arquitectura de computadores capitulo iv

•ESCUELA:

•PONENTE:

•BIMESTRE:

Arquitectura de Computadores

•CICLO:

•CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN

•I BIMESTRE

•Ing. Greyson Alberca Prieto

Octubre – Febrero 2009

Organización y Arquitectura de Computadores

CAPÍTULO IV“ENTRADA/SALIDA”

Capítulo IVCapítulo IV Arquitectura de Arquitectura de ComputadoresComputadores

22

Contenidos

1. Organización del Computador2. Componentes de computador y Buses3. Memoria4. Entrada/Salida

Bibliografía ･Organización y Arquitectura de Computadores, William Stalling


33

Objetivos

Identificar los tipos de dispositivos tanto Identificar los tipos de dispositivos tanto internos como externosinternos como externos

Seleccionar el mejor método de E/S ya se Seleccionar el mejor método de E/S ya se programada, mediante interrupciones o programada, mediante interrupciones o acceso directo a memoriaacceso directo a memoria

Diferenciar los tipos de interfaces y Diferenciar los tipos de interfaces y reconocer cual de ellas es conveniente, reconocer cual de ellas es conveniente, tomando en cuenta los tiempos de tomando en cuenta los tiempos de respuesta necesariosrespuesta necesarios


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Temas

1. 1. Dispositivos externosDispositivos externos2. 2. Módulos de E/SMódulos de E/S

2.1.2.1.Funciones de un móduloFunciones de un módulo2.2.2.2.Estructura de un móduloEstructura de un módulo

3. 3. E/S programadaE/S programada4. 4. E/S mediante interrupcionesE/S mediante interrupciones

4.1.4.1.Procesamiento de la interrupciónProcesamiento de la interrupción4.2.4.2.Cuestiones de diseñoCuestiones de diseño

5. 5. Acceso directo a memoriaAcceso directo a memoria6. 6. Canales de procesamiento de E/SCanales de procesamiento de E/S7. 7. La interfaz externaLa interfaz externa

7.1.7.1.Tipos de interfacesTipos de interfaces7.2.7.2.Configuraciones punto a punto y multipuestoConfiguraciones punto a punto y multipuesto


55

Arquitectura


66

• Un computador no puede estar formado sólo por la CPU y la memoria.

• Para darle alguna utilidad debe de comunicarse con el

mundo exterior a través del subsistema de entrada/salida (I/O input/output).

Introducción

El subsistema de Entrada/Salida permite al computador interactuar con el “mundo exterior”, adaptando los dispositivos externos antes de conectarlos al bus del sistema

¿Por qué no se conectan directamente al B.Sistema?Variedad de dispositivos de E/S (periféricos)Velocidad de transferencia(menor)Formatos y anchos de banda

Dispositivos de E/S (periféricos) típicos:E/S Básica: teclado, ratón, pantallaAlmacenamiento: discos, disquetes, cintas, CD-ROM,...Impresión y escáner: impresoras, plotters, scanners, ...Comunicación: redes, módems, ...Multimedia: audio, vídeo, ...Automatización


77

Conti…

Variedad de dispositivos periféricos


88

Elementos del sistema de E/S

Dispositivo externo:

Elementos físicos que se “comunican” con el exterior.

Módulos de Entrada/Salida (Controladores):

Permiten que los dispositivos externos se comuniquen con el resto de elementos del sistema.

Un dispositivo externo conectado a un módulo de E/S se denomina dispositivo periférico o simplemente periférico


99

Periférico


1010


1111

Puerto serie


1212

1. Diagrama de bloques de un dispositivo

externo(periférico)


1313

Diagrama de bloques de un módulo de E/S


1414

Funciones

Las funciones de un módulo se presentan Las funciones de un módulo se presentan en las siguientes categorías:en las siguientes categorías:

Control y temporizaciónControl y temporizaciónComunicación con el procesadorComunicación con el procesadorComunicación con los dispositivosComunicación con los dispositivosAlmacenamiento temporal de datosAlmacenamiento temporal de datosDetección de erroresDetección de errores


1515

Funciones II

• Control y temporización– Son necesarios para coordinar el tráfico entre dispositivos

internos y externos– Por ejemplo, el control de la transferencia de datos desde un

dispositivoexterno al procesador podría implicar la siguiente secuencia de

pasos:1. El procesador pregunta por el estado del dispositivo2. El módulo de E/S devuelve el estado del dispositivo3. Si el dispositivo está listo, el procesador solicita la transferencia

al módulo de E/S4. El módulo de E/S obtiene los datos5. Los datos se transfieren del módulo de E/S al procesador

La comunicaciçon con el procesador implica: Decodificación de órdenes Datos Información de estado Reconocimiento de dirección


1616

Funciones III

• La comunicación con el dispositivo implica:– Órdenes– Información de estado– Datos

• Almacenamiento temporal de datos Los datos se envían en ráfagas rápidas desde la memoria

al módulo de E/S y después se envían al periférico a la velocidad de éste (el proceso inverso es semejante)

Los datos se almacenan para no mantener ocupada a la memoria en una operación de transferencia lenta (evitar una caída en el rendimiento)

• Detección de errores– Errores debidos a defectos mecánicos o eléctricos– Errores en la transmisión de información (códigos de

detección de errores)


