos de E/S diferentes possuem características diferentes.⋆ Tempos de acesso.⋆ Comandos.⋆ Formato dos dados.⋆ . . .
▶ Controladores abstraem as diferenças e tornam o acesso aos dados homogêneo.▶ Controladores podem controlar múltiplas instâncias de um dado dispositivo de forma
transparente.⋆ e.g., controladora de HD com múltiplos HDs conectados.
▶ Controladores podem implementar funcionalidades extras.⋆ Que teriam que ser realizadas pela CPU, caso contrário.
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Controladores: Funcionalidades
Duas funcionalidades óbvias de um controlador de E/S são:▶ Comunicação com a CPU.▶ Comunicação com o dispositivo de E/S.
Além disso, são funcionalidades comuns:▶ Controle e temporização.▶ Bufferização dos dados.▶ Detecção de erros.
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Controladores: Exemplo de Interação entre CPU e Controlador
CPU solicita estado do dispositivo ao controlador.Controlador verifica o estado do dispositivo e responde à CPU.Se o dispositivo está pronto:
▶ CPU solicita leitura de dados.▶ Controlador recebe solicitação e a traduz para comandos do dispositivo.▶ Dispositivo executa requisição e repassa dados para o controlador.▶ Controlador traduz dados para formato adequado para comunicação com o processador.▶ Controlador envia dados para o processador.▶ Processador armazenada dados em memória.
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Mapeamentos de Dispositivos de E/S
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Mapeamentos: Motivação
Do ponto de vista do programador, como acessar um dispositivo de E/S?Em outras palavras, como dizer ao processador que queremos realizar uma operação deE/S?Considere o seguinte exemplo:
▶ Queremos alterar a cor de um determinado pixel exibido no monitor.▶ Como pedimos ao processador para que isso seja feito?
Neste exemplo, temos uma operação de saída de dados.▶ Queremos “escrever” a cor de um pixel.▶ i.e., sabemos o que queremos escrever.
Mas qual é o endereço?
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Mapeamentos: Tipos
Há duas formas diferentes de lidar com este endereçamento de dispositivos de E/S:▶ E/S mapeado em memória.▶ E/S mapeado por porta.
É comum que arquiteturas suportem ambas as formas.▶ Embora dispositivos de E/S complexos tendem a usar E/S mapeado por porta.
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Mapeamentos: Mapeamento em Memória
No mapeamento em memória, dispositivos de E/S são associados a um ou mais endereçosde memória.Parte do espaço de endereçamento da MP é reservado para dispositivos de E/S.
▶ Endereços não são acessíveis na MP.Leituras ou escritas nestes endereços são capturadas pelos dispositivos de E/S.
▶ Traduzidas em requisições de entrada ou saída de dados.Instruções de leitura/escrita de memória são usadas para E/S.
▶ e.g., load word, store word.
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Mapeamentos: Mapeamento em Memória (Exemplo)
typescreentype = array[1..4000] of byte;
varscreen: screentype absolute $B800:0;
begin
screen[241]:= 70;screen[242]:= 76;screen[243]:= 65;screen[244]:= 76;screen[245]:= 67;screen[246]:= 76;
end.
DOS: mapeamento da memória devídeo em modo texto para uma faixade endereços de memória.Programas podiam tratar a memóriade vídeo como um vetor ou matriz.
▶ Normalmente com 4000 bytes.Cada caractere correspondia a doisbytes:
▶ ASCII do caractere a ser exibido.▶ Informação de cor (fundo e fonte).
Permitia funcionalidades como“salvar” e “restaurar” a tela.
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Mapeamentos: Mapeamento por Porta
Também chamado de E/S isolado.No mapeamento por porta, dispositivos são associados a outro tipo de endereço.
▶ Um número de porta.▶ Há instruções especiais para ler/escrever em uma porta.
Exemplo (C, Linux):
while(1) {
data = inb(port);if (data != old_data)
printf("%02x\n", data);old_data = data;sleep(1);
}
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Mapeamentos: Comparação
Para que o mapeamento em memória funcione, dispositivos de E/S precisam estarconectados (de alguma forma) ao mesmo barramento da MP.
▶ No mapeamento por porta, pode-se usar um barramento isolado.▶ Dedicado para I/O.▶ Pode afetar o desempenho.
