Aula 3 – Dispositivos de Entrada e Saída - Site SIEP-PE - IFPE

Aula 3 – Dispositivos de Entrada e Saída
Anderson L. S. Moreira
anderson.moreira@recife.ifpe.edu.br
http://dase.ifpe.edu.br/~alsm
Anderson Moreira Arquitetura de Computadores 1

O que fazer com essa apresentação
Anderson Moreira Arquitetura de Computadores 2

Agenda
• Conceitos básicos;
• Esquema de E/S;
• Periféricos;
• Barramento tradicional;
• Barramento local;
• Bridges;
• Chipset;
• Interrupções.
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Creative Commons BY-SA 3.0 license
Latest update: 28 de Fev de 2011,
Document sources, updates:
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Anderson Moreira Arquitetura de Computadores

Conceitos Básicos
• Termos de interesse:
– Periférico → qualquer dispositivo conectado a um
computador que permita a comunicação ou interação do
computador com o mundo externo. (Entrada, Saída e
Entrada/Saída).
– Interface → componente de hardware localizado entre o
processador e um ou mais periféricos, função coordenação
de transferência de dados.
• Recebimento dos dados e comandos enviados pelo
processador ao periférico;
• Envio ao processador do estado (status) do dispositivo;
• Manipulação e transformação dos dados e sinais de
uma forma que seja compatível com o periférico;
• Geração de sinais de controle e temporização durante a
transferência de dados e estado.
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Conceitos Básicos
– Controlador → Componente de hardware de uma interface
que realiza todo o controle necessário para a transferência
de dados;
– Driver → Conjunto de rotinas encarregadas da
comunicação do processador com a controladora e/ou
interface do periférico;
– Porta de E/S → Corresponde a um endereço no sistema de
E/S do processador. Assim como o processador tem uma
determinada capacidade de endereçamento de memória,
ele também tem uma certa gama de endereços destinados
a portas de E/S;
– Barramento → Conjunto de fios que transportam sinais de
dados, endereço e controle
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Esquema de Entrada e Saída
processador
controlador
portas
Drivers de dispositivos
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periférico

