PDF de programación - El subsistema de E/S - Arquitectura de Computadores

Arquitectura de Computadores

Arquitectura de Computadores

Departament d’Informàtica de Sistemes i Computadors

E.P.S.Alcoi

Arquitectura de Computadores

Bloque Temático II: Arquitectura de

Computadores

Tema 3: Introducción a la arquitectura de

un computador

Tema 4: Procesadores segmentados
Tema 5: El subsistema de memoria
Tema 6: El subsistema de E/S
Tema 7: Computadores Superescalares
Tema 8: Multiprocesadores

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

El subsistema de Entrada/Salida

Gestión de la Entrada/Salida
Planificación de discos

Arquitectura de Computadores

Categorías de dispositivos de

entrada/salida

Dispositivos legibles por los humanos:

• Apropiados para la comunicación con el usuario.
• Impresoras.
• Terminales de vídeo:

# Pantalla.
# Teclado.
# Ratón.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Categorías de dispositivos de

entrada/salida

Dispositivos legibles por la máquina:

• Adecuados para comunicarse con equipos electrónicos.
• Discos y unidades de cinta.
• Sensores.
• Controladores.
• Impulsores.

Arquitectura de Computadores

Categorías de dispositivos de

entrada/salida

Dispositivos de comunicaciones:

• Apropiados para comunicarse con dispositivos lejanos.
• Adaptadores de líneas digitales.
• Módem.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Diferencias entre las clases de

dispositivos de E/S

Velocidad de los datos:

• Puede haber una diferencia de varios órdenes de magnitud

en las velocidades de transmisión de datos.

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Ethernet de gigabit

Pantalla gráfica

Disco duro

Ethernet

Disco óptico

Escáner

Impresora láser

Disco flexible

Módem

Ratón

Teclado

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Velocidad de datos (bps)

Figura 11.1. Velocidades de datos de dispositivos de E/S típicos.

Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Diferencias entre las clases de

dispositivos de E/S

Aplicaciones:

• Un disco que almacena archivos necesita el soporte de un

software de gestión de archivos.

• Un disco usado como almacén de páginas de un sistema
de memoria virtual necesita el soporte de un software y de
un hardware especial.

• Puede que un terminal usado por el administrador del

sistema tenga una prioridad mayor.

Arquitectura de Computadores

Diferencias entre las clases de

dispositivos de E/S

Complejidad del control.
Unidad de transferencia:

• Los datos pueden transmitirse como flujos de

bytes para un terminal o en bloques mayores para
un disco.

Representación de los datos:

• Esquemas de codificación.

Condiciones de error:

• Cada dispositivo responde a los errores de

diferente manera.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Técnicas para realizar la E/S

E/S programada:

• El proceso espera a que termine la operación.

E/S dirigida por interrupciones:

• Se emite una orden de E/S.
• El procesador continúa con la ejecución de las

instrucciones.

• El módulo de E/S lo interrumpe cuando completa su

trabajo.

Arquitectura de Computadores

Técnicas para realizar la E/S

Acceso directo a la memoria (DMA):

• Un módulo de DMA controla el intercambio de datos entre

la memoria principal y el dispositivo de E/S.

• El procesador se interrumpe sólo cuando se ha transferido

el bloque entero.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Evolución de las funciones de la E/S

El procesador controla directamente los dispositivos

periféricos.

Se añade un controlador o módulo de E/S:

• El procesador utiliza E/S programada sin interrupciones.
• El procesador se aisla de los detalles específicos de las

interfaces con dispositivos externos.

Arquitectura de Computadores

Evolución de las funciones de la E/S

Controlador o módulo de E/S con interrupciones:

• El procesador no tiene que desperdiciar tiempo esperando

a que se realice una operación de E/S.

Acceso directo a la memoria:

• Se puede mover un bloque de datos a la memoria sin que

intervenga el procesador.

• El procesador sólo interviene al principio y al final de la

transferencia.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Evolución de las funciones de la E/S

El módulo de E/S es un procesador separado.
Procesador de E/S:

• El módulo de E/S posee su propia memoria local.
• Es un computador independiente.

Arquitectura de Computadores

Acceso directo a la memoria

Toma el control del sistema desde la CPU para transferir datos

desde y hacia la memoria a través del bus del sistema.

