tema 6: gestión de la entrada/salida

El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

Resumen y Lecturas Recomendadas

Tema 6:Gestión de la Entrada/Salida

SSOO - Curso 2005/06

E. Domínguez C. Villarrubia

Departamento de Tecnologías y Sistemas de InformaciónEscuela Superior de Informática

Universidad de Castilla - La Mancha

Mayo de 2006

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

Resumen y Lecturas Recomendadas

Índice

1 El Problema de la Entrada/Salida

2 Transferencia de Datos

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

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Tema 6: Gestión de la Entrada/Salida

Sesión 1:Dispositivos de E/S

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Índice

1 El Problema de la Entrada/Salida

2 Transferencia de Datos

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El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

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Dispositivos de E/S

CaracterísticasGran variedad de dispositivos

Dispositivos que constituyen el interfaz físico del usuarioDispositivos que están adaptados al uso por el propiosistema de cómputoDispositivos de comunicación con otros dispositivosremotos (que pueden ser de cualquiera de las dos clasesanteriores e incluso otros computadores)

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Dispositivos de E/S

CaracterísticasGran variedad de dispositivos

Dispositivos que constituyen el interfaz físico del usuarioDispositivos que están adaptados al uso por el propiosistema de cómputoDispositivos de comunicación con otros dispositivosremotos (que pueden ser de cualquiera de las dos clasesanteriores e incluso otros computadores)

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Dispositivos de E/S

CaracterísticasGran variedad de dispositivos

Dispositivos que constituyen el interfaz físico del usuarioDispositivos que están adaptados al uso por el propiosistema de cómputoDispositivos de comunicación con otros dispositivosremotos (que pueden ser de cualquiera de las dos clasesanteriores e incluso otros computadores)

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Dispositivos de E/S

CaracterísticasGran variedad de dispositivos

Dispositivos que constituyen el interfaz físico del usuarioDispositivos que están adaptados al uso por el propiosistema de cómputoDispositivos de comunicación con otros dispositivosremotos (que pueden ser de cualquiera de las dos clasesanteriores e incluso otros computadores)

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

Resumen y Lecturas Recomendadas

Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de velocidades de transferencia

Velocidades de transferencia típicas

Vel. de TransferenciaDispositivo (bytes/s)

Instrumentos de medida 0,1 - 1000Pantalla 10 - 2000Impresora de líneas 220 - 88000Línea de comunicación serie 30K - 200KCinta magnética 15K - 3MDisco magnético 30K - 10MMemoria principal 1M - 100M

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de velocidades de transferencia

Velocidades de transferencia típicas

Vel. de TransferenciaDispositivo (bytes/s)

Instrumentos de medida 0,1 - 1000Pantalla 10 - 2000Impresora de líneas 220 - 88000Línea de comunicación serie 30K - 200KCinta magnética 15K - 3MDisco magnético 30K - 10MMemoria principal 1M - 100M

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Resumen y Lecturas Recomendadas

Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Resumen y Lecturas Recomendadas

Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Dispositivos de E/S (cont.)

DiferenciasGran variedad de modos de uso por parte de lasaplicacionesUnidades de transferencia muy distintas

Dispositivos orientados a bloquesE/S mediante bloques de tamaño fijoAcceso aleatorio mediante direccionamiento

Dispositivos orientados a caracteresE/S mediante un flujo de datos (stream)Sin direccionamiento

Grandes diferencias en la complejidad del controlador deldispositivoGran variedad de condiciones de error

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Estructura Física de un Sistema Basado en Bus

Estructura en Bus típica de un PC

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Diagrama de bloques de un controlador de E/S

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Flujo de datos en un controlador de E/S

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

Dos solucionesE/S localizada en memoria

Hay un único espacio de direccionesLa CPU usa las mismas instrucciones para acceder a losregistros de los dispositivos que a cualquier otro dato

E/S aisladaEl sistema dispone de un bus con líneas de controlespecíficas de E/SDe esa forma la línea de control especifica si la direcciónsolicitada es una posición de memoria o un registro de unperiférico (puerto)La CPU utiliza distintas instrucciones para referirse a lasposiciones de memoria y a los registros de los dispositivos

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

Dos solucionesE/S localizada en memoria

Hay un único espacio de direccionesLa CPU usa las mismas instrucciones para acceder a losregistros de los dispositivos que a cualquier otro dato

