Estructura de computadores

Sistema de entrada/salida

Miquel Albert Orenga Gerard Enrique Manonellas

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Índice

Introducción............................................................................................... 5

Objetivos....................................................................................................... 7

1. Aspectos básicos del E/S................................................................... 9 1.1. Estructura del sistema de E/S del computador ............................ 10 1.1.1. Periféricos ....................................................................... 11 1.1.2. Módulos de E/S .............................................................. 12 1.1.3. Sistemas de interconexión externos .............................. 16 1.1.4. Mapa de memoria e instrucciones de E/S ...................... 17 1.2. Operación de E/S ......................................................................... 19 1.2.1. Programación de la operación de E/S ............................ 20 1.2.2. Transferencia de datos ................................................... 21 1.2.3. Finalización de la operación de E/S ............................... 23 1.3. Gestión de múltiples dispositivos ............................................... 23 1.4. Técnicas de E/S ............................................................................ 24

2. E/S programada................................................................................. 26 2.1. Gestión de múltiples dispositivos ............................................... 27

3. E/S con interrupciones..................................................................... 29 3.1. Gestión de una interrupción con un único módulo de E/S ........ 31 3.2. Gestión de interrupciones con múltiples módulos de E/S .......... 38 3.3. Sistema con una única línea de petición de interrupción .......... 38 3.4. Sistema con una línea de petición de interrupción y una

línea de reconocimiento con encadenamiento .......................... 40 3.4.1. Interrupciones vectorizadas ........................................... 41 3.5. Sistema con líneas independientes de petición de

interrupciones y de reconocimiento ........................................... 43 3.6. Sistema con controladores de interrupciones ............................. 47

4. E/S con acceso directo a memoria................................................ 50 4.1. Acceso concurrente a memoria ................................................... 50 4.2. Operación de E/S con acceso directo a memoria ........................ 52 4.3. Controladores de DMA ............................................................... 52 4.3.1. Formas de conexión de los controladores de DMA ....... 54 4.3.2. Operación de E/S mediante un controlador de DMA .... 56 4.4. Controlador de DMA en modo ráfaga ........................................ 58 4.5. Canales de E/S ............................................................................. 59

5. Comparación de las técnicas de E/S............................................. 60

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Resumen....................................................................................................... 68

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Introducción

Todo computador necesita llevar a cabo intercambio de información con per- sonas u otros computadores mediante unos dispositivos que denominamos de manera genérica dispositivosperiféricos. Para hacer una operación de E/ S entre el computador y un periférico, es necesario conectar estos dispositivos al computador y gestionar de manera efectiva la transferencia de datos. Para hacerlo, el computador dispone del sistemadeentrada/salida(E/S).

Este sistema de E/S es la interfaz que tiene el computador con el exterior y el objetivo que tiene es facilitar las operaciones de E/S entre los periféricos y la memoria o los registrosdelprocesador. Para gestionar las operaciones de E/ S es necesario un hardware y la ayuda de un software.

Dada la gran variedad de periféricos, es necesario dedicar un hardware y un software específicos para cada uno. Por este motivo se ha intentado normalizar la interconexión de los periféricos y el computador mediante lo que se deno- mina módulosdeE/S o controladoresdeE/S. Eso nos permite tener, por una parte, una conexión, entre el módulo de E/S y el periférico, específica y con unas características propias que difícilmente se pueden generalizar para utili- zarlas en otros dispositivos y, por otra parte, una conexión entre los módulos de E/S y el computador común a todos los controladores, pero estos módulos, además de permitir la conexión de los periféricos al computador, disponen de la lógica necesaria para tener cierta capacidad de procesamiento y gestionar las transferencias de información.

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Hay que tener presente que la gestión global del sistema de E/S de un compu- tador la hace el sistema operativo (SO). Las técnicas para controlar este siste- ma de E/S las utiliza el SO y el programador cuando quieren acceder al peri- férico, pero en las máquinas actuales, a causa de la complejidad de controlar y gestionar los periféricos, el acceso se lleva a cabo generalmente mediante llamadas al SO, que es quien gestiona la transferencia. El conjunto de rutinas que permiten controlar un determinar periférico es lo que denominamos ha- bitualmente programascontroladores o drivers y cuando el SO quiere hacer una operación de E/S con un periférico llama a una de estas rutinas.

Este módulo se centra en el estudio del sistema de E/S y hablaremos de las principales técnicas utilizadas y de qué características debe tener el hardware y el software necesario para gestionar las diferentes maneras de realizar la trans- ferencia de información entre el computador y el periférico.

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Objetivos

Con el estudio de este módulo se pretende que el estudiante alcance los obje- tivos siguientes:

1. Conocer los aspectos básicos del sistema de E/S de un computador.

2. Aprender las técnicas básicas de E/S.

3. Entender las ventajas de cada una de estas técnicas para mejorar el rendi-

miento del computador.

4. Tener unos conocimientos básicos de los tipos de dispositivos que pode- mos conectar al computador y cómo se comunican con el procesador me- diante el sistema de E/S.

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1. Aspectos básicos del E/S

Cuando hablamos de E/S de información entre un computador y un periférico lo hacemos siempre desde el punto de vista del computador. Así, decimos que es una transferenciadeentrada cuando el periférico es el emisor de la información y tiene como receptor el computador (procesador o memoria) y decimos que es una transferenciadesalida cuando el computador es el emisor de la información y tiene como re- ceptor el periférico.

De manera más concreta, toda operación de E/S que se lleva a cabo entre el computador y un periférico es solicitada y gobernada desde el procesador, es decir, es el procesador quien determina en qué momento se debe hacer y con qué periférico, si la operación es de lectura o escritura, qué datos se han de transferir, y también quién da la operación por acabada.

Para llevar a cabo la operación de E/S, hemos de conectar el periférico al computador. Para hacerlo, es necesario que el computador disponga de unos dispositivos intermedios por donde ha de pasar toda la información que inter- cambia el computador con el periférico y que nos permite hacer una gestión y un control correctos de la transferencia. Estos dispositivos los llamamos de manera genérica módulodeE/S.

Puede parecer lógico conectar el periférico directamente al bus del sistema del computador, pero esta opción no es factible básicamente por dos razones:

• La necesidad de gestionar una gran variedad de periféricos con unas carac- terísticas muy específicas y diferenciadas. Esto hace muy complejo añadir

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la lógica necesaria dentro del procesador para gestionar esta gran diversi- dad de dispositivos.

• La diferencia de velocidad entre sí, en la que, salvo casos excepcionales, el procesador es mucho más rápido que el periférico. Por un lado, hay que asegurar que no se pierdan datos y, por otro, garantizar principalmente la máxima eficiencia del procesador, pero también de los otros elementos del computador.

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