Perifericos e interfaces

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29/5/2017
V – O projeto de sistemas de entrada e saída
Introdução
Os sistemas de entrada e saída permitem a comunicação da CPU com grande variedade de dispositivos. Tratam
uma grande variedade de formatos de dados, e compatibilizam velocidades de operação diferentes. Tem a
função de transferir dados entre a CPU e dispositivos periféricos. Os periféricos são componentes externos ao
sistema CPU+Memória Principal. Os periféricos são dispositivos transdutores de energia, isto é, convertem uma
forma de energia em outra forma. Exemplo: Um microfone converte sons em sinais elétricos. Um alto-falante
converte sinais elétricos em sinais sonoros.
Sistemas de E/S controlam diferentes tipos de dispositivos (teclado, mouse, impressora,...), que operam com
diferentes formas de dados (sons, imagens, etc.) e que operam com velocidades diferentes. A tabela 1 apresenta
a taxa de transmissão (velocidades de operação) de alguns dispositivos.
Dispositivo
Teclado
Mouse
Impressora Matricial
MODEM
Disquete
Impressora laser
Scanner
CD-ROM
LAN
Vídeo gráfic
Disco Rígido
Modo de operação
PIO modo 0
PIO modo 1
PIO modo 2
PIO modo 3
PIO modo 4
UDMA 33
UDMA 66
Taxa de Transmissão (Kbps)
0,01
0,02
1
1-8
100
200
400
1000
500 – 6000
60000
Tabela
1Comparação
das
velocidades
de
transmissão de dados
de dispositivos de
E/S.
Taxa de transferência (MB/s)
3,3
5,2
8,3
11,1
16,6
33,3
66,6
Diferentes modos de funcionamento, velocidades e formatos de dados necessitam de interfaces entre a CPU e
periféricos. Uma interface ajusta a operação da CPU (operando com freqüência de clock em torno de GHz) aos
diferentes dispositivos de E/S (de baixas velocidades quando comparadas à CPU).
Sistema básico de E/S – Visão Geral das interfaces de Entrada e Saída.
Uma interface de entrada e saída ajusta as características operacionais da CPU+Memória principal para se
comunicar com dispositivos periféricos. A figura 1 apresenta o modelo em estudo.
CPU
+
MEMÓRIA PRINCIPAL
INTERFACE
PERIFÉRICO
Barramentos
Figura V.1-Comunicação do conjunto CPU + MP com o sistema de E/S (interface + periférico). Os sinais do
barramento conduzem dados, controle, status, sinais de sincronismo, etc.
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A CPU interpreta a interface como um dispositivo acessado por um endereço individualizado, denominado de
porta (port) de entrada e saída. Na arquitetura Intel, uma porta é um endereço de 16 bits que pode ser
referenciado para transmitir/receber dados (8bits de cada vez). Uma porta pode receber ou enviar dado
diretamente de/para os registradores da CPU.
Características das portas operando com as interfaces de entrada e saída.
As portas são endereços fixos para o sistema de E/S;
 Recebe/envia dados de 8 bits
 Recebe informações de status
 Envia sinais de controle
 A comunicação de uma interface com a CPU utiliza mais de uma porta (em média 4 portas).
Exemplo. A conexão da impressora paralela (Line PrinTer – LPT)
A porta paralela é acessada através de um conector de 25 pinos localizado na parte posterior do gabinete. É a
conexão para a impressora paralela ou outro dispositivo compatível. A interface para conexão da impressora usa
três portas para operação da impressora: 0378h, 0379h e 037Ah (Em hexadecimal - H). O “port” 0378H é
conhecido como endereço base. Neste endereço é enviado o código binário (ASCII) para ser impresso. Os
“ports” 0379H e 037AH são usados para enviar sinais de controle e receber sinais de status do dispositivo de
impressão.
O modo de operação e as conexões elétricas do conector de 25 pinos são padronizados. É chamado de SPP
(Standard Paralel Port): Porta Paralela Padrão. A figura 5 mostra o conector DB25 para a saída LPT (LINE
PRINTER – impressora de linha) conforme o padrão SPP.