E/S aisladaEl sistema dispone de un bus con líneas de controlespecíficas de E/SDe esa forma la línea de control especifica si la direcciónsolicitada es una posición de memoria o un registro de unperiférico (puerto)La CPU utiliza distintas instrucciones para referirse a lasposiciones de memoria y a los registros de los dispositivos

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

Dos solucionesE/S localizada en memoria

Hay un único espacio de direccionesLa CPU usa las mismas instrucciones para acceder a losregistros de los dispositivos que a cualquier otro dato

E/S aisladaEl sistema dispone de un bus con líneas de controlespecíficas de E/SDe esa forma la línea de control especifica si la direcciónsolicitada es una posición de memoria o un registro de unperiférico (puerto)La CPU utiliza distintas instrucciones para referirse a lasposiciones de memoria y a los registros de los dispositivos

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

Dos solucionesE/S localizada en memoria

Hay un único espacio de direccionesLa CPU usa las mismas instrucciones para acceder a losregistros de los dispositivos que a cualquier otro dato

E/S aisladaEl sistema dispone de un bus con líneas de controlespecíficas de E/SDe esa forma la línea de control especifica si la direcciónsolicitada es una posición de memoria o un registro de unperiférico (puerto)La CPU utiliza distintas instrucciones para referirse a lasposiciones de memoria y a los registros de los dispositivos

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

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Hay un único espacio de direccionesLa CPU usa las mismas instrucciones para acceder a losregistros de los dispositivos que a cualquier otro dato

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Acceso a los Registros de un Controlador de E/S enSistemas Basados en Bus

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Sincronización de la CPU y los Dispositivos de E/S

ProblemaEl funcionamiento de la CPU y los dispositivos de E/Stiene lugar de modo asíncrono

El programa que la CPU ejecuta puede hacer que eldispositivo inicie una operación de E/SPero no hay forma de que la CPU sepa de antemanocuándo va a terminar la operación

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Sincronización de la CPU y los Dispositivos de E/S

ProblemaEl funcionamiento de la CPU y los dispositivos de E/Stiene lugar de modo asíncrono

El programa que la CPU ejecuta puede hacer que eldispositivo inicie una operación de E/SPero no hay forma de que la CPU sepa de antemanocuándo va a terminar la operación

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ProblemaEl funcionamiento de la CPU y los dispositivos de E/Stiene lugar de modo asíncrono

El programa que la CPU ejecuta puede hacer que eldispositivo inicie una operación de E/SPero no hay forma de que la CPU sepa de antemanocuándo va a terminar la operación

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El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

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Sincronización de la CPU y los Dispositivos de E/S(cont.)

SolucionesPolling: El programa de la CPU lee repetidamente un

registro de estado del dispositivo hasta que laoperación termina

Interrupción: La CPU recibe una señal de interrupción cuandola operación del dispositivo haya terminado

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Sincronización de la CPU y los Dispositivos de E/S(cont.)

SolucionesPolling: El programa de la CPU lee repetidamente un

registro de estado del dispositivo hasta que laoperación termina

Interrupción: La CPU recibe una señal de interrupción cuandola operación del dispositivo haya terminado

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Resumen y Lecturas Recomendadas

Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Modelos de Programación de E/S

Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

Baja utilización del procesadorDificultad de manejo de múltiples dispositivos

Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Dos posibilidadesControlada por programa

Existencia de un bucle de espera activa para comprobar lafinalización de la entrada/salidaInconvenientes:

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Sólo adecuado para sistemas operativosmonoprogramados o dedicados

Controlada por interrupciónEliminación del bucle de espera activa

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Índice

1 El Problema de la Entrada/Salida

2 Transferencia de Datos

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El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

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Transferencia de Datos entre la CPU y los Dispositivosde E/S

PosibilidadesEl programa que ejecuta la CPU, cuando el dispositivoestá listo, transfiere un dato entre la memoria y un registrode datos del dispositivo

En el caso de E/S controlada por programa lo hará la líneaprincipal del programaEn el caso de E/S controlada por interrupción, en unaoperación de salida, lo hará la línea principal del programa,mientras que en una operación de entrada lo haránormalmente la rutina de servicio de la interrupción

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

El Problema de la Entrada/SalidaTransferencia de Datos

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Transferencia de Datos entre la CPU y los Dispositivosde E/S

PosibilidadesEl programa que ejecuta la CPU, cuando el dispositivoestá listo, transfiere un dato entre la memoria y un registrode datos del dispositivo

