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Arquitetura e OrganizaArquitetura e Organizaçãçãoo
de Computadores IIde Computadores II
Universidade Federal de Pelotas
Instituto de Física e Matemática
Departamento de Informática
Bacharelado em Ciência da Computação
Aula 22
7. Métodos de comunicação: entrada e saída
programada, entrada e saída controlada por
interrupção, acesso direto à memória (DMA), polling.
Prof. José Luís Güntzel
guntzel@ufpel.edu.br
www.ufpel.edu.br/~guntzel/AOC2/AOC2.html
slide 22.2
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
Relembrando von Neumann
CPU Memória
Dispositivo
de E/S
end dado end dado
linhas de endereços
linhas de dados
Dispositivo
de E/S
Dispositivo
de E/S
linhas de controle
barramento 
de sistema
slide 22.3
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
Módulo de E/S
Lógica 
de E/S
Lógica 
de 
interface 
com 
dispositivo
externo
Registrador de dados
Registrador de 
estado/controle
dados
estado
controle
Lógica 
de 
interface 
com 
dispositivo
externo
dados
estado
controle
Linhas 
de dados
Linhas de
endereço
Linhas de
controle
Interface com
Barramento 
do sistema
Interface com
Dispositivos
externos
slide 22.4
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
• Processador de E/S ou canal de E/S:
– é um módulo de E/S mais complexo, realiza a maior parte
dos trabalhos
– proporciona uma interface de alto nível com o processador
• Controlador de E/S ou controlador do dispositivo:
– é um módulo de E/S mais simples
– requer controle mais detalhado
Módulo de E/S
slide 22.5
ComputaçãoUFPel
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Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
O Sistema operacional é o principal responsável pelo
tratamento da E/S
• Garante que o programa do usuário somente acesse os
dispositivos de E/S para os quais o programa de usuário
tenha permissão
• Fornece rotinas de manipulação das operações de baixo
nível dos dispositivos de E/S
• Trata as interrupções geradas pelos dispositivos (da mesma
maneira que trata as exceções geradas por um programa)
O Papel do Sistema Operacional
slide 22.6
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Tipos de comunicação do SO com os dispositivos de E/S:
• Envio de comandos para os dispositivos de E/S
• O dispositivo deve poder avisar ao SO o término de uma
operação (ou erro)
• Dados devem ser transferidos entre a memória e os
dispositivos de E/S de maneira rápida
polling
interrupção
acesso direto à memória (DMA)
O Papel do Sistema Operacional
slide 22.7
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Para dar um comando a um dispositivo de entrada/saída, o
processador precisa ser capaz de endereçar o dispositivo.
Métodos de Endereçamento
Existem dois métodos para endereçar dispositivos:
• Entrada/saída mapeada na memória
• Entrada/saída independente (com comandos especiais de
entrada/saída)
slide 22.8
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Entrada/Saída Mapeada na Memória
• Parte do espaço de endereçamento é reservado aos
dispositivos de entrada/saída
• Leituras e escritas envolvendo estes endereços são
interpretadas como comandos
• Uma operação de escrita na memória é usada para enviar
dados para um dispositivo de E/S
• Barramento não precisa ter linhas especiais para comandos
(somente para leitura e escrita)
Métodos de Endereçamento
slide 22.9
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Entrada/Saída Independente
• Barramento possui linhas de comandos de entrada e saída
• Uma linha de comando especifica se um endereço
corresponde a uma posiçã o de memória ou a um
dispositivo de E/S
Métodos de Endereçamento
slide 22.10
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
• Controle: ativar um periférico e indicar uma ação a ser
executada
• Teste: testar várias condições de estado
• Leitura: fazer com que o dispositivo de E/S obtenha um
item de dado do periférico, armazenando-o no registrador
de dado
• Gravação: faz com que o dispositivo de E/S obtenha um
item de dado (byte ou palavra) do barramento de dados,
transmitindo-o para o periférico
Comandos de Entrada/Saída
Tipos de comandos que podem ser enviados do
processador para um dispositivo de E/S:
slide 22.11
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Transferência com 
Polling
Dispositivo de E/S:
• Executa a operação requisitada
• sinaliza o término da operação
carregando um valor apropriado no
registrador de estado de E/S
O Processador:
• Não é alertado sobre o término da
operação
• Precisa ficar verificando
periodicamente o estado do dispositivo
de E/S
Lê estado do 
dispositivo E/S
Verifica
o estado
Envia comando
de leitura para 
dispositivo E/S
Escreve uma 
palavra 
na memória
Terminou?
