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Trabalho de AOC do curso Sistemas de Informação do CES/JF (Ligação da memória principal com o CPU e formas de transmissão de dados)
Tipologia: Trabalhos
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Bacharelado em Sistemas de Informação
Carlos Eduardo O. Velasco 1º Semestre / 2009
Bacharelado em Sistemas de Informação
Para começar o trabalho, vamos a algumas definições.
A memória principal tem como função básica armazenar dados e programas. É organizada em posições. Cada posição possui um tamanho em bits (palavra) e um endereço.
Seu funcionamento básico consiste na realização de 2 operações básicas. A escrita, a posição de REM recebe o conteúdo do RDM. E a Leitura, o conteúdo da posição de REM é copiado em RDM.
O processador é o componente vital do sistema de computação. Realiza todas as operações lógicas e aritméticas e controla todas as atividades da máquina. Para a execução de uma série de instruções (sejam de uma aplicação de usuário ou de utilitário ou do sistema operacional) que devem estar armazenadas em células sucessivas na memória principal, oprocessador realiza os seguintes passos :
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M = nº de bits contidos em uma célula; M em geral (mas não obrigatoriamente) é igual ao nº de bits do Registrador de Dados da Memória - RDM.
Barramento de endereços – unidirecional (só a UCP envia dados - write - ou lê dados - read - da MP) Barramento de dados - bidirecional Barramento de controle - bidirecional UCP ---> MP (controles ... - r/w) MP -----> UCP (wait ... )
Barramentos: de dados - bidirecional de endereços -unidirecional de controle - bidirecional
Registradores: REM - Registrador de Endereços de Memória (MAR - Memory Address Register) RDM - Registrador de Dados de Memória (MBR - Memory Buffer Register)
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Palavra é a unidade de informação do sistema UCP / MP.
A conceituação mais usada (IBM, Digital) define palavra como sendo a capacidade de manipulação de bits do núcleo do computador (UCP e MP). Pressupõe-se aqui que todos os elementos do núcleo do computador (o que inclue o tamanho da UAL, do acumulador e registradores gerais da UCP e o barramento de dados) tenham a mesma largura (processem simultaneamente o mesmo número de bits), o que nem sempre acontece. Muitas vezes encontram-se computadores em que o tamanho da UAL e do acumulador (e registradores gerais) não é o mesmo tamanho dos barramentos. Desta forma, encontram-se especificações de "computadores de 64 bits" mesmo quando seu barramento de dados é de 32 bits, nesse caso referindo-se exclusivamente à capacidade de manipulação da UCP de 64 bits (isto é, sua UAL e acumulador tem 64 bits). Esta conceituação é imprecisa (às vezes, enganosa) e pode levar a erros de avaliação da capacidade de processamento de um computador.
Como exemplos, citamos os microprocessadores Intel 8086 (16 bits, sendo todos seus elementos de 16 bits) e seu "irmão" mais novo 8088, usado nos primeiros IBM/PC e XT (idêntico sob quase todos os aspectos ao 8086 e também dito de 16 bits, sendo que UAL e registradores são de 16 bits mas o barramento de dados é de apenas 8 bits, por economia e razões de compatibilidade com toda uma geração de placas de 8 bits). Destaque-se que nesse caso as transferências de dados através do barramento de dados se fazem em duas etapas, um byte de cada vez, e em conseqüência no 8088 elas consomem o dobro dos ciclos de barramento que o 8086), o que torna suas operações de transferência de dados mais lentas que as de seu "irmão" 8086.
Concluindo, deve-se analisar caso a caso, porque a simples menção ao tamanho da palavra não é uma terminologia que permita definir de forma conclusiva sobre a arquitetura do computador.
Em geral, o termo "célula" é usada para definir a unidade de armazenamento (o tamanho de células de memória) e o termo "palavra" para definir a unidade de transferência e processamento, significando na prática quantos bits o computador movimenta e processa em cada operação.
Não confundir: célula não é sinônimo de palavra, embora em algumas máquinas a palavra seja igual à célula. A palavra de um computador pode ter 1 byte (p.ex, 8080), 2 bytes (p.ex. 80286), 4 bytes (p.ex. 486, o Pentium, e muitos mainframes IBM) e mesmo 8 bytes (p.ex. o Alpha da DEC).
Células de memória muitas vezes tem o tamanho de 1 ou 2 bytes - de 8 a 16 bits.
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b) ESCRITA: ESCREVER NA MEMÓRIA Significa escrever uma informação em uma célula da MP (armazenar uma informação). Esta operação de armazenamento da informação na MP consiste na transferência de um conjunto de bits da UCP para a MP e é destrutiva (isto significa que qualquer informação que estiver gravada naquela célula será sobregravada). SENTIDO: da UCP para a MP PASSOS EXECUTADOS PELO HARDWARE: b.1) a UCP armazena no REM o endereço de memória da informação a ser gravada e no RDM a própria informação; b.2) a UCP comanda uma operação de escrita; b.3) a informação armazenada no RDM é transferida para a posição de memória cujo endereço está contido no REM.
