PDF de programación - Fundamentos de computadores - Entrada/Salida

FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

ENTRADA/SALIDA





FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

ENTRADA/SALIDA

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Índice

Presentación

Introducción

El controlador I

El controlador II

Técnicas aplicadas en operaciones de E/S

Mapa de memoria

E/S controlada por programa

E/S controlada por interrupciones

Funcionamiento de la E/S por interrupción

DMA: acceso directo a memoria I

DMA: acceso directo a memoria II

El controlador de DMA

Procesadores de E/S I

Procesadores de E/S II

Resumen

FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

ENTRADA/SALIDA

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Presentación

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ENTRADA/SALIDA

En este tema veremos el último, aunque no por ello el menos importante, componente en que Von

Neumann dividió su computador. Nada más y nada menos que la permitirá la comunicación

hombre-máquina o máquina-máquina. Este componente es el controlador de entrada/salida.

Para ello, estudiaremos:

La definición de controlador, para qué sirve y cuáles son sus funciones.

Técnicas aplicadas en operaciones de E/S. Cuáles son las técnicas con las que un

programa puede comunicarse con un periférico. Recordemos que aunque el proceso de

comunicación es procesador-periférico, en realidad es programa-periférico pues el

procesador simplemente ejecuta programas, siendo el programa el que

tiene

las

necesidades de comunicación, no el procesador.

Mapa de memoria común frente a independiente. Se refiere a cómo se ven los periféricos,

cuál es la dirección para comunicarse con ellos.

Ejemplo de controlador 1: E/S controlada por programa.

Ejemplo de controlador 2: E/S controlada por interrupciones.

Ejemplo de controlador 3: Acceso directo a memoria (DMA).

Ejemplo de controlador 4: Procesadores de E/S .

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Introducción

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ENTRADA/SALIDA

A grandes rasgos, entrada/salida es todo componente que Von Neumann no ha descrito en su

estructura básica de un computador. Es decir, cualquier componente que no sea memoria,

unidad de control o buses, es de entrada/salida (a partir de ahora E/S). Por tanto, la E/S es un

componente que permite intercambiar información entre la computadora y el mundo exterior.

Como curiosidad, cabe destacar que los

periféricos aumentan muy poco su

velocidad con respecto al aumento anual

que sufren los microprocesadores y los

computadores

en

general.

Esta

diferencia de velocidades, en la mayor

cantidad de los casos, se debe a que los

dispositivos de E/S

suelen

tener

componentes móviles, o elementos físicos, que no permiten aumentar el movimiento de datos tan

rápido como sería deseable.

Debido a esta diferencia de velocidades y tecnologías, con los dispositivos de E/S se pretende

que los tiempos de espera por parte del microprocesador sean los menores posibles, lo que se

consigue solapando, lo más posible, los tiempos de trabajo de la E/S y la unidad de control.

La mayor parte de los dispositivos de E/S, son vistos por el microprocesador como una memoria,

una memoria especial que sirve como intercambio de información entre el periférico y el

procesador. Como los periféricos manejan información muy lentamente, es frecuente que la

unidad de E/S disponga de una memoria auxiliar donde guardar la información del periférico.

Por ejemplo, si comparamos el tiempo que tarda una impresora en escribir un carácter con el

tiempo que el procesador determina el carácter a enviar, comprobaremos que la impresora tarda

mucho en escribirlo. Por tanto, parece coherente que la impresora tenga una memoria intermedia

en la que pueda almacenar una palabra, línea o incluso página, para que el procesador no este

enviando carácter a carácter.

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El controlador I

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Debido a la gran cantidad y variedad de periféricos existentes hoy en día, cada uno con un

funcionamiento diferente, surge la necesidad de colocar un dispositivo hardware entre el

computador y los periféricos. Este componente se conoce como controlador y su función

principal es descargar al procesador de la tarea de controlar el trasvase de información entre el

periférico y la memoria.

Al

igual que con cualquier otro componente del computador,

la comunicación entre

microprocesador y periféricos se realiza a través de los buses.

