PDF de programación - Periféricos Interfaces y Buses - I. Arquitectura de E/S Aspectos básicos de la arquitectura de Entrada/Salida (E/S)

Periféricos Interfaces y Buses

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DE CANTABRIA

I. Arquitectura de E/S

Aspectos básicos de la arquitectura de Entrada/Salida (E/S).
Conceptos de dispositivo periférico, interfaz y bus. Clasificaciones
y perspectiva histórica.
II. Programación de E/S
III. Interfaces de E/S de datos
IV. Dispositivos de E/S de datos
V. Buses
VI. Controladores e interfaces de dispositivos de almacenamiento
VII. Sistemas de almacenamiento

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Arquitectura básica de un computador

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Un computador es una máquina que:
• acepta información de entrada
• la procesa ejecutando paso a paso una secuencia de

instrucciones o programa

• 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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Clasificación de los computadores por
su capacidad

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Categoría

Supercomputador

“Mainframe”

Servidor

Workstation

PC

Microcontrolador

Aplicación

Cálculo numérico
Grandes bases de

datos

Comunicaciones y

bases de datos

Coste

> 1 M euros
0.1-1M euros

5-100 K euro

Diseño, ingeniería

5-30 K euros
Oficinas, uso doméstico 500-5000 eur
Sistemas empotrados

> 1 euro

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Clasificación de los computadores por
su capacidad (cont.)

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- Supercomputador. Aplicaciones científicas de cálculo numérico muy

complejas. (IBM Deep Blue, IBM Blue Gene, Fujitsu VPP5000).

- “Mainframe”. Computador de propósito general grande, principalmente
para aplicaciones de grandes bases de datos. (Sun Fire 15K, IBM Z900).
- Servidor. Computador de propósito general a mitad de camino entre un

mainframe y una estación de trabajo. Da servicio a una red de
computadores más pequeños. (IBM RS6000, Sun Fire V100).

- Estación de Trabajo (“Workstation”). Computador de propósito general,

de bajo costo, generalmente con capacidad multiproceso. (IBM
Intellistation E, Sun Blade 2000)

- Computador Personal. Computador con un microprocesador como CPU,
normalmente configurado para un aplicación específica. (IBM-PC, Apple
Machintosh).

- Microcontrolador. Computador de propósito especial basado en un
conjunto integrado de microprocesador, memoria y dispositivos de
entrada/salida, y que forma parte de un sistema mayor, tal como una
máquina, instrumento, electrodoméstico, etc.

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Rendimiento del computador

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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:

- 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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La Memoria

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Almacena dos tipos fundamentales de información:
• datos

- numéricos
-

texto

• programas

En un computador suele haber varios tipos de memoria:
• registros de la CPU
• memoria de caché
• memoria principal
• memoria secundaria o masiva (parte de los dispositivos de

entrada/salida)

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Entrada y salida de datos

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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

Velocidad de transferencia (bps)

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

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

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Rendimiento y E/S

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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

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.)

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Periférico:
• Dispositivo que permite al microprocesador su interacción con

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.)

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Las principales razones de uso de una interfaz son:
• Existen una gran variedad de periféricos con normas de

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

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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

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.)

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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

• 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

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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

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

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Entrada/salida por consulta o programada
• la CPU accede a los registros desd