Como o computador se comunica com o mundo
Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O) são os periféricos que conectam o computador ao mundo externo: pessoas, outros equipamentos e redes.
A CPU e a memória sozinhas seriam inúteis: sem entrada não há o que processar, sem saída não há como ver o resultado. A E/S fecha o ciclo entrada → processamento → saída.
Levam dados para dentro.
Teclado, mouse, scanner, microfone, câmera, sensores, leitor biométrico.
Levam dados para fora.
Monitor, impressora, alto-falante, projetor.
Fazem os dois.
Tela sensível ao toque, placa de rede, HD/SSD, headset, pendrive.
A CPU não fala diretamente com o periférico. Entre eles há o controlador de E/S (placa/chip) que traduz comandos e adapta velocidades.
O controlador expõe registradores (de dados, de status e de controle). A CPU lê/escreve nesses registradores para comandar o dispositivo e saber se ele está pronto.
Os registradores do dispositivo ocupam endereços do mesmo espaço da memória. A CPU usa as mesmas instruções de load/store. (Usado por ARM, RISC-V.)
Há um espaço de endereços separado e instruções específicas (IN/OUT). (Usado pelo x86.)
| Técnica | Como funciona | Custo para a CPU |
|---|---|---|
| Programada (Polling) | A CPU fica perguntando repetidamente se o dispositivo está pronto. | Alto — desperdiça tempo em espera ativa |
| Por Interrupção | O dispositivo avisa a CPU quando está pronto; a CPU faz outra coisa enquanto isso. | Médio — só atende quando necessário |
| DMA (Acesso Direto à Memória) | Um controlador transfere dados direto entre o dispositivo e a memória, sem passar pela CPU. | Baixo — a CPU só inicia e é avisada no fim |
Interrupções permitem que o computador seja reativo: ele não precisa ficar checando o teclado o tempo todo — só age quando uma tecla é pressionada.
No DMA, um controlador dedicado move grandes blocos de dados diretamente entre o periférico e a memória, deixando a CPU livre para processar.
Essencial para transferências pesadas (HD/SSD, placa de rede, placa de som). Sem DMA, copiar um arquivo grande consumiria a CPU inteira.
| Interface | Uso típico |
|---|---|
| USB | Padrão universal: teclado, mouse, pendrive, impressora |
| PCI Express (PCIe) | Placas internas de alta velocidade: GPU, SSD NVMe |
| SATA | Discos rígidos e SSDs convencionais |
| HDMI / DisplayPort | Vídeo e áudio para monitores e TVs |
| Ethernet | Conexão de rede com fio |
| Bluetooth / Wi-Fi | Conexões sem fio |
Um driver é o programa que ensina o sistema operacional a conversar com um dispositivo específico.
Cada dispositivo tem suas particularidades. O driver esconde esses detalhes e oferece uma interface padronizada ao SO. É por isso que, ao conectar uma impressora nova, às vezes é preciso instalar o driver correspondente.
A velocidade dos periféricos varia enormemente: um teclado envia poucos bytes por segundo; uma GPU ou SSD movimenta gigabytes por segundo. Buffers e DMA ajudam a casar esses ritmos diferentes.
Interrupções não são todas iguais. Elas se classificam pela origem:
| Tipo | Origem | Exemplo |
|---|---|---|
| Interrupção de hardware | Dispositivo externo (assíncrona) | Tecla pressionada, pacote de rede |
| Exceção / trap | A própria instrução (síncrona) | Divisão por zero, page fault |
| Interrupção de software | Instrução proposital | Chamada de sistema (syscall) |
O controlador de DMA assume o barramento (torna-se bus master) para mover dados. Ele pode fazê-lo de duas formas:
O DMA transfere uma palavra por vez, "roubando" ciclos de barramento entre os acessos da CPU. A CPU mal percebe, mas a transferência é mais lenta.
