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Sistemas de E/S
- 1. República Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico ¨Santiago Mariño¨ Sede Barcelona Escuela: 44- Ing. Electrónica Catedra: Sistemas Digitales II Profesor: Ing. Carla Leal Integrante: Cánchica, José Barcelona, Enero 2021
- 2. Para que un computador pueda ejecutar un programa debe ser ubicado previamente en la memoria, junto con los datos sobre los que opera, y para ello debe existir una unidad funcional de entrada de información capaz de escribir en la memoria desde el exterior. Análogamente, para conocer los resultados de la ejecución de los programas, los usuarios deberán poder leer el contenido de la memoria a través de otra unidad de salida de datos. La unidad de Entrada/Salida (E/S) soporta estas funciones, realizando las comunicaciones del computador (memoria) con el mundo exterior (periféricos). Introducción
- 3. Índice Direccionamiento de E/S...…………………………………………………………………………....4 Transferencia de Datos……………………………………………………………………………….6 Sincronización………………………………………………………………………………………..10 Manejo de Interrupciones……………………………………………………………………………11 Interfaces de E/S……………………………………………………………………………………...12 Interfaz estándar de E/S……………………………………………………………………………...13 Canales de E/S………………………………………………………………………………………...14 Conclusión……………………………………………………………………………………………19 Bibliografía…………………………………………………………………………………………...20
- 4. Espacios de direcciones unificados Las unidades de E/S se ubican en el espacio único de direcciones como si fuesen elementos de memoria. A cada unidad de E/S se le asigna un conjunto de direcciones (suficiente para diferenciar todos sus registros internos). La interacción entre CPU y unidad de E/S se realiza a través de instrucciones de referencia a memoria. El bus del sistema es único. Direccionamiento de E/S Espacios de direcciones independientes (Memoria y E/S) Las unidades de E/S se ubican en un espacio de direcciones diferente al de memoria. La interacción entre CPU y unidad de E/S se realiza a través de instrucciones específicas de E/S. La separación de espacios de direcciones puede soportarse con un bus único de uso compartido entre Memoria y E/S en función del estado de una línea de control MEM/IO:
- 5. Direccionamiento de E/S Las direcciones las pone el procesador en el bus de direcciones y el módulo de E/S debe ser capaz de reconocer estas direcciones (direcciones de los puertos de E/S) correspondientes a los registros de este módulo. Direccionamiento mapeado en memoria: Estas direcciones se utilizan en dispositivos que necesiten de una gran cantidad de datos y una alta velocidad como los adaptadores gráficos. Algunas de estas direcciones fueron mapeadas fuera de la memoria convencional para así no causar conflictos entre la RAM y este. Normalmente la memoria que se usa para este direccionamiento aparece como “apartada para el sistema”.
- 6. Transferencia de Datos Una manera rápida de explicar lo que es la transferencia de datos seria: Cantidad de datos, velocidad de transmisión y sentido de la transferencia (entrada y salida). De una forma un poco más amplia se puede definir como: La fase donde se hace realmente la transferencia de información entre el procesador y el módulo de E/S. De manera genérica, en la transferencia de cada dato dentro de un bloque distinguimos dos fases principales: la sincronización y el intercambio. Estas dos fases se repiten para cada dato del bloque. A continuación distinguiremos las técnicas básicas de transferencia de datos E/S siguientes: E/S programada E/S por interrupciones E/S por DMA
- 7. E/S programada Durante el intercambio del dato, si es una operación de lectura (entrada), el procesador lee el registro de datos del módulo de E/S para recoger el dato enviado por el periférico, y lo guarda en memoria; si es una operación de escritura (salida), el procesador toma de la memoria el dato que queremos enviar al periférico y lo escribe en el registro de datos del módulo de E/S.
- 8. E/S por interrupciones 1. La CPU envía una orden de E/S al periférico esperando a que se efectúe la operación de E/S. 2. Cuando el periférico está preparado para intercambiar información, fuerza una interrupción en la tarea que realiza la CPU para que atienda a la operación de E/S. 3. En ese momento la CPU realiza la transferencia del dato, de la misma manera que en el caso de E/S controlada por programa, y a continuación sigue ejecutando el programa que había interrumpido.
- 9. E/S por DMA Cuando se mueven grandes cantidades de datos, se necesita una técnica eficaz en la que intervenga lo menos posible la CPU, es decir, transferencia de datos mediante un controlador de acceso directo a memoria (Direct Memory Access). 1. CPU envía la dirección del periférico, el tipo de operación (lectura/escritura), la posición de comienzo en memoria y el número de palabras que se tienen que leer o escribir. 2. A partir de este momento la CPU puede realizar otra tarea. 3. El controlador de DMA transfiere directamente, palabra a palabra, el bloque completo de datos entre el periférico y la memoria, sin pasar por la CPU. 4. Cuando la transferencia finaliza el controlador de DMA envía una señal de interrupción a la CPU para indicarle que ya ha terminado. 5. De esta forma la CPU únicamente participa al comienzo y al final de la transferencia.
- 10. Sincronización La sincronización es donde se establece un mecanismo para conseguir que el dispositivo más rápido espere que el dispositivo más lento esté preparado para llevar a cabo el intercambio del dato. Este mecanismo nos garantiza que no se dejen datos sin procesar, pero la consecuencia es que la transferencia de datos se realiza a la velocidad del dispositivo más lento. Durante la fase de sincronización, el procesador (o el elemento que controle la transferencia) debe ser capaz de detectar cuándo está disponible el periférico para hacer el intercambio de un dato. El módulo debe informar de que el periférico está preparado.