Periféricos
• Periféricos existem em grande número;
• Entram e saem de moda de acordo com a evolução
tecnológica:
– ISA, PCI, USB, PCI-X
• Tipos de transferência de dados:
– Por controle direto do processador;
– Por acesso direto a memória (DMA).
• Podem co-existir no computador sem um anular o outro tipo.
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Exemplos de E/S
Teclado:
• Conjunto de chaves elétricas cada uma acionada por uma tecla. A
cada chave dessas corresponde um código binário que é enviado
para a placa-mãe e esta sabe como tratar esse código de acordo
com o modelo do teclado ou com o software que está em uso.
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Exemplos de E/S
Como funciona o teclado:
• Tecla é acionada ela gera um scan code (geração de um código
numérico associado a tecla);
• Quando a tecla é liberada gera um novo código.
• Obs.: Teclado não reconhece caractere ou símbolo associado (tabela
ASCII não interessa!!)
• Modos:
– 1 – encontrado no teclado de 83 teclas, acionamento e liberação
gera o mesmo código;
– 2 – encontrado no teclado de 84 teclas, acionamento gera um
código de varredura em um byte. A liberação gera o mesmo
código porém precedido de F0H;
– 3 – introduzido no teclado de 101 teclas, possui os mesmos
código do modo 2 porém tem a velocidade aprimorada.
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Exemplos de E/S
Mouse:
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Exemplos de E/S
Sistema de vídeo:
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Exemplos de E/S
• O chamado subsistema de vídeo do computador constitui-se
de uma das partes mais complexas;
• Requer um processador específico para os gráficos a serem
exibidos, esses gráficos processados são armazenados na
chamada memória de vídeo que recentemente passou a ser
uma parte da RAM nas configurações mais populares;
• Acontece devido a novas tecnologias de barramento (também
a serem vistas mais adiante). Finalmente a imagem
processada e armazenada em memória específica é exibida
em um monitor de vídeo, que por sua vez pode ser baseado
na tecnologia de raios catódicos (CRT) ou de cristal líquido
(LCD).
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Exemplos de E/S
• Objetivo geral do monitor é criar através da emissão de luz uma
imagem que seja réplica do que o olho humano veria se estivesse
observando diretamente;
• O olho humano é sensível a uma pequena faixa de espectro
eletromagnético, com uma frequencia central da ordem de 5x10E14
Hz
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Exemplos de E/S
• Formação de imagem na tela:
– Um monitor apresenta resolução de 3x4 ou 0,75. Esta é a relação
definida por normas de transmissões de televisões;
– Um filme de cinema tem proporção de 2x3 ou 0,67;
– Um sistema HD tem relação de 3x5 ou 0,60;
– De acordo com a estética grega a relação para beleza superior é
a solução da equação x+1=1/x. Uma proposição de solução é
(sqrt(5)-1)/2 ~ 0,618;
– Isso é o que deve ser levado em consideração ao tratar de
composição de imagem.
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Formação de imagem
• Em um monitor CRT:
– Controle da emissão de feixe de elétrons que varre a tela
estimulando um material fosforescente depositado sobre a
mesma;
– Esse material emite luz. Cada ponto emissor de luz é chamado
de pixel;
– O feixe de elétrons varre a tela da esquerda para direita e do
topo para baixo numa velocidade de aproximadamente 50 a 70
telas por minuto;
– No final de cada linha o feixe é apagado e volta para inicar uma
nova varredura
• Em um monitor LCD:
– Depende da tecnologia;
– Feixe de luz é emitido e sofre uma torção para formar as
imagens.
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Exercícios
1. Pesquise o que significa interrupção de teclado e como essa
funciona.
2. A BIOS tem uma função muito importante no tratamento do teclado.
Que papel é esse? Explique o funcionamento sucintamente.
3. Um sistema de cor em um determinado sistema pode ser
representado de diversas formas. Explique os padrões de vídeo RGB,
CMYK, HSB e HSL.
4. Explique os seguintes padrões de tecnologias de monitores:
1. LCD – PMLCD
2. LCD – TNLCD
3. ACPDP – AC plasma display panel
4. LED
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Outros exemplos
• Scanner
– Esse aparelho é composto por uma fonte de luz que é emitida
sobre o papel, ou objeto a ser “escaneado” e um sensor que
capta os reflexos dessa imagem.
– Esse sensor ajuda a montar a imagem na memória do
computador na forma de um arquivo gráfico ou simplesmente
um padrão de barras a ser convertido em um número.
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Outros exemplos
• Impressora
– É o dispositivo responsável por levar ao papel tudo que se
produz em termos de textos e imagens dentro de uma UCP.
– Existem diversas tecnologias de impressoras, dentre elas tem-se:
as de impacto, as jato de tintas, as de cera e as a laser.
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Outros exemplos
• Dispositivos de Armazenamento
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Periféricos – Acesso Direto à Memória
• Controlador faz o trabalho de transferência de blocos de dados entre
periféricos e memória;
• Processador não abandona suas tarefas;
– Apenas inicializa o controlador e dispara as atividades de
transferências
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Periféricos
ATENÇÃO!!
• Periférico é como um equipamento eletrônico conectado por um
cabo ou barramento de E/S a CPU e que é usado para transferir
informação de/ou para este.
• De acordo com esta definição, a memória não é
considerada um periférico pois está ligada ao
barramento de sistema e não a um barramento de
E/S.
• Mas afinal o que é barramento de sistema e de E/S???
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Barramentos (bus)
• Elementos de hardware que permitem a interconexão entre
componentes;
• Podem ser seriais ou paralelos:
– Internamente nos computadores são paralelos.
• Cada sistema possui uma série de barramentos:
– Internos ao microprocessador (interliga registradores, FPU,
caches internas);
– Barramentos locais (localizados na placa-mãe no
microprocessador e a memória);
– Barramentos de expansão (colocadas placas controladoras
e interfaces);
– Barramento para periféricos (onde as unidades periféricas
estão ligadas)
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Barramentos (conceitos)
• Um barramento ou bus consiste, na sua forma mais simples,
num número de linhas elétricas através das quais sinais, e
desta forma também dados, são transferidos;
• Um PC tem 3 barramentos:
• de dados,
• de endereços ,
• de controle.
• Estes barramentos permitem que a CPU comunique com a
memória e os periféricos.
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Barramentos (conceitos)
• O barramento entre a CPU e a memória é chamado de barramento
do sistema ou system bus.
• O barramento entre a CPU e os outros componentes (os periféricos)
é chamado de barramento de entrada-saída ou I/O bus.
• Este barramento tem uma velocidade de transferência de dados
inferior ao barramento do sistema.
• Alguns tipos de barramentos de entrada-saída são:
- ISA (Industry Standard Architecture) paralelo de 8 e 16 bits
- EISA (Extended Industry Standard Architecture) paralelo de 32 bits
- PCI (Peripheral component interconnect) paralelo de 32 ou 64 bits
- VME (Versa Module Eurocard) paralelo de 32 bits.
- AGP (Accelerated Graphics Port) para o adaptador gráfico. Paralelo de 32 bits.
- USB (Universal serial bus) série.
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Barramento Tradicional (1)
• Utilizam controle único para todo o barramento;
• As transferências eram divididas somente em dois tipos
básicos:
– De memória;
– De E/S.
• De memória é rápido, operando geralmente na mesma
velocidade da memória;
• De E/S conecta diversos periféricos distintos, podendo ser
lentos ou rápidos. Aumento na taxa de transferência não irá
beneficiá-los.
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Barramento Tradicional (2)
E/S Interna
(built-in)
Barramento do
processador (rápido)
Barramento de E/S
(lento)
Barramento de
memória (rápido)
CPU
Controlador
de barramento
Memória
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Cache externa
Barramento de E/S
(lento)
E/S Externa
(conectores)