(1)Strobe D0
<(25) O
D1
D3
D3
D4 D5
GROUND
O
O
O
D6
D7 Busy Ack OE Prt on line (13)
>
O
O
O
O
Init
Sel/Des.Prt
Prt
Prt Error
A. feed (14)
Figura V.2 – Conector DB25 e sinais correspondentes nos 25 pinos numerados em cima de 1 até 13, da
esquerda para a direita. Em baixo, são numerados de 14 a 25, da direita para a esquerda.
Tabela 1- Pinagem da saída paralela.
Pino
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18-25
Função
Strobe
Dado 0
Dado1
Dado2
Dado3
Dado4
Dado5
Dado6
Dado7
Ack
Busy
OE (Output Enabel)
Printer on line
Auto feed
Printer Error
Init printer
Sel/desel. Printer
Ground
Direção
Saida
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Saída TTL
Entrada
Entrada
Entrada
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Saída
Saída
Tipo
Controle
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Status
Status
Status
Status
Controle
Status
Controle
Controle
Port 379
Port 378
Port 378
Port 378
Port 378
Port 378
Port 378
Port 378
Port 378
Port 37A
Port 37A
Port 37A
Port 37A
Port 379
Port 37A
Port 379
Port 379
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Aplicação. Comunicação com o port 0378H
A comunicação pelo debug (ou pelo assembly) para enviar dados pelo endereço 0378H. O exemplo mostra o
envio do binário 01010101b).
mov dl,01010101b ; dl contém o binário a ser enviado
mov dx, 0378H
;dx contém o endereço de port
out dx,al
;saída de dados
Resumo: Os “ports” formam a base tecnológica para acesso físico e controle lógico dos periféricos. Os dados
são transferidos de um registrador de/para os ports. Dados enviados/recebidos para/de ports, permitem o
controle dos periféricos. As CPU´s Intel possuem 64K ports (dois elevados a 16).
V.2 - Limites (gargalos) de comunicação com os dispositivos periféricos.
A comunicação dependente da taxa de transferência (vazão; throughput) dos dispositivos. A vazão é definida
pelo produto das grandezas freqüência do clock (em Hertz) e tamanho do barramento (em bits).
A freqüência do clock é expressa em Hertz (Hz), KHz, MHz,..
A capacidade do barramento (tamanho do barramento; largura do barramento) é expressa em Bytes ou em bits.
O produto freqüência do clock pelo tamanho do barramento é a taxa de transferência do dispositivo em bps,
Kbps, Mbps,... Bps, KBps, MBps,..
Função das interfaces:
Uma função da interface é a de ajustar a alta taxa de transferência da CPU com as menores taxas de
transferência dos demais dispositivos.
 Buffer (armazenamento temporário de dados)
 Controlar/sincronizar fluxo de dados
 Realizar a comunicação/interpretação dos sinais de controle para acesso físico aos periféricos.
Arquitetura básica para uma interface
CPU
Registradores
Periférico1
Controlador de ports
Port0
Port 1.
....
Periférico 2...
Linha de barramento: Dados/Endereços/Controle
Figura 2 – Arquitetura de uma interface que se comunica com a CPU através de ports. Uma interface pode se
comunicar com vários periféricos.
Sistema lógico de E/S – drivers de dispositivos.
Após o projeto e desenvolvimento do hardware de E/S é necessário disponibilizar programas para
operacionalizar o acesso e uso de periféricos. Esses programas são chamados de drivers (rotinas encarregadas da
comunicação do processador com a interface) de dispositivos. Esses programas são feitos pelos projetistas do
equipamento e tem funções tais como:
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Permitir comunicação da CPU com dispositivos externos;
Ajustar as diferentes velocidades dos dispositivos;
Ajusta o formato dos dados.
Metodologias de Comunicação com dispositivos periféricos.