Por outro lado, mapeamento em memória simplifica lógica do processador.▶ Acesso à MP e a dispositivos de E/S é padronizado.▶ Não são necessárias instruções especializadas.
Arquiteturas como a x86 suportam ambos os métodos.
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Técnicas de Acesso
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Técnicas de Acesso: Motivação
E/S é bem mais lenta que processamento.▶ E que acessos à MP.
Uma vez que uma operação de E/S é requisitada, ela tipicamente demora vários ciclos declock.Perguntas:
▶ O que o processador faz neste período?▶ Como ele sabe que a operação foi concluída?
Resposta: depende da técnica de acesso utilizada.▶ E/S programada.▶ E/S por interrupção.▶ E/S por DMA.
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Técnicas de Acesso: E/S Programada
Processo de transferência de dados é completamente controlado pela CPU.▶ Verifica estado do dispositivo.▶ Envia pedido.▶ Aguarda finalização.▶ Recebe os dados.
Durante a operação, CPU fica “presa”.▶ Ou ao menos gasta tempo para periodicamente verificar se a operação está pronta.▶ Também gasta tempo interagindo com o dispositivo/controlador.
Método ineficiente.
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Técnicas de Acesso: E/S Programada (Exemplo de Interação)
CPU solicita operação ao dispositivo/controlador.▶ Parâmetros enviados pelo barramento.
Dispositivo realiza operação.Enquanto isso, CPU periodicamente verifica se a operação terminou.
▶ Chamado de polling ou interrogação.Eventualmente, operação termina e controlador/dispositivo armazena esta informação.
▶ Um registrador interno ou um bit de controle.
Em dado momento, CPU volta a verificar e identifica que a operação está pronta.
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Técnicas de Acesso: E/S Programada (Mais Formalmente)
Envia
Comando
Interroga
Estado
Pronto?
Ler
Dado
Terminou?
Continue
Não
Não
Sim
Sim
Enquanto requisição não termina, processador pode:▶ Fazer algo útil e, de tempos em tempos, verificar o status.▶ Ou simplesmente verificar constantemente o status.
O segundo caso é conhecido como espera ocupada.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção
E/S programada é muito ineficiente.▶ São gastos ciclos do processador, esperando pelo fim da operação.▶ Mesmo quando ações úteis são intercaladas.
⋆ i.e., quando não utilizamos espera ocupada.
Ineficiência causada pela espera.▶ Não sabemos quanto tempo a operação demora.▶ Precisamos vericar de tempos em tempos.
O ideal seria que o dispositivo/controlador pudesse avisar quando a operação fosseconcluída.
▶ Processador ficaria completamente livre para realizar outras tarefas.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (II)
Esta é exatamente a estratégia usada na E/S por interrupção.▶ Processador requisita determinada operação a um dispositivo/controlador.▶ Enquanto a operação é realizada, CPU realiza outras tarefas.
⋆ e.g., executa outras instruções do programa.▶ Quando a operação é concluída, dispositivo/controlador gera uma interrupção.
Uma interrupção é apenas um sinal elétrico de aviso ao processador.Uma vez recebido, processador para o que está fazendo e aciona um tratador deinterrupções
▶ Trecho de código que lida com o evento.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Exemplo de Interação)
CPU solicita operação ao dispositivo/controlador.▶ Parâmetros enviados pelo barramento.
Dispositivo realiza operação.Enquanto isso, CPU fica livre para fazer outras atividades.Eventualmente, operação termina e controlador/dispositivo gera o sinal de interrupção.CPU recebe o sinal, dispara o tratador de interrupção que lê o dado do buffer dodispositivo/controlador.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Fluxo de Execução)
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Tratamento da Interrupção)
As informações salvas antes do tratamento da interrupção são chamadas de contexto.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções)
Note que múltiplas operações de E/S podem ser executadas simultaneamente. Exemplo:▶ CPU requisita leitura do HD.▶ Enquanto a leitura é feita, CPU requisita amostra do microfone.
Neste caso, ao receber uma interrupção, como a CPU sabe quem a gerou?▶ No exemplo, a controladora de disco ou a placa de som?
Várias soluções:▶ Uma linha de interrupção para cada controlador/dispositivo.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções II)
Várias soluções:▶ Uma linha de interrupção para cada controlador/dispositivo.
