Memória Secundária Entrada/Saída

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Organização e Arquitetura de Computadores 
Aula 05 
 
Prof. Harlei Miguel de Arruda Leite 
Sumário 
• Memória Secundária 
• Entrada/Saída 
• Homework 
• Referências 
Memória Secundária 
• Introdução 
 
– Seja qual for o tamanho da memória principal, ela sempre será muito 
pequena. A solução tradicional para armazenar grandes quantidades de 
dados é uma hierarquia de memória. 
Memória Secundária 
• Hierarquia de memória 
 
 
Registradores 
Cache 
Memória Principal 
Disco Magnético 
Tempo de Acesso 
Baixo 
Alto 
Capacidade de 
Armazenagem 
Baixa 
Alta 
Fita Disco Ótico 
Entrada/Saída 
• Introdução 
 
– Um sistema de computador tem três componentes principais: a CPU, as 
memórias (primária e secundária) e os equipamentos de E/S (entrada/saída), 
como impressoras, scanners e modems. 
 
– A estrutura de um computador pessoal simples pode ser vista a seguir. 
 
 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
– Barramento é um caminho elétrico comum que liga e permite a comunicação 
entre dois ou mais dispositivos (processador, memória, controladores, 
periféricos, etc). 
 
– Conjuntos de fios que transportam sinais de dados, endereço e controle 
responsáveis pela interconexão dos componentes. 
 
– Formado por múltiplos caminhos de comunicação (linhas). 
 
• As linhas podem ser classificadas em linhas de dados, endereço e controle. 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
 
Entrada/Saída 
• Linhas de dados 
 
– Oferecem um caminho para movimentação de dados entre os 
módulos do sistema. 
 
– Um conjunto de linhas de dados é chamado de barramento de dados. 
 
• 32,64, 128 ou mais linhas separadas. 
 
• Número de linhas = largura do barramento. 
 
– Determina o desempenho geral do sistema. Ex: barramento de 
32 bits de largura e instruções de 64 bits de extensão. 
 
Entrada/Saída 
• Linhas de Endereço 
 
– Usadas para designar a origem ou destino dos dados no barramento de 
dados. 
 
– Exemplo: 
 
• Processador deseja ler uma palavra de dados da memória. 
• Coloca o endereço da palavra desejada nas linhas de endereço. 
 
– Determina a capacidade de memória máxima possível do sistema 
 
• Por exemplo, o 8080 tinha um barramento de endereço de 16 bits, 
gerando espaço de endereços de 64 Kb. 
Entrada/Saída 
• Linhas de Controle 
 
– Usadas para controlar o acesso e uso das linhas de dados e endereço. 
 
• Leitura e escrita de memória 
• Leitura e escrita de E/S 
• Solicitação e concessão de barramento 
• Requisição de interrupção 
• Etc. 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
– Esse computador tem um único barramento para conectar a CPU, a memória 
e os equipamentos de E/S. A maioria dos equipamentos tem dois ou mais 
barramentos. 
 
– Cada dispositivo de E/S consiste em duas partes: uma que contém grande 
parte da eletrônica, denominado controlador, outra que contém o dispositivo 
de E/S em si, tal como um drive de disco. 
 
– A função de um controlador é controlar seu dispositivo de E/S e manipular 
para ele o acesso ao barramento. Quando um programa quer dados do disco, 
por exemplo, ele envia um comando ao controlador de disco, que então 
emite um comando de busca. 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
– O que acontece se a CPU e um controlador de E/S quiserem usar barramento 
ao mesmo tempo? Um chip denominado árbitro de barramento, decide o 
que acontece em seguida. Em geral, é dada a preferência aos dispositivos de 
E/S sobre a CPU, porque discos e outros dispositivos que estão em 
movimento não podem ser interrompidos, e obrigá-los a esperar resultaria 
em perda de dados. 
 
– Esse projeto funcionou bem para os primeiros computadores pessoais, já que 
dificilmente você levava um equipamento de E/S de um modelo antigo para 
um modelo novo. Mas com o tempo, as pessoas passaram a levar seus 
equipamentos antigos ao trocar de CPU. 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
– No passado, uma ampla gama de dispositivos de E/S foram criados para o 
barramento do IBM PC. Quando a IBM lançou a linha PS/2, um barramento 
novo e mais rápido foi desenvolvido. No entanto, os fabricantes continuaram 
a desenvolver dispositivos para o barramento ISA (Industry Standard 
Architecture), o que forçou a IBM a dar suporte ao barramento ISA. 
Entrada/Saída 
• Barramento 
 
– Slot ISA 8 bits 
Entrada/Saída 
• Barramentos PCI 
 
– Com o tempo, as empresas passaram a desenvolver máquinas com múltiplos 
barramentos, um dos quais era o antigo ISA. Agora, o mais popular deles é o 
barramento PCI (Peripheral Component Interconnect – Interconexão de 
Componentes Periféricos). Esse barramento foi projetado pela Intel. 
 