Bridges
• Por causa da enorme “salada de frutas” de padrões a normalização de
barramentos para PC é um problema;
• O atual PC possui vários barramento operando em diversas
frequencias;
• Solução para gerencia dos barramentos foram as pontes (bridges);
• Circuito projetado para transportar dados entre barramentos
diferentes.
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Bridges
• Os barramentos de entrada-saída podem ser vistos como
uma extensão do barramento do sistema;
• Na placa-mãe o barramento de sistema termina em
controladores que fazem uma ponte com os barramentos de
E/S.
• Normalmente estes controladores são agrupados em chips
chamados chipset.
• Uma arquitetura comum consiste em dois chips chamados
north e south bridge.
• Ao barramento de entrada saída podem ser conectados
adaptadores de periféricos.
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Barramento
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Barramento Tradicional (3)
• Utilizados de 80 até meados dos anos 90;
• Válido para barramentos ISA, EISA, MCA;
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Barramento Tradicional (4)
• Com o surgimento das interfaces gráficas exigiu mais do sistema de
E/S;
• Alguns recursos usavam o barramento do processador;
• Barramento Local foi introduzido;
• Exemplos: AGP, PCI, VLB...
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Barramento Local (1)
E/S Interna
(built-in)
Barramento do
processador (rápido)
Barramento de E/S
(lento)
Barramento de
memória (rápido)
CPU
Controlador
de barramento
Memória
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Barramento local
E/S (rápido)
Cache externa
Barramento de E/S
(lento)
E/S Externa
(conectores,
video, disco)
E/S Externa
(conectores)

Barramento Local (2)
• O barramento Vesa Local Bus (VLB) tinha como
objetivo básico permitir um acesso direto ao
barramento do processador para transferências
rápidas para dispositivos de vídeo;
• Barramento PCI, criado pela Intel quando lançou o
pentium;
– Dois controladores distintos, um rápido PCI e
outro lento ISA.
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Esquema barramento P5
Cache nível 2
Controladoras IDE
Memória CMOS e RTC
Controlador de disquete
Controlador de teclado
Memória ROM-BIOS
CPU Pentium
Cache nível 1
Controlador
de barramento
(Ponte norte)
Controlador
de barramento
(Ponte sul)
Super I/O
(87307)
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Processador
66 a 266 MHz
Barramento de memória
16 MHz
Barramento PCI
25 a 33 MHz
Barramento ISA
8 MHz
Barramento do processador
50 a 66 MHz
Conectores PCI
Vídeo PCI
Conectores ISA
Portas seriais (COM)
Paralelas (LPT)
Mouse

Barramento Local (3)
• Barramento AGP (Accelered Graphics Port) criou três tipos de
barramento de entrada e saída operando a taxas distintas:
– ISA 8MHz;
– PCI 33 MHz;
– AGP 66 MHz.
• Resumo:
– Barramento de 8 bits (IBM PC original);
– Industry Standard Architecture (ISA) 8 ou 16 bits;
– Micro Channel Architecture (MCA);
– Extended ISA (EISA);
– Vesa Local Bus (VLB) 32 ou 64 bits;
– Peripheral Component Interconnect (PCI) 32 ou 64 bits;
– PCMCIA (portáteis).
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Comparativo
Nome Data Barramento
(bits)
Freqüênci
a (MHz)
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Endereça
mento
Taxa
Transferência
PC bus 1981 8 4,77 1 MB 2,38 MB/s
ISA 1984 16 8,33 16 MB 16 MB/s
Micro Channel
(MCA)
1987 32 10 16 MB 32 MB/s
EISA 1988 32 8,33 4 GB 33 MB/s
VL Bus 1992 32/64 50 4 GB 80 a 133 MB/s
PCI 1992 32/64 33 4 GB 50 a 264 MB/s
PC card 1990 16 8 64 MB 20 MB/s
CardBus 1994 32 33 4 GB 60 MB/s
AGP 1996 32/64 66 4 GB ~534 MB/s