En el caso de E/S controlada por programa lo hará la líneaprincipal del programaEn el caso de E/S controlada por interrupción, en unaoperación de salida, lo hará la línea principal del programa,mientras que en una operación de entrada lo haránormalmente la rutina de servicio de la interrupción

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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PosibilidadesEl programa que ejecuta la CPU, cuando el dispositivoestá listo, transfiere un dato entre la memoria y un registrode datos del dispositivo

En el caso de E/S controlada por programa lo hará la líneaprincipal del programaEn el caso de E/S controlada por interrupción, en unaoperación de salida, lo hará la línea principal del programa,mientras que en una operación de entrada lo haránormalmente la rutina de servicio de la interrupción

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Resumen y Lecturas Recomendadas

Transferencia de Datos entre la CPU y los Dispositivosde E/S (cont.)

PosibilidadesEn los sistemas basados en bus puede utilizarse uncontrolador DMA para hacer la transferencia directa entrela memoria y el dispositivo y al terminar se avisa a la CPUmediante una interrupciónSe utiliza un procesador auxiliar de E/S (canal) que seocupa de controlar la operación del dispositivo y avisa a laCPU principal mediante una interrupción cuando laoperación haya terminado

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6

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Transferencia de Datos entre la CPU y los Dispositivosde E/S (cont.)

PosibilidadesEn los sistemas basados en bus puede utilizarse uncontrolador DMA para hacer la transferencia directa entrela memoria y el dispositivo y al terminar se avisa a la CPUmediante una interrupciónSe utiliza un procesador auxiliar de E/S (canal) que seocupa de controlar la operación del dispositivo y avisa a laCPU principal mediante una interrupción cuando laoperación haya terminado

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Estructura de un Controlador DMA

Diagrama de bloques de un controlador DMA

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Resumen y Lecturas Recomendadas

Modos de Funcionamiento de un Controlador DMA

SolucionesPor ráfagas: El DMA toma el control del bus y no lo libera

hasta que termina la operación de transferencia(parada del procesador)

Por robo de ciclos: Cuando el DMA toma el control del bus loretiene durante un solo ciclo. Transmite unapalabra y libera el bus para no bloquear laactividad de la CPU. Después repite la operación.Es una solución que se aplica frecuentemente

DMA transparente: El DMA está diseñado para robar ciclossólo cuando la CPU no necesita el bus (porejemplo cuando decodifica o ejecuta unainstrucción)

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SolucionesPor ráfagas: El DMA toma el control del bus y no lo libera

hasta que termina la operación de transferencia(parada del procesador)

Por robo de ciclos: Cuando el DMA toma el control del bus loretiene durante un solo ciclo. Transmite unapalabra y libera el bus para no bloquear laactividad de la CPU. Después repite la operación.Es una solución que se aplica frecuentemente

DMA transparente: El DMA está diseñado para robar ciclossólo cuando la CPU no necesita el bus (porejemplo cuando decodifica o ejecuta unainstrucción)

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SolucionesPor ráfagas: El DMA toma el control del bus y no lo libera

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Por robo de ciclos: Cuando el DMA toma el control del bus loretiene durante un solo ciclo. Transmite unapalabra y libera el bus para no bloquear laactividad de la CPU. Después repite la operación.Es una solución que se aplica frecuentemente

DMA transparente: El DMA está diseñado para robar ciclossólo cuando la CPU no necesita el bus (porejemplo cuando decodifica o ejecuta unainstrucción)

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Transferencia de Datos mediante DMA

Proceso en seis pasos para realizar una transferencia de DMA

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Un sistema de E/S basado en canales

Un sistema de E/S con varios canales

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Tipos de Canales

PosibilidadesSelectores: Transfieren datos a un solo dispositivo en cada

operaciónMultiplexores: Transfieren datos de varias operaciones a

diferentes dispositivos intercalándolos entre sí

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Tipos de Canales

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operaciónMultiplexores: Transfieren datos de varias operaciones a

diferentes dispositivos intercalándolos entre sí

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Resumen y Lecturas RecomendadasResumen

Resumen

En esta sesión hemos vistoGeneralidades sobre los sistemas de E/SCaracterísticas de los controladores de E/SEsquemas de programación de un controlador de E/SEjemplos típicos de arquitecturas hardware utilizadas enlos sistemas de E/S

E. Domínguez, C. Villarrubia Tema 6