Quanto à leitura e escrita, as memórias podem ser classificadas como:
R/W - Read and Write (memória de leitura e escrita), comumente (e impropriamente) chamada de RAM (Random Access Memory ou memória de acesso aleatório), embora não seja a única RAM. Esta memória permite operações de escrita e leitura pelo usuário e pelos programas. Seu tempo de acesso é da ordem de 70ns e independe do endereço acessado. É construída com tecnologia de semicondutores (bipolar, CCD), pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM) e é volátil. A MP é construída com memória R/W.
ROM - Read Only Memory ou memória apenas de leitura Esta memória permite apenas a leitura e uma vez gravada não pode mais ser alterada. Também é de acesso aleatório (isto é, é também uma RAM), mas não é volátil. É utilizada geralmente por fabricantes para gravar programas que não se deseja permitir que o usuário possa alterar ou apagar acidentalmente (tal como por ex..a BIOS - Basic Input Output System e microprogramas de memórias de controle). Quando se liga uma máquina, é da ROM que vem os programas que são carregados e processados no "boot" (na inicialização o hardware aponta automaticamente para o primeiro endereço da ROM). Desta forma, parte do espaço de endereçamento da MP é ocupado por ROM. A ROM é mais lenta que a R/W e é barata, porém o processo produtivo depende de ser programada por máscara ("mask programmed") em fábrica e devido ao alto custo da máscara somente se torna econômica em grandes quantidades.
Obs.: Boot (ou bootstrap loader) é o processo de inicialização e carga dos programas básicos de um computador, automática, sem intervenção externa. Este termo vem de uma analogia com um processo (impossível) que seria uma pessoa se levantar puxando-se pelos cordões de suas próprias botas.
PROM - Programmable Read Only Memory ou memória apenas de leitura, programável. Esta memória é uma ROM programável (em condições e com máquinas adequadas, chamadas queimadores de PROM) e geralmente é comprada "virgem" (sem nada gravado), sendo muito
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utilizada no processo de testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas. Uma vez programada (em fábrica ou não), não pode mais ser alterada.
EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory ou memória apenas de leitura, programável (com queimadores de PROM) e apagável (com máquinas adequadas, à base de raios ultra-violeta). Esta memória é uma PROM apagável. Tem utilização semelhante à da PROM, para testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas, com a vantagem de poder ser apagada e reutilizada.
EEPROM (ou E2PROM) - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ou memória apenas de leitura, programável e eletronicamente alterável. Também chamada EAROM (Electrically Alterable ROM). Esta memória é uma EPROM apagável por processo eletrônico, sob controle da UCP, com equipamento e programas adequados. É mais cara e é geralmente utilizada em dispositivos aos quais se deseja permitir a alteração, via modem, possibilitando a carga de novas versões de programas à distância ou então para possibilitar a reprogramação dinâmica de funções específicas de um determinado programa, geralmente relativas ao hardware (p.ex., a reconfiguração de teclado ou de modem, programação de um terminal, etc).
O usuário se comunica com o núcleo do computador (composto por UCP e memória principal) através de dispositivos de entrada e saída (dispositivos de E/S ou I/O devices). Os tópicos a seguir vão analisar como funcionam os dispositivos de entrada e saída e como se faz a comunicação entre eles e o núcleo do computador.
Os dispositivos de entrada e saída tem como funções básicas:
As características que regem a comunicação de cada um dos dispositivos de E/S (entrada e saída) com o núcleo do computador (composto de UCP e memória principal) são muito diferentes entre si. Cada dispositivo de E/S se comunica com o núcleo de forma diversa do outro. Entre outras diferenças, os dispositivos de entrada e saída são muito mais lentos que o computador, característica essa que impõe restrições à comunicação, de vez que o computador precisaria esperar muito tempo pela resposta do dispositivo. Outra diferença fundamental diz respeito às características das ligações dos sinais dos dispositivos.
Os primeiros computadores, especialmente os de pequeno porte, eram muito lentos e os
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Canal de E/S Por exemplo, os computadores de grande porte da IBM chamam de "I/O channel". Na CDC, o nome é Peripheral Processor Unit ou PPU.
A compatibilização de velocidades é feita geralmente por programa, usando memórias temporárias na interface chamadas "buffers" que armazenam as informações conforme vão chegando da UCP e as libera para o dispositivo à medida que este as pode receber.
De uma forma geral, a comunicação entre o núcleo do computador e os dispositivos de E/S poderia ser classificada em dois grupos: comunicação paralela ou serial. Vamos a seguir analisar as características desses grupos.
COMUNICAÇÃO EM PARALELO Na comunicação em paralelo, grupos de bits são transferidos simultaneamente (em geral, byte a byte) através de diversas linhas condutoras dos sinais. Desta forma, como vários bits são transmitidos simultaneamente a cada ciclo, a taxa de transferência de dados ("throughput") é alta.