Se utiliza el robo de ciclos para transferir datos a través del bus del

El ciclo de instrucción se suspende para dar paso a la transferencia

sistema.

de datos.

La CPU espera un ciclo del bus.
No existe interrupción alguna:

• No salva el contexto.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

DMA

Cuenta
de datos

Registros
de datos

Registros
de dirección

Lógica
de control

Líneas de datos

Líneas de direcciones

Solicitud de DMA
Reconocimiento de DMA
Interrupción
Lectura
Escritura

Arquitectura de Computadores

Figura 11.2. Diagrama de bloques de un DMA típico.

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DMA

El robo de ciclos hace que la CPU ejecute más

lentamente.

El número de ciclos de bus requeridos se puede acortar
mediante la integración de las funciones del DMA y de la
E/S.

Debe haber un camino entre el módulo de DMA y el
módulo de E/S que no pasen por el bus del sistema.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Tiempo

Ciclo de instrucción

Ciclo del
procesador

Ciclo del
procesador

Ciclo del
procesador

Ciclo del
procesador

Ciclo del
procesador

Ciclo del
procesador

Leer

instrucción

Descodificar
instrucción

Leer

operando

Ejecutar
instrucción

Almacenar
resultado

Interrupción
del proceso

Puntos de

ruptura por DMA

Puntos de ruptura
por interrupción

Figura 11.3. Puntos de ruptura por DMA y por interrupción en un ciclo de instrucción.

DMA

Procesador

DMA

E/S

E/S

Memoria

(a) DMA separada de bus sencillo

Figura 11.4. Configuraciones posibles de DMA.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

DMA

Procesador

DMA

E/S

DMA

Memoria

E/S

E/S

(b) DMA integrada de bus sencillo

Figura 11.4. Configuraciones posibles de DMA.

Arquitectura de Computadores

DMA

Bus del sistema

Procesador

DMA

Memoria

Bus de E/S

E/S

E/S

E/S

(c) Bus de E/S

Figura 11.4. Configuraciones posibles de DMA.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Aspectos de diseño en los sistemas

operativos

Eficiencia:

• La mayoría de los dispositivos de E/S son

extremadamente lentos en comparación con la
memoria principal.

• El uso de la multiprogramación permite que algunos
procesos esperen en operaciones de E/S mientras
otro proceso se está ejecutando.

• La E/S no puede seguir el paso de la actividad del

procesador.

• Se utiliza el intercambio para introducir más procesos

listos, que es una operación de E/S.

Arquitectura de Computadores

Aspectos de diseño en los sistemas

operativos

Generalidad:

• Es preferible gestionar todos los dispositivos de E/S de

una manera uniforme.

• Oculta la mayoría de los detalles de la E/S con dispositivos

en rutinas de bajo nivel, de forma que los procesos y los
niveles superiores contemplen a los dispositivos en
términos generales, como la lectura, escritura, apertura,
cierre, bloqueo y desbloqueo.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Procesos
de usuario

Procesos
de usuario

E/S lógica

Arquitectura de
comunicaciones

E/S con

dispositivos

Planificación

y control

E/S con

dispositivos

Planificación

y control

Procesos
de usuario

Gestión de
directorios

Sistema de

archivo

Organización

física

E/S con

dispositivos

Planificación

y control

Hardware

Hardware

Hardware

(a) Dispositivo periférico local

(b) Puerto de comunicaciones

(c) Sistema de archivos

Figura 11.5. Un modelo de organización de E/S.

Almacenamiento intermedio de la E/S

Razones para el almacenamiento intermedio:

• Los procesos deben esperar a que termine la operación de

E/S para continuar.

• Algunas páginas deben permanecer en la memoria

principal durante la E/S.

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Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida

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Arquitectura de Computadores

Almacenamiento intermedio de la E/S

Dispositivos orientados a bloque:

• La información se almacena en bloques de tamaño fijo.
• Las transferencias de un bloque se realizan cada vez.
• Se utilizan para los discos y las cintas.

Dispositivos orientados a flujo:

• Transfieren los datos como una serie de bytes.
• Se utilizan para los terminales, impresoras, puertos de

comunicación, ratones y otros dispositivos que no son de
almacenamiento secundario.

Arquitectura de Computadores

Memoria intermedia sencilla

El sistema operativo asigna a una solicitud de E/S un

espacio en la parte del sistema de la memoria principal.

Dispositivos orientados a bloque: