PDF de programación - Tema 8: Periféricos

Estructura de Computadores 2 [08/09]

Periféricos

1. Introducción
2. Dispositivos de almacenamiento
3. Hardware gráfico

27 de mayo de 2009

Bibliografía

• Computer Architecture: A Quantitative Approach (3rd or 4th ed.), John L. Hennessy y

David A. Patterson. Morgan Kaufmann Publishers, Inc.

• Organización y arquitectura de computadores (7th ed.), William Stallings. Prentice Hall.
• Organización de Computadores, C. Hamacher, Z. Vranesic y S. Zaky. Mc Graw Hill, 2003.
• Computer Organization and Design: The hardware/software interface (3rd ed.), David A.

Patterson and John L. Hennessy. Morgan Kaufmann Publishers, Inc.

• Real Time Rendering (3rd ed.), Tomas Akenine-Möller, Eric Haines y Naty Hoffman. A.K.

Peters Ltd.

GAC: Grupo de Arquitectura de Computadores. Dpt. Electrónica e Sistemas. Universidade da Coruña.

Introducción

• Taxonomía de dispositivos de E/S:

− por comportamiento

◦ entrada
◦ salida
◦ almacenamiento
− por «interlocutor»

◦ persona
◦ máquina

− por tasa de transferencia de datos

◦ pico en la transferencia de datos generable entre dispositivo y procesador-memoria

• Ejemplos de dispositivos de E/S y velocidades:

Dispositivo
teclado
ratón
salida de voz
floppy disk
impresora láser
disco magnético
red inalámbrica
tarjeta gráfica
red área local

Comportamiento Interlocutor Transferencia (KB/s)

entrada
entrada
salida

salida

almacenamiento

almacenamiento
entrada/salida

salida

entrada/salida

humano
humano
humano
máquina
humano
máquina
máquina
humano
máquina

0,01
0,02
5,00
50,00
100,00
10 000,00
10 000,00
30 000,00
125 000,00

• Ejemplos dispositivo entrada-salida: redes

− Medio más habitual para la comunicación entre ordenadores.
− Características clave:

◦ distancia
◦ velocidad
◦ topología
◦ compartición de canal

− Ejemplos:

◦ Conexión de terminales vía puerto serie: línea dedicada a muy bajo coste. Lento.
◦ LAN. En esencia un bus sin control centralizado. Ej:

Ethernet - 10 M bit/s
Fast-Ethernet - 100 M bit/s
Giga-Ethernet - 1 Gbit/s
10-Giga-Ethernet - 10 Gbit/s

◦ Redes de largo alcance: ARPANET ⇒ INTERNET

Clave: estandarización de la pila de protocolos TCP/IP

IP: Direccionamiento entre elementos de la red
TCP: Control de paquetes

◦ Redes inalámbricas (Wireless Network): WIFI (IEEE 802,11)

Memoria secundaria (mass storage devices)

• Tradicionalmente dispositivos de almacenamiento magnético. Todavía hoy los discos

magnéticos son la base de la memoria secundaria de un ordenador.

• Inicialmente: tarjetas perforadas (punched cards).
• Actualmente: dispositivos magnéticos (discos y cintas magnéticas), ópticos (CD, DVD,

HD DVD y Blu-ray Disc), magneto-ópticos (MiniDisc) y memorias flash.

• Principal diferencia con memoria principal: no volátiles.g
• Otras diferencias:

− más lentos, al ser en muchos casos dispositivos mecánicos (excepción hoy en día de

las memorias flash)

− menor coste por megabyte → gran capacidad a bajo coste

DISCOS MAGNÉTICOS

• Un disco magnético es un plato circular construido con metal o plástico cubierto por un
material magnetizable. Los datos se graban en él y se recuperan mediante una bobina
(cabeza o cabezal), que permanece quieta mientras el plato rota (con velocidad angular
constante) bajo ella.

• Clásicamente hay dos tipos de discos magnéticos:

− Disquettes (floppy disks): plato flexible
− Discos duros (hard disks): plato metálico rígido
◦ posibilidad de mayor tamaño, al ser rígido
◦ posibilidad de mayor densidad de almacenamiento, al poder ser controlado de
◦ posibilidad de girar a mayor velocidad → mayor tasa de transferencia de datos
◦ posibilidad de incorporar más platos

forma más precisa

Discos magnéticos

• Un sistema de disco consta de tres partes: el disco (el conjunto de discos o platos), el
mecanismo de disco (mecanismo electromecánico que hace girar el disco y mueve las ca-
bezas) y el controlador de disco (circuitería electrónica que controla el funcionamiento
del sistema).

• Los discos constan de una serie de platos (habitualmente entre 1 y 5, de entre 100 y 3,500)
con dos superficies grabables cada uno, que giran a una velocidad de entre 5400 y 15000
rpm. Cada superficie magnética se divide en círculos concéntricos o pistas (entre 10K y
50K pistas por superficie). Las pistas se dividen en sectores (100 - 500 sectores por pista),
donde se almacena la información (un valor típico suele ser de 512 byte por sector). Un
sector es la mínima cantidad de información manejable (leer o escribir) del disco.

• Cada pista es del mismo ancho que la cabeza, y pistas adyacentes están separadas por

bandas vacías, para evitar interferencias.