No entanto, o processo de transferência em paralelo envolve um controle sofisticado e é razoavelmente complexo, o que o torna mais caro. Um dos problemas importantes diz respeito à propagação dos sinais no meio físico, isto é, no cabo de conexão entre o dispositivo e a interface. Essa propagação deve se fazer de modo que os sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem simultaneamente à extremidade oposta do cabo, onde então serão re- agrupados em bytes. Como os condutores que compõem o cabo usualmente terão pequenas diferenças físicas, a velocidade de propagação dos sinais digitais nos condutores poderá ser ligeiramente diferente nos diversos fios. Dependendo do comprimento do cabo, pode ocorrer que um determinado fio conduza sinais mais rápido (ou mais lento) que os demais fios e que desta forma um determinado bit x em cada byte se propague mais rápido e chegue à extremidade do cabo antes que os outros n-1 bits do byte. Este fenômeno é chamado skew, e as conseqüências são catastróficas: os bits x chegariam fora de ordem (os bytes chegariam embaralhados) e a informação ficaria irrecuperável. Em decorrência desse problema, há limites para o comprimento do cabo que interliga um dispositico ao computador, quando se usa o modo paralelo.
As restrições citadas contribuem para que a utilização da comunicação em paralelo se limite a aplicações que demandem altas taxas de trasferência, normalmente associadas a dispositivos mais velozes tais como unidades de disco, ou que demandem altas taxas de transferência,
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como CD-ROM, DVD, ou mesmo impressoras, e que se situem muito próximo do núcleo do computador. Em geral, o comprimento dos cabos paralelos é limitado a até um máximo de 1, metro.
Na comunicação serial, os bits são transferidos um a um, através de um único par condutor. Os bytes a serem transmitidos são serializados, isto é, são "desmontados" bit a bit, e são individualmente transmitidos, um a um. Na outra extremidade do condutor, os bits são contados e quando formam 8 bits, são remontados, reconstituindo os bytes originais. Nesse modo, o controle é comparativamente muito mais simples que no modo paralelo e é de implementação mais barata. Como todos os bits são transferidos pelo mesmo meio físico (mesmo par de fios), as eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Portanto, a transmissão serial não é afetada por irregularidades do meio de transmissão e não há skew. No entanto, a transmissão serial é intrinsecamente mais lenta (de vez que apenas um bit é transmitido de cada vez).
Como os bits são transmitidos seqüencialmente um a um, sua utilização é normalmente indicada apenas para periféricos mais lentos, como por exemplo teclado, mouse, etc. ou quando o problema da distância for mandatório, como nas comunicações a distâncias médias (tal como em redes locais) ou longas (comunicações via linha telefônica usando modems).
Obs.: Comparativamente, a transmissão serial tem recebido aperfeiçoamentos importantes (seja de protocolo, de interface e de meio de transmissão) que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão por um único par de fios, cabo coaxial ou de fibra ótica. Como o aumento da velocidade de transmissão em interfaces paralelas ocasiona mais skew, a tendência tem sido no sentido do aperfeiçoamento das interfaces seriais que hoje permitem taxas de transferência muito altas com relativamente poucas restrições de distância. Em microcomputadores, a interface USB - Universal Serial Bus permite hoje ligar até 128 dispositivos a taxas muito altas (centenas de kbps).
Característica Paralelo Serial
Custo maior menor
Distância curta sem limite
Throughput alto baixo
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A taxa de eficiência de uma transmissão de dados é medida como a relação de número de bits úteis dividido pelo total de bits transmitidos. No método assíncrono, a eficiência é menor que a no método síncrono, uma vez que há necessidade de inserir os bits de partida e parada, de forma que a cada caractere são inseridos de 2 a 3 bits que não contém informação.
Uma comunicação é dita simplex quando permite comunicação apenas em um único sentido, tendo em uma extremidade um dispositivo apenas transmissor (transmitter) e do outro um dispositivo apenas receptor (receiver). Não há possibilidade do dispositivo receptor enviar dados ou mesmo sinalizar se os dados foram recebidos corretamente. Transmissões de rádio e televisão são exemplos de transmissão simplex.
Uma comunicação é dita half-duplex (também chamada semi-duplex) quando existem em ambas as extremidades dispositivos que podem transmitir e receber dados, porém não simultaneamente. Durante uma transmissão half-duplex, em determinado instante um dispositivo A será transmissor e o outro B será receptor, em outro instante os papéis podem se inverter. Por exemplo, o dispositivo A poderia transmitir dados que B receberia; em seguida, o sentido da trasmissão seria invertido e B transmitiria para A a informação se os dados foram corretamente recebidos ou se foram detectados erros de transmissão. A operação de troca de sentido de transmissão entre os dispositivos é chamada de turn-around e o tempo necessário para os dispositivos chavearem entre as funções de transmissor e receptor é chamado de turn- around time.
Uma transmissão é dita full-duplex (também chamada apenas duplex) quando dados podem ser transmitidos e recebidos simultaneamente em ambos os sentidos. Poderíamos entender uma linha full-duplex como funcionalmente equivalente a duas linhas simplex, uma em cada direção. Como as transmissões podem ser simultaneas em ambos os sentidos e não existe perda de tempo com turn-around, uma linha full-duplex pode transmitir mais informações por unidade de tempo (maior throughput) que uma linha half-duplex, considerando-se a mesma taxa de transmissão de dados.
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