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ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
Prof. Dr. Daniel Caetano
2012 - 1
DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA
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Objetivos
• Compreender o que é um dispositivo
• Compreender o mecanismo de acionamento de um dispositivo
• Formas de controlar e interagir com um dispositivo
• Conhecer alguns dispositivos comuns
• AV1!
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Material de Estudo
Material Acesso ao Material
Notas de Aula http://www.caetano.eng.br/aulas/aoc/ (Aula 7)
Apresentação http://www.caetano.eng.br/aulas/aoc/ (Aula 7)
Material Didático Arquitetura e Organização de Computadores, páginas 191 a 238
Biblioteca Virtual -
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O QUE É UM DISPOSITIVO?
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O que é um dispositivo?
• Simples: converte informações ↔ sinais
• Dispositivos de Entrada
– Converte informações do mundo em sinais elétricos (números)
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O que é um dispositivo?
• Dispositivos de Saída
– Converte sinais (números) em informações do mundo
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O que é um dispositivo? • Usualmente: pensam que são únicos
– Não entendem endereços
– Possuem apenas um “pino” de ativação
– O tamanho da palavra é diferente da CPU
• CPU: apenas um “pino” de dispositivo: IORQ
– Input/Output ReQuest
CPU Dispositivo 1
IORQ
Dispositivo 2
SEL
SEL
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O que é um dispositivo? • Usualmente: pensam que são únicos
– Não entendem endereços
– Possuem apenas um “pino” de ativação
– O tamanho da palavra é diferente da CPU
• CPU: apenas um “pino” de dispositivo: IORQ
– Input/Output ReQuest
CPU Dispositivo 1
IORQ
Dispositivo 2
SEL
SEL
Como Resolver?
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DECODIFICADOR DE ENDEREÇOS
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Decodificador de Endereços
• Em princípio: “fios” do barramento de endereço estão “à toa”
• Que tal numerar os dispositivos...
– ...e selecionar o dispositivo pelo “endereço”?
• Para isso funcionar:
– Circuito que
• Identifique um endereço
• Acione o dispositivo correto
• Decodificador de Endereços
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Decodificador de Endereços
• Memória: MREQ, R/W e A0-An
• E/S: IORQ, R/W... e A0-An
• Observe quem faz a “ponte”!
CPU Dispositivo 1
IORQ
Dispositivo 2
SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador Endereço
Acionamento Um dos
pinos ativa
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 0
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 0 0 0
1
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 0
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 0 0 0
1
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 0
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 0 0 0
1 1
0
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 1
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 1 0 0
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 1
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 1 0 0
1
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 1
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 1 0 0
1
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Decodificador de Endereços
• Como funciona o decodificador?
• Exemplo: ativar dispositivo no “endereço” 1
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador 1 0 0
1 0
1
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Decodificador de Endereços
• Quantos dispositivos esse decodificador suporta?
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador
SEL2 SEL3 SEL4
SEL5 SEL6 SEL7
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Decodificador de Endereços
• Quantos dispositivos esse decodificador suporta?
IORQ SEL0
SEL1
A0
A1
A2
Decodificador
SEL2 SEL3 SEL4
SEL5 SEL6 SEL7
3 bits = 8 dispositivos
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Decodificador de Endereços
• Decodificador: conjunto de circuitos lógicos
– Cada endereço específico ativa um dispositivo
• “Endereço” de dispositivo: porto ou porta
• Dispositivos simples:
– barramento de dados: direto
– barramento de controle: direto
• E nos dispositivos mais complexos?
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Controlador de Dispositivos
• Dispositivos mais complexos
– Exigem mais que um decodificador
– Exemplo: harddisk, vídeo...
• Existe uma placa controladora ou interface controladora de dispositivo
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Controlador de Dispositivos
• Controladores
– Podem integrar vários dispositivos
– Permitem interações entre dispositivos e memória
– Podem estar integrados aos dispositivos (!)
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Controlador de Dispositivos
• O controle ainda é da CPU?
– Claro!
• Como a CPU fica nessa história?
• Como ela solicita algo?
• Como ela sabe o que está acontecendo?
• Existem três formas de controlar dispositivos
– Polling (E/S Programada)
– Interrupções
– DMA (Direct Memory Access)
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E/S POR POLLING
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E/S por Polling
• Polling ou E/S Programada
– Poll: consulta
– A CPU precisa verificar constantemente os dispositivos
• Exemplo:
– Placa de rede recebeu dado
• CPU precisa lê-lo antes que o próximo chegue!
– Impressora imprimiu uma letra
• CPU precisa fornecer a próxima
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E/S por Polling • Como a CPU sabe que chegou a hora...
– De ler um novo dado
– De escrever um novo dado?
• Precisa consultar o dispositivo: polling
• A consulta é cíclica, de tempos em tempos – Dispositivo 1: precisa de algo?
– Dispositivo 2: precisa de algo?
– ...
– Dispositivo n: precisa de algo?
– Dispositivo 1: precisa de algo?
– ...