• Cada sector contiene, además de los datos que almacena, información de control útil para
el controlador del disco. Los sectores contiguos en una pista se separan mediante huecos
o separadores (gaps) en la superficie magnética. La estructura concreta de un sector de-
pende del fabricante, pero normalmente incluye:
− Datos
− Código de corrección de errores (ECC)
− Huecos

− Identificación del sector
− Información de estado
− Campos de sincronización

• Tradicionalmente todas las pistas tenían el mismo número de sectores y almacenaban el

mismo número de bits, con el objetivo de simplificar la electrónica
→ Menor densidad de grabación en pistas exteriores

• La sucesiva introducción de complejidad en las controladoras de disco permitió tanto el
uso de sectores de longitud variable como de técnicas de grabación de densidad de
bit constante.

Discos magnéticos

• Normalmente las cabezas de las diferentes superficies están conectadas entre sí, con lo
que se mueven de forma conjunta, situándose sobre la misma pista en cada superficie
magnética: cilindro (cylinder)

• Algunas características de los sistemas de discos:

− Transportabilidad del disco

− Desplazamiento de cabezas

◦ Cabeza fija (una por pista)
◦ Cabeza móvil (una por superficie)

− Mecanismo de la cabeza
◦ Contacto (disquette)
◦ Separación fija
◦ Separación aerodinámica (Winchester)

◦ Disco fijo
◦ Disco extraíble

− Platos

− Superficies

◦ Plato único
◦ Múltiples platos

◦ Superficie única
◦ Superficie doble

Discos magnéticos

• A nivel de sistema de ficheros del SO, el acceso a bloques del tamaño de un sector es

muchas veces impracticable (20 GB / 512 Bytes/sector > 40 millones de sectores)

• Sectores contiguos se agrupan en clusters. Un cluster es la menor unidad de disco que

puede ser asignada a un fichero (típicamente 1 - 128 sectores/cluster)
Ventajas de utilizar un tamaño de cluster grande: se optimizan recursos.
Inconvenientes: Aumento de espacio desperdiciado.

• En la actualidad los discos duros suelen incorporar memorias caché para aumentar su

rendimiento.

• Proceso de acceso a los datos. 2 fases:

1. Acceso al bloque → tiempo de acceso. 2 pasos:

a) Búsqueda o Posicionado (seek). Seleccionar la pista correcta a la que acceder:
colocación de la cabeza sobre la pista en sistemas con cabeza móvil, selección
electrónica de una cabeza en sistema con cabezas fijas
→ tiempo de búsqueda (seek time) (se proporcionan valores mínimo, máximo
y medio)

b) Espera (wait). Esperar a que la rotación en la pista coloque el sector deseado

bajo la cabeza
→ latencia o retardo rotacional (rotational latency/delay)
Latencia media: la mitad de la revolución del disco
0,5 rotación

Latavg =

velocidad de rotación del disco (rpm)
Latavg = 0,5 rotación

7200 rpm/60 = 4,2 ms

Ejemplo:

2. Transferencia (transfer). Transferencia de un bloque de bits (típicamente un sec-
tor). → tiempo de transferencia (transfer time): es función del tamaño de sector,
la velocidad de rotación y la densidad de grabación de la pista. Puede expresarse
como:

Tt = b
rN

• Adicionalmente:

Tt = tiempo de transferencia
b = número de bytes a transferir
N = número de bytes en la pista
r = velocidad de rotación (rps)

3. Control del disco y de la transferencia → tiempo del controlador
4. Tiempos de espera adicionales impuestos por el sistema

⇒ Tiempo de acceso medio total:

Ta = Ts + Tr + Tt + Tcontr + Tespera

= Ts + 1
2r

+ b
rN

+ Tcontr + Tespera

RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent

Disks)

• Conjuntos de discos que operan independientemente y en paralelo. Mejora en

− rendimiento

 Con varios discos, la peticiones separadas de E/S se pueden gestionar en paralelo

si los datos requeridos residen físicamente en discos diferentes.

 Una única petición de E/S también puede ser ejecutada en paralelo si el bloque
de datos al que se accede está distribuido a lo largo de varios discos (stripping).
 En principio, con un conjunto de discos la fiabilidad disminuye: N discos tendrían

1/N veces la fiabilidad de un único disco.

− fiabilidad

 La fiabilidad pude incrementarse añadiendo información redundante: tolerancia

a fallos.

 Con redundancia, la fiabilidad de un conjunto de discos puede ser mucho mayor

que la de un único disco grande equivalente
(MTTR (mean time to repair) << MTTF (mean time to failure)).

• Variedad de alternativas para organizar los datos en múltiples discos. Se desarrolla una se-
rie de esquemas estándares, con distintos grados de sobrecarga introducida y rendimiento:
RAID

• RAID: conjunto de esquemas o niveles independientes con las siguientes características

comunes:

1. Conjunto de unidades físicas de disco vistas por SO como una única unidad lógica.
2. Datos distribuidos a través de las unidades físicas del conjunto.
3. Redundancia de datos aumenta fiabilidad del conjunto

Consideraciones de diseño (para reducir MTTR):
− discos de reserva (hot spares)
− cambio de discos en caliente (hot swapping)

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

• RAID 0

− No incluye redundancia de datos
− Configuración básica para mejorar prestaciones y capacidad a bajo coste, pero em-

peorando fiabilidad

− Un único archivo grande se almacena en unidades de disco separadas partiéndolo en
trozos más pequeños (tiras de datos) que se reparten cíclicamente entre los discos
(stripping).

− Una operación de E/S que implica a tiras lógicas contigu