PDF de programación - Plataformas de Tiempo Real: Dispositivos y Drivers - Tema 1. Arquitectura de E/S

Plataformas de Tiempo Real:
Dispositivos y Drivers
Tema 1. Arquitectura de E/S
• Aspectos básicos de la arquitectura de Entrada/Salida (E/S)
• Dispositivos e interfaces
• Buses

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GRUPO DE COMPUTADORES Y TIEMPO REAL
FACULTAD DE CIENCIAS
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Arquitectura básica de un computador
Un computador es una máquina que:
• acepta información de entrada
• la procesa ejecutando paso a paso una secuencia de

instrucciones o programa

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• y produce una información de salida.
El computador está por tanto compuesto por un equipo
electrónico (hardware) y un conjunto de programas (software)
El computador puede realizar dos tipos de instrucciones:
• acciones
• decisiones

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Estructura de un Computador

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CPU

Unidad de
Control

Regs.

ALU

Unidad de
Entrada

Instrucciones
Datos

Datos

Programa

Memoria

Unidad de

Salida

Caché

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Rendimiento del computador
Las prestaciones de un computador no sólo dependen de la
velocidad del procesador, que en muchos de ellos es el
componente más rápido.
Los cuellos de botella están en:
• el intercambio de datos con la memoria:

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- se puede mejorar aumentando la anchura de los buses de datos, o
mediante los sistemas de memoria jerárquicos (cachés dentro y
fuera del procesador), o incluso mediante sistemas jerárquicos de
buses

• el intercambio de datos con los dispositivos de entrada/salida:
- puede llegar a ser importante en sistemas empotrados en los que
existe una fuerte interacción con el entorno y las operaciones de
entrada/salida son muy frecuentes

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• Aspectos básicos de la arquitectura de Entrada/Salida (E/S)
• Dispositivos e interfaces
• Buses

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Entrada y salida de datos
Los dispositivos de entrada/salida (E/S o I/O) forman junto con la
CPU y la memoria los elementos más importantes del computador
Uno de sus objetivos principales es la eficiencia en las
operaciones de entrada/salida, minimizando el trabajo a realizar
por la CPU
Las velocidades de los dispositivos de E/S son muy variadas:
• dispositivos lentos (p.e., ratón, teclado)
• dispositivos medios (p.e., impresora)
• dispositivos rápidos (p.e., red, disco)
Para acomodar las velocidades se usan circuitos de interfaz

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Velocidades de dispositivos de E/S

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Dispositivos típicos de computadores
personales y estaciones de trabajo

Gigabit Ethernet
Gráficos
Disco duro
Ethernet
Disco óptico
Escáner
Impresora láser
Disquete
Módem
Ratón
Teclado

Velocidad de transferencia (bps)

= 109
< 6*108
< 108
= 107
< 107
< 5*106
< 2*106
< 106
< 105
< 2*102
< 102

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Rendimiento y E/S
La generación actual de procesadores es capaz de manejar los
datos producidos por los dispositivos, pero el principal problema
está en la transferencia de datos entre el procesador y el periférico
Algunas soluciones están en:
• uso de cachés y almacenamientos intermedios
• buses de interconexión de mayor velocidad y con estructuras

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más elaboradas

• el uso de configuraciones multiprocesador puede ayudar

también a satisfacer altas demandas de E/S

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Arquitectura de la E/S

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Unidad de
Control

CPU

Regs.

ALU

Regs.

