# Entrada e saída

Polling, interrupções e DMA, armazenamento secundário e desempenho com E/S significativa.

Página: https://resumos.rgo.pt/cadeiras/ac/entrada-saida/

Um computador sem periféricos é uma calculadora isolada: o trabalho útil entra por dispositivos de entrada, sai por dispositivos de saída e espera em armazenamento secundário. A arquitetura da entrada e saída decide quanto do processador se gasta a mover dados em vez de os transformar. Há três formas de gerir essa conversa, por ordem crescente de autonomia do hardware.

## Polling: perguntar sem parar

No **polling** (_programmed I/O_, varrimento), o processador interroga o dispositivo em ciclo: “tens dados? tens dados?”. Quando o dispositivo responde que sim, o processador transfere o dado com instruções normais de leitura e escrita.

É o mecanismo mais simples e não precisa de hardware extra, mas desperdiça o processador: enquanto o disco procura o setor ou o teclado espera pelo dedo, o CPU queima ciclos a perguntar. Serve para dispositivos rápidos e previsíveis, ou quando não há mais nada para fazer entretanto. Como estratégia geral, é péssima: ata o recurso mais caro do sistema ao ritmo do mais lento.

## Interrupções: ser chamado

Com **interrupções**, o dispositivo avisa o processador quando precisa de atenção: o CPU trabalha noutra coisa até chegar o sinal. Nesse momento, o hardware guarda o PC e os registos essenciais, salta para a **rotina de atendimento** (_interrupt handler_), que transfere os dados e resolve o pedido, e depois retoma o programa interrompido exatamente onde parou.

O custo passa a ser por evento em vez de por espera: cada interrupção paga a troca de contexto e a rotina, mas entre eventos o processador é livre. O problema aparece com dispositivos muito ativos: milhares de interrupções por segundo afogam o CPU em trocas de contexto (_interrupt livelock_ no extremo). As interrupções resolvem a espera, não o volume.

## DMA: delegar a transferência

O **DMA** (_direct memory access_) entrega a transferência a um controlador dedicado: o processador programa o controlador (origem, destino, tamanho) e segue a sua vida; o controlador move o bloco inteiro entre o dispositivo e a memória sem passar pelo CPU; no fim, uma única interrupção anuncia que está pronto.

Compara o custo de mover 1 MiB: por polling ou interrupções, o processador toca em cada palavra; por DMA, toca em meia dúzia de registos de configuração mais uma interrupção. Para blocos grandes, a diferença é de ordens de grandeza em ciclos de CPU libertados. É por isso que discos, placas de rede e GPUs usam DMA: o processador manda, o controlador transporta, a interrupção confirma.

| Mecanismo | Quem transfere | Custo no CPU | Quando usar |
| --- | --- | --- | --- |
| Polling | o processador | um ciclo de espera por pergunta | dispositivos simples, sem mais trabalho |
| Interrupções | o processador | uma rotina por evento | eventos esporádicos |
| DMA | o controlador | configuração + 1 interrupção | blocos grandes e frequentes |

A escolha depende do tamanho do que há para mover:

Ler 4 KiB de um sensor com polling custa milhares de ciclos de espera, mas programar o DMA e atender a interrupção final custaria quase o mesmo. Para transferências pequenas e raras, a simplicidade do polling ganha.

Mover 100 MiB por polling ou por interrupção por palavra amarra o processador à transferência inteira. Com DMA, o CPU programa o controlador uma vez e processa o bloco anterior enquanto o próximo viaja: é aqui que a delegação paga ordens de grandeza.

## Armazenamento secundário

A hierarquia não acaba na RAM. O **HDD** (disco magnético) guarda bits em pratos a rodar: cada acesso paga procura da cabeça (_seek_) mais espera pela rotação mais a transferência. Milissegundos, uma eternidade face aos nanossegundos da RAM. O **SSD** (flash) não tem partes móveis: paga só eletrónica e é dezenas a centenas de vezes mais rápido no acesso aleatório, embora cada célula se desgaste com escritas e o controlador faça gestão de desgaste e recolha de lixo por baixo.

Para o desempenho, a lição é uma só: o nível onde os dados vivem domina o tempo. Um programa que lê do disco em cada iteração é limitado pelo disco por mais cache e pipeline que tenha, tal como a [lei de Amdahl](https://resumos.rgo.pt/cadeiras/ac/entrada-saida/desempenho/) prevê para qualquer fração não acelerada.

## Estimar desempenho com E/S

A estimação com E/S significativa soma o tempo de computação ao tempo de transferência. Um exemplo: processar um ficheiro de 100 MiB com um SSD que transfere a 500 MiB/s e um núcleo que processa a 200 MiB/s. A leitura demora $100/500 = 0{,}2$ s, o processamento $100/200 = 0{,}5$ s. Em sequência, $0{,}7$ s; com DMA e sobreposição (o controlador traz o próximo bloco enquanto o CPU processa o atual), o total aproxima-se do máximo das parcelas, $0{,}5$ s. O DMA não é só poupança de ciclos: permite esconder a latência da E/S atrás da computação.

```python
leitura = 100 / 500
proc = 100 / 200
print(leitura, proc)
print(leitura + proc)
print(max(leitura, proc))
```

O programa imprime `0.2 0.5`, o total sequencial `0.7` e o total sobreposto `0.5`.

![Duas linhas do tempo: sem sobreposição o bloco viaja no DMA e só depois é processado no CPU; com sobreposição o bloco seguinte viaja enquanto o atual é processado.](https://resumos.rgo.pt/cadeiras/ac/entrada-saida/figura-1.svg)

Ver o raciocínio da sobreposição

Desenha duas linhas do tempo, uma para o DMA e outra para o CPU, divididas em blocos. Sem sobreposição, cada bloco ocupa primeiro a linha do DMA e depois a do CPU. Com sobreposição (_double buffering_), o bloco N+1 viaja no DMA enquanto o bloco N é processado no CPU: o tempo total tende para o maior dos dois ritmos, e a E/S “desaparece” da fatura desde que o processamento mande.