Lê uma palavra
do 
dispositivo E/S
pronto
não
pronto
sim
não
CPU E/S
E/S CPU
Condição 
de erro
Próxima instrução
E/S CPU
CPU Memória
slide 22.12
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Processador + rápido que
dispositivos de E/S
• Processador gasta uma grande
quantidade do tempo
Lê estado do 
dispositivo E/S
Verifica
o estado
Envia comando
de leitura para 
dispositivo E/S
Escreve uma 
palavra 
na memória
Terminou?
Lê uma palavra
do 
dispositivo E/S
pronto
não
pronto
sim
não
CPU E/S
E/S CPU
Condição 
de erro
Próxima instrução
E/S CPU
CPU Memória
Transferência com 
Polling
slide 22.13
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Transferência com Polling
Porém, se um dispositivo pode iniciar operações de
entrada e saída de maneira independente…
• Polling precisa ser usado!
• Exemplo: mouse
slide 22.14
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Transferência por 
Interrupção
Do lado do processador:
1.Envia um comando READ
2.Prossegue a execução de outras
instruções
3.No final de cada ciclo, verifica se
existe alguma instrução pendente
4.Ao detectar uma interrupção,
salva o contexto e processa a
interrupção (lendo a palavra e
armazenando-a na memória)
Lê estado do 
dispositivo E/S
Verifica
o estado
Envia comando
de leitura para 
dispositivo E/S
Escreve uma 
palavra 
na memória
Terminou?
Lê uma palavra
do 
dispositivo E/S
pronto
sim
não
Condição 
de erro
Próxima instrução
CPU E/S
E/S CPU
E/S CPU
CPU Memória
Executa outras
instruções
interrupção
slide 22.15
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
Transferência por 
Interrupção
Do lado do dispositivo de E/S:
1.Recebe comando READ
2.Lê o dado requerido do periférico
3.Quando o dado estiver em seu
registrador de dados, interrompe
o processador
Lê estado do 
dispositivo E/S
Verifica
o estado
Envia comando
de leitura para 
dispositivo E/S
Escreve umapalavra 
na memória
Terminou?
Lê uma palavra
do 
dispositivo E/S
pronto
sim
não
Condição 
de erro
Próxima instrução
CPU E/S
E/S CPU
E/S CPU
CPU Memória
Executa outras
instruções
interrupção
slide 22.16
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
Transferência por 
Interrupção
Mas onde está o ganho em
relação ao Polling ?
Lê estado do 
dispositivo E/S
Verifica
o estado
Envia comando
de leitura para 
dispositivo E/S
Escreve uma 
palavra 
na memória
Terminou?
Lê uma palavra
do 
dispositivo E/S
pronto
sim
não
Condição 
de erro
Próxima instrução
CPU E/S
E/S CPU
E/S CPU
CPU Memória
Executa outras
instruções
interrupção
Está na relação de velocidades
CPU/periféricos!
slide 22.17
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
Processamento de uma Interrupção
Um controlador de dispositivo
ou outro hardware do sistema 
envia uma interrupção
Processador termina a
execução da instrução 
corrente
O processador envia o
reconhecimento da interrupção
O processador armazena o
conteúdo dos registradores
PSW e PC na pilha de controle
O processador carrega um
novo valor no registrador PC,
conforme a interrupção
As demais informações do 
processo são armazenadas
Processo da interrupção
A informação de estado do 
processo é restaurada
Os antigos valores dos
registradores PSW e PC 
são restaurados
HW SW
slide 22.18
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Transferência por Interrupção
E se houver mais de uma interrupção a ser atendida?
• Usar interrupções com prioridades
• E para interrupções de mesma prioridade?