Outros Barramentos (1)
• USB
– Não é exatamente um barramento de expansão, mas sim uma
serial;
– Taxa de 1,5 a 12 MB/s.
Fonte: us.fujitsu.com/micro/usb
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Outros Barramentos (2)
• IrDA
– (Infrared Developers Association), é a versão sem fios da serial RS
232 inclusive com as mesmas taxas de transferências:
• 576 KB/s a 4 MB/s
Fonte: http://tscherwitschke.de
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Outros Barramentos (3)
• Macintosh
– Também conhecido como NuBus, aparecem em duas versões a 87
e a 90;
– Barramento local é conhecido como PDS (Processor Direct Slot);
– Presente em todos os Mac menos o Power Book;
– Em 95 começou a utilizar IDE e PCI, mas apenas com um único
disco.
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Exercícios
• Procure informações relacionadas aos seguintes barramentos:
– PCI-X
– SATA
– Firewire
– Fibre Channel blades
– InfiniBand
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Chipsets
• Circuito integrado a placa-mãe responsável em controlar as
transações de dados entre os diversos barramentos;
• Uma placa-mãe pode ter algumas características do chipset ou não;
• Maiores variações de chipsets ocorrem em barramentos do
processador e da PCI;
• Exemplos:
– http://www.intel.com/products/desktop/chipsets/index.htm
– http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_chipsets
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Exercícios
• Determine um comparativo entre os principais chipsets da AMD e da
Intel;
• Explique os chipsets encontrados na sua máquina e as
características;
• Procure em bibliografia especializada os comandos de E/S que um
módulo de E/S pode receber quando é endereçado por um
processador.
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Chipsets
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Periféricos – Controle direto do processador
• Processador interagi diretamente com o dispositivo a cada
transferência de um byte ou palavra;
• Podem ser:
– Polling → também conhecido como teste de estado.
Processador pergunta para cada dispositivo se está apto
para receber ou transmitir uma unidade de informação.
– Interrupção → O processador é interrompido quando o
periférico estiver apto a transmitir ou receber dados.
• Processador controla a transferência byte a byte (palavra a
palavra) usando os registradores internos e suas portas de
E/S.
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Periféricos – Controle direto do processador
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Periféricos – Controle direto do processador
• Exemplo:
– Assembly :
CMP R0, #0x09
MOVEQ R0, #0x20
CMP R0, #0x0D
MOVEQ R0, #0x20
CMP R0, #0x0a
MOVEQ R0, #0x20
CMP R0, #0x20
MOVEQ R0, #0x5B
BEQ load
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Interrupções
• No atual contexto da arquitetura de computadores e
projetistas de software o nome interrupções podem
ter o contexto de software (exceptions, traps);
• Para periféricos o termo interrupção é usado ao pé
da letra;
• Podem ser:
– Por hardware
– Por software
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Interrupções de hardware (1)
• Também conhecidas como interrupções externas ao
processador ou por interrupções de periféricos;
• Características:
– Sinal de hardware externo e enviado ao processador. Indica que
um evento independente do programa sendo executado ocorreu
e precisa da atenção do processador. Esse sinal é conhecido
como requisição de interrupção ou pedido de interrupção;
– Pedido de interrupção é assíncrono, e não depende da execução
do programa que está usando processador. Ocorrência foge do
controle do programa sendo executado;
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Interrupção de hardware (2)
– Hardware de controle de interrupção, se habilitado, permite ao
processador completar a execução da instrução corrente e então
força o processador a desviar para uma rotina que atende a
interrupção (manipulador de interrupção ou tratador de
interrupção – interrupt handler);
– No final da rotina de tratamento de interrupção (ISR), um retorno
especial, é executado. Garante que o programa interrompido
continue de onde parou.
• Atenção! O evento de acionamento da interrupção é
assíncrono mas não imprevisível (existem rotinas especiais
para tratá-lo)
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Fluxo de tratamento
Hardware
Dispositivo de controle ou
outro sistema de hardware
que permita ativar uma interrupção
Processador termina a execução da
instrução corrente
Processador reconhece sinal de
interrupção
Processador coloca PSW e PC na pilha
de controle
Processador carrega novo valor do PC,
baseado na interrupção
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Software
(Rotina de serviço)
Salva informações remanescentes
sobre o estado do processo
Processa a interrupção
Restaura a informação do estado do
processo
Restaura o velho PSW e PC