– Uma configuração típica do barramento PCI consiste na comunicação da CPU 
com um controlador de memória por meio de uma conexão dedicada, de alta 
velocidade. O controlador se comunica diretamente com a memória e com o 
barramento PCI, de modo que o tráfego CPU-memória não passa pelo 
barramento PCI. 
 
– Outros periféricos podem ser conectados diretamente ao barramento PCI. 
 
 
Entrada/Saída 
• Barramentos PCI 
 
CPU 
Cache 
Ponte 
para PCI 
Memória 
principal 
Scanner 
SCSI 
Disco 
SCSI 
Controlador 
SCSI 
Controlador 
de vídeo 
Controlador 
de rede 
Barramento PCI 
Barramento 
de memória 
Barramento 
SCSI 
Entrada/Saída 
• Barramento PCIe 
 
– Com o tempo, o PCI foi substituído pelo PCI Express, abreviado como PCIe. A 
maioria dos computadores modernos tem suporte para ele, de modo que os 
usuários podem conectar dispositivos novos e velozes ao barramento PCIe e 
os mais antigos e mais lentos ao barramento PCI. 
 
 
Entrada/Saída 
• Problemas do barramento único 
 
– Muitos dispositivos em um barramento: 
 
• Demoras na propagação 
 
• Caminhos de dados longos significam que a coordenação do uso do 
barramento pode afetar o desempenho adversamente. 
 
– A maioria dos sistemas usam barramentos múltiplos para superar esses 
problemas. 
Entrada/Saída 
• Múltiplos Barramentos - Exemplo 
Entrada/Saída 
• Placa mãe ASUS H110M-CS/BR (R$ 380,00 – R$400,00) 
 
– PCI Express, PCI, DDR4 , Suporta 32 GB de RAM 
Entrada/Saída 
• ASUS 970 Pro Gaming/Aura (R$ 600,00 – R$680,00) 
 
– PCI-Express, PCI, DDR3, suporta 32 GB de RAM 
 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– As principais funções ou requisitos para um módulo de E/S encontram-se nas 
seguintes categorias: 
 
• Controle e temporização 
• Comunicação com o processador 
• Comunicação com o dispositivo 
• Armazenamento temporário (buffering) de dados 
• Detecção de erro 
 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– Modelo genérico de um módulo de E/S 
 
Entrada/Saída 
• Diagrama de blocos de um dispositivo externo 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– Durante qualquer período, A CPU pode se comunicar com um ou mais 
dispositivos externos em padrões imprevisíveis, dependendo da necessidade 
de E/S do programa. 
 
– Os recursos internos, como a memória principal e o barramento do sistema, 
precisam ser compartilhados entre uma série de atividades, incluindo E/S de 
dados. 
 
– Assim, a função de E/S inclui um requisito de controle e temporização, para 
coordenar o fluxo de tráfego entre os recursos internos e dispositivos 
externos. 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– Exemplo: O controle da transferência de dados de um dispositivo externo à 
CPU poderia envolver a seguinte sequência de etapas: 
 
1. A CPU interroga o módulo de E/S para verificar o estado do dispositivo 
conectado. 
2. O módulo de E/S retorna o estado do dispositivo.3. Se o dispositivo estiver operacional e pronto para transmitir, o processador 
solicita a transferência de dados por meio de um comando ao módulo de 
E/S. 
4. O módulo de E/S obtém uma unidade de dados (por exemplo, 8 ou 16 bits) 
do dispositivo externo. 
5. Os dados são transferidos do módulo de E/S ao processador. 
 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– Finalmente, um módulo de E/S normalmente é responsável pela detecção de 
erro e, subsequentemente, por relatar erros à CPU. Uma classe de erros 
incluí defeitos mecânicos e elétricos relatados ao dispositivo (por exemplo, 
papel emperrado, trilha de disco com defeito, etc). 
 
– Outra classe consiste em mudanças não intencionais no padrão de bits 
quando são transmitidos do dispositivo ao módulo de E/S. Alguma forma de 
código de detecção de erro é normalmente usada para detectar erros de 
transmissão. 
Entrada/Saída 
• Diagrama de blocos de um módulo de E/S 
Entrada/Saída 
• Módulos de E/S 
 
– Um módulo de E/S funciona para permitir que a CPU veja uma grande 
variedade de dispositivos de uma maneira simples. 
 
– O módulo de E/S pode ocultar os detalhes de temporização, formatos e 
eletromecânica de um dispositivo externo, de modo que o processador pode 
funcionar em termos de comandos simples de leitura e escrita, e 
possivelmente comandos para abrir e fechar arquivos. 
 