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E/S por Polling • Analogia:
– CPU: Cozinheiro e Garçom de um restaurante
– Dispositivos: Clientes
• Se o cozinheiro é também o garçom – Para de cozinhar para atender os
clientes
– Para de cozinhar para levar pratos para os clientes
– Pode perder clientes se demorar demais para atendê-los
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E/S por Polling
• Vantagens:
– Controle total da CPU
– CPU escolhe quando consulta o quê
• Problemas:
– Tempo de CPU gasto com a consulta
– Gasto de CPU com transferências Disp.↔Mem
– Perda de dados, se a CPU não atender rapidamente um dispositivo (ex.: rede)
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E/S POR INTERRUPÇÃO
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E/S por Interrupção • Interrupção: Dispositivo interrompe CPU
– Sempre que dispositivo precisa de algo
– CPU não precisa fazer consulta
• A Interrupção é um “pino” da CPU (IRQ)
• Sinal da IRQ: barramento de controle
• Exemplo: – Placa de rede recebeu dado
• Placa de rede dispara interrupção da CPU
– Acabaram os dados da placa de som • Placa de som dispara interrupção da CPU
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E/S por Interrupção
• Analogia:
– CPU: Cozinheiro e Garçom de um restaurante
– Dispositivos: Clientes com sineta
• Com a sineta – Para de cozinhar para atender os
clientes só quando ouve a sineta
– Para de cozinhar para levar pratos para os clientes
– Os clientes tocam a sineta quanto precisam ser atendidos (não há perda)
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E/S por Interrupção
• CPUs modernas costumam ter várias IRQs
– PIC: Programable Interrupt Controller (16)
– APIC: Advanced PIC (256)
• Vantagens:
– CPU não precisa consultar dispositivos
• Problemas:
– Perda (parcial) de controle pela CPU (EI/DI)
– Gasto de CPU com transferências Disp.↔Mem
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E/S POR DMA
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E/S por DMA • DMA: Direct Memory Access
– Acesso Direto à Memória – CPU configura o DMA para transferir dados – CPU não precisa fazer a transferência
• DMA: praticamente um dispositivo – Apenas executa as transferências
• Exemplo: – Placa de rede recebeu um pacote de dados
• CPU configura DMA para copiar esses dados na RAM
– Acabaram os dados da placa de som • CPU configura DMA para transferir dados da RAM para
placa de som
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E/S por DMA
• Analogia:
– CPU: Cozinheiro do restaurante
– DMA: Garçom do restaurante
– Dispositivos: Clientes
• Com o garçom – É o garçom que atende os clientes, o
cozinheiro não para de cozinhar
– É o garçom que leva os pratos aos clientes
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E/S por DMA + Polling
• Vantagens:
– Controle total da CPU
– CPU escolhe quando consulta o quê
– CPU não gasta tempo com transferências
• Problemas:
– Tempo de CPU gasto com a consulta
– Perda de dados, se a CPU não atender rapidamente um dispositivo (ex.: rede)
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E/S por DMA + Interrupção
• Vantagens:
– CPU não precisa consultar dispositivos
– CPU não precisa gastar tempo com transferências
• Problemas:
– Perda (parcial) de controle pela CPU (EI/DI)
– Custo do circuito DMA
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DISPOSITIVOS COMUNS DE E/S
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Hard Disk
• Similar aos finados disquetes, mas...
– Vários discos (de alumínio ou vidro)
– Cobertos por Óxido de Ferro (magnetizado – 0, 1)
– Fixos a um eixo, giram de 3.000 a 10.000 rpm
– Regiões acessíveis: disco (head), trilha (cylinder), setor
– Setores: usualmente 512 bytes
• 6 Cabeças
• 1 por vez
• Leitura: setor?
• Sistema de arquivos
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Discos Ópticos • Discos Plásticos
– Camada de alumínio “entalhada” (0, 1)
– Leitura: cabeça dispara laser e tenta coletá-lo
– Dados armazenados em espiral
– Velocidade de giro: mais lenta em direção à borda
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Teclados • Matriz Eletrônica
– Simplificado: A → Linha 04, coluna 02 → 0402
– Teclas modificadoras enviadas separadamente
– Mapa de Teclado: Linha/Coluna → Código
– US-International, ABNT-2 etc.
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Mouse Óptico • Fotos da Base de Apoio
– Emite luz e digitaliza imagem: intervalos regulares
– Detecção de deslocamento entre imagens
– Codificação em um valor para o mouse
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Monitores de Vídeo LCD • Elementos Fundamentais:
– emissor, polarizador vert., tela de cristal líquido, plástico filtro colorido, polarizador horizontal
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Monitores de Vídeo LCD • Emissor, tela de cristal e polarizadores
controlam quanta luz passa
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Monitores de Vídeo LCD • O filtro controla a cor de cada “subpixel”
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Monitores de Vídeo LCD • Configurações e Efeitos
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CONCLUSÕES
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Resumo
• Os dispositivos são interconectados ao computador para converter sinais em informações e vice-versa
• O acesso aos dispositivos é feito pelo barramento, com auxílio do decodificador de endereços
• Dispositivos mais complexos exigem uma interface controladora
• Cada dispositivo lida com os sinais de uma maneira diferente
• TAREFA – AV1!
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Próxima Aula
• Avaliação AV1!
• E depois? – Quem gerencia a memória?
– E a CPU?
– Sistemas Operacionais!
– O que os SOs precisam?
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PERGUNTAS?
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BOM DESCANSO A TODOS!