Interrupções de Software (traps) (1)
• No sentido convencional: “Interrupção é caracterizada como a
ocorrência de um sinal de hardware gerado externamente ao
processador e enviado ao mesmo. O mecanismo de
interrupção é a forma empregada pelo processador para
detectar e tratar esse sinal.” (Weber, 2008)
• Quando esses sinais são síncronos e condicionados a
execução de determinada programação, dizemos que são
traps;
• Interrupção de software é a execução de uma instrução que
provoca a ativação do mecanismo de tratamento da
interrupção.
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Interrupções de Software (traps) (2)
• Exemplo:
– Comando kill do Linux que
envia um sinal a um
processo.
– Ou a tabela de vetores de
interrupções
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Identifier Description
0 Divide error
1 Debug exception
2 Non-maskable interrupt
3 Breakpoint
4 Overflow
5 Bounds check
6 Invalid opcode
7 Coprocessor not available
8 Double fault
9 (reserved)
10 Invalid TSS
11 Segment not present
12 Stack exception
13 General protection fault
14 Page fault
15 (reserved)
16 Coprocessor error
17 alignment error (80486)
18-31 (reserved)
32-255 External (HW) interrupts

Interrupções do processador (Exceptions)
• Condicionadas a execução de uma exceção, em que habilita o
processo de ativação do mecanismo de tratamento de interrupções;
• Síncronas ao programa sendo executado;
• Exemplo:
– Overflow na execução de uma operação matemática;
– Tratamento de erros por falhas de hardware.
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Prioridades (1)
• Deve ter um critério de escolha no momento que
tem vários pedidos de interrupções do processador;
• Solução: Assinalar a cada evento uma determinada
prioridade (qual dispositivo está usando, quanto
tempo, etc...);
• No IBM PC as prioridades tem valores fixos para
pedidos de interrupção de hardware:
– Ex.: Interrupções de teclado e mouse tem
prioridades sobre controladores de disco.
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Prioridades (2) – IBM PC e XT
Linha de Pedido Vetor (decimal) Vetor
(hexadecimal)
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Utilização
IRQ0 8 08 timer
IRQ1 9 09 teclado
IRQ2 10 0A livre
IRQ3 11 0B COM2
IRQ4 12 0C COM1
IRQ5 13 0D livre
IRQ6 14 0E Controladora
disquete
IRQ7 15 0F LPT1

Prioridades (3) – IBM AT
Linha de Pedido Vetor (decimal) Vetor (hexadecimal) Utilização
IRQ0 8 08 timer
IRQ1 9 09 teclado
IRQ2 10 0A Acesso a PIC
IRQ8 112 70 Atualização da hora
na BIOS
IRQ9 113 71 Vídeo na PS/2 ou rede
IRQ10 114 72 Controladora deCD
IRQ11 115 73 Controladora SCSI
IRQ12 116 74 Mouse na PS/2
IRQ13 117 75 co-processador
IRQ14 118 76 Controlador de HD
IRQ15 119 77 Uso geral
IRQ3 11 0B COM2 e COM4
IRQ4 12 0C COM1 E COM 3
IRQ5 13 0D Placa de som
IRQ6 14 0E Controladora de
disquete
IRQ7 15 0F LTP1
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Mascaramento de Interrupções
• Existem situações em que o processador não atende as
requisições;
• Para ignorá-los o processador cria um mascaramento das
interrupções;
• Pode ser feito através de flags:
– Modifica a chamada do sinal para enganar o dispositivo.
• Ou com o uso de instruções críticas.
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Revisão
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Bibliografia
• Arquitetura de Computadores Pessoais, Raul Weber, 2ª edição;
• Arquitetura de Computadores, Andrew S. Tannembaum, 8ª edição;
• Fundamentos de Arquitetura de Computadores, Saib e Weber, 4ª
edição;
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Dúvidas
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