O DMA toma o barramento e transfere um bloco inteiro de uma vez. Muito mais rápido, mas a CPU fica sem acesso ao barramento durante a rajada.
Problema de coerência: como o DMA escreve direto na RAM, a cache da CPU pode ficar com cópias desatualizadas. O hardware (snooping de cache) ou o SO precisa garantir a coerência entre o que está na memória e o que está na cache.
O PCIe é a principal interconexão interna moderna. Ele agrupa lanes (pares seriais full-duplex); um slot pode ter x1, x4, x8 ou x16 lanes, e a banda dobra a cada geração:
| Geração | Banda por lane (cada sentido) | x16 (aprox.) |
|---|---|---|
| PCIe 3.0 | ~1 GB/s | ~16 GB/s |
| PCIe 4.0 | ~2 GB/s | ~32 GB/s |
| PCIe 5.0 | ~4 GB/s | ~64 GB/s |
É por isso que uma GPU usa um slot x16 e um SSD NVMe (que fala PCIe direto, sem o intermediário SATA) é muito mais rápido que um SSD SATA limitado a ~0,6 GB/s.
Três métricas descrevem qualquer subsistema de E/S, e elas nem sempre andam juntas:
Tempo de resposta de uma operação individual (ms, µs). Crítica para bancos de dados e jogos.
Volume de dados por segundo (MB/s, GB/s). Crítica para vídeo e cópia de arquivos grandes.
Operações de E/S por segundo. Crítica para muitas leituras/escritas pequenas e aleatórias.
Há um enorme abismo de velocidade entre CPU (ns), RAM (dezenas de ns), SSD (µs) e HD/rede (ms). Buffers, DMA, filas de comandos e paralelismo existem justamente para esconder essas diferenças.
O RAID combina vários discos em um único volume lógico para ganhar velocidade, confiabilidade ou ambos:
| Nível | Técnica | Resultado |
|---|---|---|
| RAID 0 | Striping (divide dados entre discos) | Rápido, mas sem redundância |
| RAID 1 | Mirroring (espelha os dados) | Tolera falha de 1 disco; metade da capacidade |
| RAID 5 | Striping + paridade distribuída | Tolera 1 falha com bom uso de espaço |
| RAID 6 | Dupla paridade | Tolera 2 falhas simultâneas |
| RAID 10 | Espelhamento + striping | Desempenho e redundância (mais caro) |
RAID protege contra falha de hardware, não substitui backup: se um arquivo é apagado ou corrompido, ele é apagado/corrompido em todos os discos do conjunto.
| Periférico | Dispositivo de E/S conectado ao computador. |
| Controlador de E/S | Intermediário entre CPU e periférico. |
| Polling | CPU verifica repetidamente o estado do dispositivo. |
| Interrupção | Sinal que avisa a CPU de um evento. |
| DMA | Transferência direta dispositivo↔memória sem a CPU. |
| Driver | Software que controla um dispositivo. |
| IRQ / Vetor | Número da interrupção que indexa a rotina de tratamento (ISR). |
| Bus master | Dispositivo que assume o barramento (ex.: DMA) para transferir dados. |
| PCIe / lane | Interconexão serial; banda dobra a cada geração e por nº de lanes. |
| IOPS | Operações de E/S por segundo; mede E/S aleatória. |
| RAID | Conjunto de discos para desempenho e/ou redundância. |
1. Compare polling, interrupção e DMA quanto ao uso da CPU ao transferir dados.
2. Qual a banda aproximada de um enlace PCIe 4.0 x4?
3. Quanto tempo leva para transferir 2 GB a uma taxa de 500 MB/s?
4. Um RAID 5 usa 4 discos de 2 TB. Qual a capacidade útil e quantas falhas ele tolera?
Os dispositivos de E/S conectam o computador ao mundo. A CPU os acessa por controladores, usando polling, interrupções ou DMA, através de barramentos e portas como USB e PCIe — e os drivers fazem o software falar com cada hardware.