E/S programada-O programa gerencia a comunicação e transferência de dados entre
dispositivo/CPU. O exemplo a seguir apresenta processo de escrita de dados em um dispositivo por
programação.
E/S por interrupção. - Um sinal de controle que se comunica diretamente com a CPU, informa quando o
dispositivo está pronto para iniciar a transmissão de dados. A CPU fica liberada para processar outras ações.
DMA (Direct Memory Acess) - Um dispositivo (Controlador de DMA) é programado através de ports, para
transferir dados entre dispositivos sem controle da CPU.
Hardware básico para sistema com módulos de entrada e saída.
Status:
Ready/Busy,...
CONTROLE
Liga/desliga
motor;posiciona leitor,...
Dados
PORT
P
O
R
T
PORTS
Buffer
Lógica de controle
Transdutor
Dados trocados com o ambiente:
Placa de som; teclado; ...
Figura V.4 – Modelo Geral para interfaceamento com dispositivos externos
O conjunto interface + periférico permite a transferência de dados entre a CPU e periféricos ou entre a MP e
periféricos (via DMA). A interface de hardware pode ser denominada de Controlador.
Controlador: Componente do sistema que realiza as operações de controle de dispositivo na transferência de
dados com dispositivo. Um controlador de disco é complexo. Envolve operações para ligar a unidade,
posicionar cabeça gravadora, ler/gravar dados através de processos magnéticos, etc. Um controlador de LPT é
relativamente simples.
Os termos controlador ou adaptador ou interface de entrada e saída têm sido usado sem distinção
nas interfaces de entrada e saída.
COMPLEMENTOS.
Saída paralela – Transmissão byte a byte através da porta paralela de acordo com os seguintes padrões:



Dispositivo padrão SPP (Standard Paralell Port) unidirecional com taxa de transferência de 150 Kbps;
EPP (Enhanced Paralell Port) – bi-direcional até 2MBps
ECP (Extended Capability Port) – A taxa de transferência depende de acordo com protocolo
estabelecido entre dispositivos.
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Saída USB – Universal Serial Bus. Interface para dispositivos realmente P&P. Permite a conexão de até 127
dispositivos.
PCMCIA – Usada em notebooks e handhelds. Tem a vantagem de menor tamanho de dispositivos PCMCIA
(Modem, som, redes, SRAM, Flash Hds). Apresenta quatro tipos de conexão:
Tipo 1 – usado para cartões de memória
Tipo 2 – para qualquer periféricos
Tipo 3 – para HDs
Tipo 4 – Patenteado pela Toshiba.
FIREWIRE – (IEEE 1394) – Conexão para 400 MB/s. É um padrão aberto desenvolvido pela SONY. Permite
conexão a quente (sem desligar o computador).
Configuração normal para a tabela de interrupção de computadores pessoais
IR Aplicação
Q
8
RTC (Real Time Clock – Relógio do Sistema)
0
Reservado para a placa mãe
9
Placa de Vídeo . Não usada em alguns sistemas.
1
Teclado
10
Controlador SCSI (pode ser desabilitada se não houver
dispositivo SCSI)
2
Reservado para a placa mãe
11
Disponível
3
Serial 1 (COM2 e COM4)
12
Conecxão USB
4
Serial 2 (COM1 e COM3)
13
Co-processador aritmético
5
Placa de som
14
Controlador IDE primário
6
Disquetes
15
Controlador IDE secundário
7
LTP1
Nota tecnológica – A configuração normal pode ser alterada pelo SO. Se houver necessidade de IRQ (por algum
novo dispositivo instalado elo usuário) é necessário racionalizar o uso de IRQs desabilitando aqueles não
usadas, atuando no SETUP. Alguns dispositivos também podem compartilhar IRQs.
Canais DMA (Direct Acess Memory).
0
1
2
3
4
Disponível Placa de Disquete Porta paralela padrão Placa mãe
Som
ECP
5
Disponível
6
Disponível
7
Disponível