– Em sua forma mais simples, o módulo de E/S ainda pode ter grande parte do 
trabalho de controle de um dispositivo (por exemplo, rebobinar uma fita) 
visível ao processador. 
Entrada/Saída 
• Técnicas de E/S 
 
– Três técnicas são possíveis para operação de E/S: 
 
• E/S programada 
• E/S controlada por interrupção 
• Acesso direto à memória 
Entrada/Saída 
• E/S programada 
 
– Os dados são trocados entre o processador e o módulo de E/S. O processador 
executa um programa que lhe oferece controle direto da operação de E/S, 
incluindo percepção do estado de dispositivo, envio de um comando de 
leitura ou escrita e transferência dos dados. 
 
– Quando o processador emite um comando ao módulo de E/S, ele precisa 
esperar até que a operação de E/S termine. Se o processador for mais rápido 
que o módulo de E/S, isso desperdiça o tempo do processador. 
Entrada/Saída 
• E/S programada 
 
Emite comando 
de leitura ao 
módulo de E/S 
Lê registrador 
de estado do 
módulo E/S 
Verifica 
o estado 
Lê palavra do 
módulo de E/S 
Grava palavra 
na memória 
Terminou? 
CPU -> E/S 
E/S -> CPU 
Condição 
de erro 
E/S -> CPU 
CPU -> Memória 
Sim Próxima Instrução 
Não 
Não 
pronto 
Entrada/Saída 
• E/S controlada por interrupção 
 
– O processador emite um comando de E/S, continua a executar outras 
instruções e é interrompido pelo módulo de E/S quando o último tiver 
completado seu trabalho. 
Entrada/Saída 
• E/S controlada por interrupção 
 
Emite comando 
de leitura ao 
módulo de E/S 
Lê registrador 
de estado do 
módulo E/S 
Verifica 
o estado 
Lê palavra do 
módulo de E/S 
Grava palavra 
na memória 
Terminou? 
CPU -> E/S 
E/S -> CPU 
Condição 
de erro 
E/S -> CPU 
CPU -> Memória 
Sim Próxima Instrução 
Não 
Faz algo mais 
Interrupção 
Entrada/Saída 
• Acesso direto à memória 
 
– Com A E/S programada e por interrupção, o processador é responsável por 
obter dados da memória principal para saída, e por armazenar dados na 
memória principal para entrada. 
 
– A alternativa é conhecida como acesso direto à memória (DMA). Nesse 
modo, o módulo de E/S e a memória principal trocam dados diretamente, 
sem envolvimento do processador. 
Entrada/Saída 
• Acesso direto à memória 
 
– Quando o processador deseja ler ou escrever um bloco de dados, ele envia 
um comando ao módulo DMA com as seguintes informações: 
 
• Indicação de uma operação de leitura ou escrita usando a linha de controle de 
leitura ou escrita entre o processador e o módulo de DMA. 
• O endereço do dispositivo de E/S envolvido, comunicado nas linhas de dados. 
• O local inicial na memória para ler ou escrever, comunicado nas linhas de dados e 
armazenado pelo módulo de DMA em seu registrador de endereço. 
• O número de palavras a serem lidas ou gravadas, novamente comunicado por 
meio das linhas de dados e armazenado no registrador contador de dados. 
 
– O processador, então, continua com outro trabalho. O módulo DMA transfere 
o bloco de dados inteiro, uma palavra de cada vez, diretamente de ou para a 
memória, sem passar pelo processador. Quando finaliza, envia um sinal de 
interrupção para o processador. 
Entrada/Saída 
• Acesso direto à memória 
 
– DMA envolve um módulo adicional no barramento do sistema. O módulo de 
DMA é capaz de imitar o processador e, na realidade, assumir o controle do 
sistema do processador. Ele precisa fazer isso para transferir dados de e para 
a memória pelo barramento do sistema. 
 
– Para essa finalidade, o módulo de DMA precisa usar o barramento apenas 
quando o processador não precisa dele, ou então precisa forçar o 
processador a suspender a operação temporariamente. Essa última técnica é 
conhecida como roubo de ciclo (cycle stealing), pois o módulo de DMA 
efetivamente rouba um ciclo do barramento. 
Entrada/Saída 
• Acesso direto à memória 
 
Emite comando 
de leitura ao 
módulo de E/S 
CPU -> DMA 
Faz algo mais 
Lê registrador 
estado do 
Módulo DMA 
DMA -> CPU 
Interrupção 
Próxima Instrução 
Homework 
• Ler capítulo 7 do Stallings 
• Ler capítulo 2 (2.3 e 2.4) do Tanenbaum 
 
Referências 
• Tanenbaum, A. S.; Austin, T. Organização Estruturada de 
Computadores. 6ª Edição, Editora Pearson, 2013. 
 
• Stallings, W. Arquitetura e Organização de Computadores. 8ª 
Edição, Editora Pearson, 2010.