- 11. Manejo de Interrupciones Una interrupción es un mecanismo el cual permite ejecutar un bloque de instrucciones que interrumpe la ejecución de un programa, para después ejecutarlo nuevamente sin afectar el estado del mismo. Antiguamente el procesador era el encargado de enviar señales continuamente para comprobar el estado de los dispositivos. Debido a estos problemas de rendimiento se diseño una línea de comunicación entre el procesador y los dispositivos. Cuando existe un problema en algún dispositivo este avisara al procesador el cual interrumpirá las acciones actuales mientras soluciona el error y luego volver a su estado original. En el uso de interrupciones de hardware existen dos condiciones: 1. Algún dispositivo de E/S necesita atención. 2. Se ha producido una situación de error al intentar ejecutar una instrucción del programa (normalmente de la aplicación). En ambos casos, la acción realizada no está ordenada por el programa de aplicación, es decir, no figura en el programa. Según los dos casos anteriores se pueden distinguir dos clases de interrupciones: las interrupciones y la excepciones.
- 12. Interrupción: señal que envía un dispositivo de E/S a la CPU para indicar que la operación de la que se estaba ocupando, ya ha terminado. Excepción: una situación de error detectada por la CPU mientras ejecutaba una instrucción, que requiere tratamiento por parte del SO. Tratamiento de las interrupciones Una interrupción se trata en todo caso, después de terminar la ejecución de la instrucción en curso. El tratamiento depende de cuál sea el dispositivo de E/S que ha causado la interrupción, ante la cual debe poder identificar el dispositivo que lo ha causado. En una interrupción ordinaria, el control se transfiere primero al gestor de interrupciones, quien lleva a cabo algunas tareas básicas y, después, se salta a la rutina del sistema operativo que se ocupa del tipo de interrupción que se ha producido. Manejo de Interrupciones
- 13. Los dispositivos de E/S conectados aun procesador tienen algunas diferencias con respecto a la CPU, para esto necesitan enlaces especiales como interfaces entre ellos que resuelvan dichas diferencias. Las principales diferencias son: Los periféricos son con frecuencia dispositivos electromecánicos, que funcionan de manera diferente a la CPU y memoria. Las tasa de transferencia de los periférico es diferente a la velocidad del CPU. Los códigos de datos de los periféricos difieren del lenguaje del CPU. Los modos de operación de los periféricos difieren unos de otros. Para resolver dichas diferencias se usan dispositivos de interfaces que conectan los periféricos con los buses de la CPU e incluyen hardware especial que supervisa y sincroniza todas las transferencias de entrada y salida. Cada dispositivo tiene su propio controlador para supervisar sus operaciones. Interfaces de E/S
- 14. Interfaz estándar de E/S La interfaz USB es el estándar omnipresente para la conexión al ordenador de periféricos y dispositivos móviles de consumo como cámaras digitales o reproductores multimedia portátiles a través de una interfaz bidireccional de bajo costo. Otro tipo de Interfaz es: SATA es la interfaz para las conexiones de dispositivos de almacenamiento en ordenadores de consumo general. SATA 1,5 Gb/s: La podríamos denominar como SATA 1.0, y ofrecía unas velocidades de transmisión de datos reales de 150 MB/s. Fue el primer estándar de esta interfaz en llegar, y su frecuencia es de 1500 MHz. SATA 3 Gb/s: Aunque su nombre contenga un 3, se trata de la segunda generación de esta interfaz, y la podríamos denominar como SATA 2.0 para entendernos mejor. Su velocidad sube a los 300 MB/s, y su frecuencia a 3000 MHz. SATA 6 Gb/s: La tercera versión de SATA, a la que podríamos considerar la 3.0. Dobla la velocidad de su antecesora subiendo hasta la velocidad máxima de 600 MB/s, y una frecuencia de 6000 MHz.
- 15. Canales de E/S Existen 3 tipos de PE/S o canales: • Canales Multiplexores • Canales Selectores • Canales multiplexores por bloques Canal Multiplexor: Es aquel que se utiliza para la conexión de dispositivos de velocidad baja y media. Estos son capaces de trasferir datos a velocidades mayores que las de los dispositivos individuales conectados al canal. Esto les permite operar en forma multiplexada sobre varios dispositivos de E/S.
- 16. Canales de E/S Canal Selector Un canal selector controla múltiples dispositivos de alta velocidad. En cualquier instante de tiempo esta dedicado a la transferencia de datos con uno solo de estos dispositivos. El PE/S selecciona un dispositivo y efectúa la transferencia complete de datos.
- 17. Canales multiplexores por bloques Este tipo de canal combina las características de los canales multiplexores con las de los selectores. Permite la multiplexacion de varias operaciones de E/S de alta velocidad, bloque por bloque. Las ventajas obtenidas a través del empleo de canales multiplexado por bloques, en comparación con las de los canales selectores, surgen de la naturaleza de la operación de dispositivos de E/S tales como discos y cintas magnéticas. Una operación común con una unidad de disco puede requerir la siguiente secuencia de comandos. • Localización de pista. • Búsqueda de un sector especifico. • Inicio de la lectura de los datos contenidos en el sector. Canales de E/S
- 18. Conclusión Una interfaz es el puerto por el cual se envían o reciben señales desde un sistema hacia otros. Por ejemplo, el interfaz USB. La transferencia de datos entre dispositivos de almacenamiento veloz como un disco magnético y la memoria, a menudo se ve limitada por la velocidad del CPU. Durante la transferencia DMA la CPU esta desocupada y no tiene control de los buses de la memoria.