Fazer polling entre elas…
OBS: nas transferências por polling e por interrupção
• o processador controla totalmente a transferência
• Os dados passam por dentro do processador (usando
seus registradores!)
slide 22.19
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
Desvantagens das transferências por polling e por
interrupção:
1. Taxa de transferência limitada pela velocidade que
o processador pode testar e servir o dispositivo
2. O processador se ocupa de gerenciar a transferência
de dados de E/S, tendo que executar várias
instruções a cada transferência
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.20
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
1. A técnica de DMA libera o processador de
acompanhar todos os passos de uma transferência
2. Exige um recurso de hardware especial, o
controlador de DMA (DMAC)
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.21
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
buffers
bar. de
dados
RD
RS
WR
BR
DS
BG
Lógica
de
Controle Registrador de controle
Contador de palavras
Registrador de ends
buffers
bar. de
ends
b
ar
ra
m
en
to
 in
te
rn
o
requisição de DMA
confirmação de DMA p/ dispositivo de E/S
interrupção
seleção de DMA
seleção de registrador
leitura
escrita
requisição do barramento
concessão do barramento
barramento de ends
barramento de dados
Estrutura de um Controlador de DMA
slide 22.22
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Um controlador de DMA pode ter mais de um canal:
Neste caso, cada canal possui
– um par de sinais de requisição e confirmação
– Um conjunto de registradores
em caso de conflitos, é seguida uma ordem de
prioridades
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.23
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
Passo 1:Passo 1: processador ativa o DMAC (controlador de DMA)
• Informando a identidade do dispositivo
• A operação a ser realizada pelo dispositivo
• O endereço de memória que é a fonte ou o destino do dado
e
• O número de bytes a serem transferidos
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.24
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Passo 2:Passo 2: O DMAC inicia a operação sobre o dispositivo:
• Arbitrando o barramento
• Quando os dados estiverem disponíveis ele os transfere
• Fornece os endereços de memória a serem lidos ou
escritos
• Gera o próximo endereço de memória e inicia a nova
transferência…
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.25
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
Passo 3:Passo 3: Uma vez completada a transferência sob o
controle do DMAC:
• O DMAC interrompe o processador,
• O processador deve verificar se toda a operação de
transferência foi realizada com sucesso.
• O processador retoma o controle do barramento
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.26
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
O controlador de DMA no sistema
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
Acesso Direto à Memória (DMA)
slide 22.27
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
O dispositivo
envia uma
requisição de DMA
Transferência DMA
slide 22.28
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
BR=1
Transferência DMA
slide 22.29
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
A CPU inicializa
o controlador
por meio do
bar. de dados
Transferência DMA
slide 22.30
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
BG=1
Transferência DMA
slide 22.31
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
BG=1
R=1 ou
 W=1
O controlador
coloca no bar.
de ends. o 
valor do 
Registrador de ends
e faz R=1 ou W=1
Transferência DMA
slide 22.32
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
CPU Memória
Controlador
DMA
Dispositivo
de E/S
DS
RS
BR
BG
interrupção
RD WR end dado
BR
BG
interrupção
RD WR end dado RD WR end dado
Decod. de
endereços
requisição DMA
confirmação DMA
barramento de ends
barramento de dados
controle de escrita
controle de leitura
BG=1
R=1 ou
 W=1
Quando o dispositivo
de E/S recebe a confirmação,
Inicia-se a transferência
Transferência DMA
slide 22.33
ComputaçãoUFPel
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6. Métodos de Comunicação
Conclusões da Aula
Necessita de
HW extra
melhorDMA
Interm.Interrupção
É necessárioMais baixopiorPolling
OBScustodesempenho
slide 22.34
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Prof. José Luís Güntzel
6. Métodos de Comunicação
Para Ir Além
• Ler a seção 8.5 do Patterson & Hennessy (HW/SW
Interface)
• Ler capítulo 6 de Stallings (Arq. E Org. de Computadores,
5a edição)
• Ler a seção 11.6 do livro Computer Engineering:
hardware design, de M. Morris Mano (há um exemplar na
biblioteca setorial de C&T/UFPel)