Circuito de
Interfaz de

E/S

Datos

Programa

Memoria

Dispositivo

de E/S

Líneas de control

Líneas de direcciones
Líneas de datos

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Arquitectura de la E/S (cont.)
Periférico:
• Dispositivo que permite al microprocesador su interacción con

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el entorno

Interfaz:
• Conjunto de módulos electrónicos que permiten el control de un

periférico adaptando las diferentes velocidades y modos de
funcionamiento del microprocesador y los periféricos

Bus:
• Normalmente se refiere al conjunto de señales con las que se

comunica el microprocesador con el entorno: memoria o
periféricos (a través de las interfaces)

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Arquitectura de la E/S (cont.)
Las principales razones de uso de una interfaz son:
• Existen una gran variedad de periféricos con normas de

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funcionamiento diferentes y resultaría imposible implementar
en el procesador tal diversidad de controladores

• Las diferencias de velocidad de los dispositivos hace que no
sea práctico comunicarse con ellos directamente a través del
bus del sistema

• En algunos casos incluso la velocidad del dispositivo es mayor

que la de la memoria o el procesador

• Los periféricos utilizan datos con formatos y tamaños de
palabra diferentes de los del microprocesador al que se
conectan

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Funciones de la interfaz de E/S
Control y temporización
• de la transferencia de datos entre el dispositivo y el procesador
• si el sistema utiliza un bus cada interacción de la interfaz de E/S
con el procesador puede requerir uno o más arbitrajes del bus

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Comunicación con el procesador
• decodificación de órdenes: la interfaz acepta órdenes del

procesador

• datos: intercambio de datos a través del bus
• información de estado: saber si el dispositivo está preparado

para transferir datos o no

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Funciones de la interfaz de E/S
(cont.)
Comunicación con los dispositivos
• intercambio de órdenes, información de estado y datos
Almacenamiento temporal de datos
• fundamental para equilibrar las diferencias de velocidad del

procesador y de los periféricos

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• Ej.: el procesador puede enviar datos a ráfagas de la memoria a
un dispositivo que los procesa (de su almacén temporal) a una
velocidad varios órdenes de magnitud inferior

Detección de errores
• defectos mecánicos o eléctricos en el funcionamiento del

dispositivo (atasco de papel, cambio de un bit, etc.)

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Conexión de las interfaces de E/S
Conexión mapeada en memoria
• el circuito de interfaz se conecta como si fuera memoria
• se accede a los registros leyendo o escribiendo una variable en

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una posición de memoria concreta

Conexión mediante puertos de entrada/salida
• el circuito de interfaz se conecta mediante líneas especiales
• se accede a los registros mediante instrucciones especiales (in,

out), especificando un número de puerto

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Tipos de E/S
Entrada/salida por consulta o programada
• la CPU accede a los registros desde programa
• para saber si el dispositivo está listo, se hace una consulta

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periódica

Entrada/salida por interrupciones
• el dispositivo avisa a la CPU cuando está listo
• la entrada/salida se hace mediante una rutina de servicio de

interrupción

Entrada/salida por acceso directo a memoria
• el dispositivo accede directamente a la memoria
• avisa a la CPU del inicio o final de la operación

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a) E/S por consulta
La operación de E/S es controlada por la CPU
Antes de realizar la operación se comprueba el (los) registro(s) de
estado, para ver si el dispositivo está listo
Ventajas: sencillez
Desventajas:
• ritmo de transferencia limitado por la velocidad de la CPU
• tiempo de respuesta elevado, mayor que el periodo de consulta
• sobrecarga de la CPU para operaciones de consulta que podrían

evitarse

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b) E/S por interrupciones
Permite al dispositivo marcar el instante en que se hace la
transferencia de datos
El mecanismo de interrupción está presente en casi todos los
computadores

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IRQ

IRQ

Mask

CPU

Unidad
de control

Regs.

Circuito de
Interfaz de

E/S

IACK

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Identificación de la fuente de
interrupción

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CPU

CPU

IRQ

Por consulta

E/S-1

E/S-2

E/S-3

IRQ0
IRQ1
IRQ2

Por múltiples líneas

E/S-1

E/S-2

E/S-3

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Gestión de interrupciones
Las interrupciones se pueden enmascarar
• se utiliza para evitar la interrupción cuando se accede a datos

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compartidos con ella

Para cada interrupción se puede instalar una rutina de servicio de
interrupción
• al llegar la interrupción, el procesador interrumpe el programa

en ejecución y enmascara esa interrupción

• después ejecuta la ruti