Para que un programa pueda comunicarse con ellos, los controladores deben realizar funciones

de control y sincronización de la transferencia de datos desde el procesador y la memoria

principal a los periféricos, de establecimiento del camino de comunicación entre los recursos

internos y los periféricos, de detección y gestión de errores y de almacenamiento temporal de

datos.

Tal como puedes comprobar en la siguiente imagen, un computador no tiene por qué tener un

único controlador genérico, sino que puede tener varios controladores para periféricos de

diferentes familias.

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El controlador II

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Para realizar estas funciones, el controlador dispone internamente de una serie de recursos entre

los que podemos destacar los siguientes.

Lógica de control

Se encarga de activar y controlar las funciones que lleva
a cabo ese controlador.

Registro de estado

Almacena información sobre cómo se ha realizado el
trasvase de información y sobre los posibles fallos en
caso de haberse producido alguno.

Registro de datos

Almacena la información que se maneja en cada
transferencia elemental.

Interfaz al periférico

Soporta el intercambio de datos con el transductor del
periférico, así como la generación y detección de
señales de control y estado.

Fijémonos en que esta estructura es muy parecida al de la interfaz que permitía unir dos buses

diferentes, ya que esa función es parte del cometido de un controlador de E/S: ajustar

velocidades de reloj, sincronizar señales, ajustar tensiones de funcionamiento, detectar errores,

priorizar el uso, etc.

El controlador de un módulo de E/S permite que el procesador vea a una amplia gama de

dispositivos de forma simplificada. Ante el gran espectro de posibilidades que se pueden dar

según los diferentes dispositivos, el módulo debe ocultar los detalles de temporización, formatos y

electrónica de los dispositivos externos, para que el procesador los maneje todos, de manera

similar, independientemente del tipo y protocolos que usen internamente.

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En función de la bibliografía utilizada, podemos encontrar que a los controladores de E/S se los

denomina como canales de E/S o procesadores de E/S. En cualquier caso, no importa como se

denomine al dispositivo encargado de hacer de puente entre los buses del sistema y los

periféricos, pero por norma general, controlador es el más extendido, dejando el término de canal

a los microcomputadores y procesador a los canales que usan los supercomputadores para las

comunicaciones internas.

Recursos internos de un controlador

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Técnicas aplicadas en operaciones de E/S

Recordemos que la E/S es lenta. Por ese motivo, una técnica muy extendida es la de solapar las

operaciones de entrada/salida con otras actividades, de manera que la unidad de control se

puede liberar de ciertas tareas de poca importancia.

En función del grado de implicación que tenga la unidad de control con las operaciones de E/S,

según delegue más trabajo en el controlador o menos, existen cuatro técnicas fundamentales

para realizar las operaciones de E/S.

E/S controladas por
programa

La unidad de control controla íntegramente la operación

de E/S, impidiendo cualquier tipo de solapamiento en el

trabajo de ambos componentes.

Ejemplo: un módem conectado a un puerto serie.

E/S controladas por
interrupción

Parte del proceso de E/S corre a cargo del controlador

pudiendo trabajar en paralelo al procesador durante

dicho periodo. Este método permite que la UCP, una vez

que ha indicado la operación al controlador, continúe

con su actividad normal y solo dedique tiempos de

atención cada vez que el periférico lo requiera.

Ejemplo: el teclado o el ratón.

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Acceso directo a memoria
(DMA)

Procesador de E/S
especializado

La mayor parte de la operación de E/S la soporta el

controlador, existiendo una simultaneidad alta. Los

controladores tienen cierto grado de inteligencia para

controlar íntegramente la transferencia de información

entre periféricos y memoria principal.

Ejemplo: un disco duro externo.

Todo el proceso de E/S corre a cargo del controlador,

que alcanza tal grado de complejidad que actúa como

otro procesador dedicado. El paralelismo entre el

procesador y la operación de E/S es total.

Ejemplo: una tarjeta de red o una tarjeta gráfica.

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Mapa de memoria

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Los controladores de