⋆ Limita número de dispositivos.⋆ Projeto mais caro e complexo.
▶ Detecção por software.⋆ Tratador de interrupções interroga cada dispositivo/controlador.⋆ Ineficiente.
▶ Arbitração de barramento.⋆ Dispositivo/controlador precisa obter o controle do barramento.⋆ Acessos simultâneos são resolvidos pelo próprio barramento.⋆ Dispositivo transmite identificação da interrupção pelo barramento.
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Técnicas de Acesso: E/S por Interrupção (Múltiplas Interrupções III)
Note que interrupções podem ter prioridades diferentes.▶ Mensagem recebida na placa de rede pode ser mais importante que pequeno movimento do
mouse.Interrupções simultâneas de prioridades diferentes:
▶ Interrupção de prioridade mais alta é tratada primeiro.
Mesmo o tratamento de uma interrupção de baixa prioridade pode ser interrompido porinterrupção de prioridade mais alta.
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Técnicas de Acesso: Interrupções (Mais Detalhes)
Finalmente, note que interrupções não são usadas apenas para E/S.Conceito importante nos computadores modernos.Também são usadas para:
▶ Indicar condições de erro na execução de um programa.⋆ e.g., overflow, divisão por zero.
▶ Auxiliar no gerenciamento dos recursos do computador pelo Sistema Operacional.▶ Implementar temporizadores.▶ . . .
Mais detalhes sobre interrupções e seus usos na disciplina de SO.
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Técnicas de Acesso: DMA
O uso de interrupções é bem mais eficiente que a E/S programada.▶ Processador não precisa ficar verificando se a operação terminou.
Mas note que o processador ainda controla a execução da operação.Considere, por exemplo, a tarefa de ler uma grande quantidade de dados do HD para aMP.
▶ Processador requisita leitura do primeiro setor.▶ Processador fica livre para outras tarefas.▶ Quando há uma interrupção, processador lê dado do barramento e transfere para a MP.▶ Processador requisita leitura do próximo setor.▶ . . .
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 32 / 37
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Técnicas de Acesso: DMA (II)
A cada interrupção, processador para o que está fazendo para dar sequência à operação.Os ciclos usados para isso poderiam ser mais bem empregados executando instruçõesúteis ao programa.Solução:
▶ Usar um dispositivo auxiliar, chamado de controlador de DMA.▶ CPU informa os parâmetros da E/S no início.▶ Controlador de DMA interage com o controlador/dispositivo de E/S.▶ Apenas quando a transferência estiver completamente concluída, controlador de DMA
gera uma interrupção para a CPU.
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Técnicas de Acesso: DMA e Barramentos
Controlador de DMA transfere dados de E/S diretamente para a MP.Para isso, controlador precisa estar conectado ao barramento da MP.
▶ Direta ou indiretamente.
Isso pode significar um prejuízo nos acessos da CPU à MP.Mas, em geral, o desempenho com DMA é bastante superior em grandes transferênciasde dados.
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 34 / 37
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Técnicas de Acesso: DMA e Cache
Suponha que processador requisita leitura de HD ao controlador de DMA.Dados lidos devem ser escritos na MP a partir da posição X.Mas a palavra endereçada por X na MP encontra-se atualmente em cache.Logo após o controlador de DMA escrever na MP o novo valor desta palavra, CPUrequisita leitura da posição X.O que acontece?
▶ Valor encontra-se em cache.▶ Cache responde com o valor desatualizado.▶ Obtemos uma inconsistência na informação da cache.
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 35 / 37
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Técnicas de Acesso: DMA e Cache (II)
De alguma forma, a consistência da cache precisa ser mantida.Informação desatualizada precisa ser invalidade.Duas soluções típicas:
▶ Por hardware: controlador de DMA avisa à cache sobre leituras/escritas na MP.▶ Por software: linhas da cache são invalidadas antes de uma requisição ao controlador de
DMA.
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Técnicas de Acesso: Último Detalhe
Note que a técnica de acesso é ortogonal ao método de mapeamento de E/S.Isto é, podemos usar DMA, interrupções, E/S programada tanto para mapeamento emmemória, quanto para mapeamento por porta.
Diego Passos (UFF) E/S: Controladores, Mapeamentos e Técnicas FAC 37 / 37