1717

TRANSFERENCIA

Del dispositivo externo al procesador1. 1. El procesador interroga al módulo de E/SEl procesador interroga al módulo de E/S2. 2. El módulo de entrada salida devuelve el estado El módulo de entrada salida devuelve el estado del dispositivodel dispositivo3. 3. Si el dispositivo está operativo y preparado Si el dispositivo está operativo y preparado para transmitir, el procesador solicita la para transmitir, el procesador solicita la transferencia del dato mediante una orden al transferencia del dato mediante una orden al módulo de E/Smódulo de E/S4. 4. El módulo de E/S obtiene el dato del dispositivo El módulo de E/S obtiene el dato del dispositivo externoexterno5. 5. Los datos se transfieren desde el módulo de Los datos se transfieren desde el módulo de E/S al procesadorE/S al procesador


1818

Estructura básica de E/S


1919

Inconvenientes

¿Cómo se direccionan los dispositivos?

¿Cómo se transfiere la información entre los módulos de E/S y el resto del sistema?

¿Cómo se sincronizan, a nivel de operación, los módulos de E/S y el resto del sistema?


2020

Ordenes-InstruccionesOrdenes-Instrucciones

Ordenes de E/SOrdenes de E/S

Hay cuatro tipos de órdenes de E/S que puede recibir un Hay cuatro tipos de órdenes de E/S que puede recibir un módulo cuando es direccionado por el procesadormódulo cuando es direccionado por el procesador

ControlControl TestTest LecturaLectura EscrituraEscritura

Instrucciones de E/SInstrucciones de E/S

Cuando el procesador, la memoria principal y las E/S Cuando el procesador, la memoria principal y las E/S comparten un bus común son posibles dos modos de comparten un bus común son posibles dos modos de direccionamiento:direccionamiento:

Asignado en memoria, común, mapeadaAsignado en memoria, común, mapeada Aislado.Aislado.


2121

E/S común y separada

Según el modo de seleccionar el periférico y el acceso a sus registros de control, datos y estado:

1. E/S COMÚN O ASIGNADA/MAPEADA EN MEMORIA:• El acceso a estos módulos se realiza de igual modo a como se

accede a un dato de memoria principal.• Los periféricos se integran en el computador como si fueran parte

de la memoria– Comunicarse con un módulo de E/S es leer y escribir en memoria. Ej:

68000.• VENTAJA: Se aprovecha la potencia del juego de instrucciones.• INCONVENIENTE: Se desperdicia parte del espacio de direcciones.

2. E/S AISLADA O SEPARADA:• El acceso a la E/S está contemplado en la arquitectura.• Existen dos mapas de memoria separados: uno para memoria y

otro para E/SExisten señales e instrucciones específicas. Ej: intel 80x86.

• (Las ventajas y desventajas son contrarias a las de la E/S común.)


2222

Métodos de E/S

E/S por sondeo(polling,programada)

E/S por interrupciones E/S por Acceso Directo a Memoria/DMA


2323

1. 1. E/S programadaE/S programada

La CPU tiene el control absoluto de la operación de E/S: inicia y lleva a cabo la transferencia.

La CPU está dedicándose por completo a realizar la operación de E/S: realiza tanto la comprobación de estado como la transferencia y la inicialización: poco eficiente.

Hardware mínimo.


2424

2.2. E/S mediante E/S mediante interrupcionesinterrupciones

• Problemas de laentrada/salida programadao por polling (consultacontinua del registro deestado)

– La CPU no puede hacerotros trabajos- La CPU espera durantehoras a que se teclee unatecla

• Solución: Interrupciones– La CPU sigue con otrostrabajos– Cuando el periférico estálisto avisa a través de lalínea de interrupción a laCPU para que lea el dato

Punto de vista del módulo de E/SPunto de vista del módulo de E/S


2525

E/S mediante E/S mediante interrupciones IIinterrupciones II

Las interrupciones pueden ser:– ENMASCARABLES (se pueden dejar de atender por

software)– o NO ENMASCARABLES (siempre atendidas).


2626

Procesamiento de la Procesamiento de la interrupcióninterrupción


2727

Cuestiones de diseñoCuestiones de diseño

En la implementación de E/S mediante En la implementación de E/S mediante interrupciones surgen dos cuestiones.interrupciones surgen dos cuestiones.

¿cómo determina el procesador qué dispositivo ha ¿cómo determina el procesador qué dispositivo ha provocado una interrupción?provocado una interrupción?

¿Cómo decide el procesador la que debe atender?¿Cómo decide el procesador la que debe atender?

Hay algunas técnicas que nos ayudan a solucionar Hay algunas técnicas que nos ayudan a solucionar este tipo de cuestiones:este tipo de cuestiones:

Múltiples líneas de interrupcionesMúltiples líneas de interrupciones Consulta software(software polling)Consulta software(software polling) Conexión en cadena(daisy chain)Conexión en cadena(daisy chain) Arbitraje de busArbitraje de bus


2828

Múltiples líneas de interrupción

Generalmente existen VARIOS PERIFÉRICOS (y no uno sólo) conectados que pueden realizar interrupciones, Obliga a ESTABLECER PRIORIDADES y decidir cómo se

conectan a la CPU. También hay que determinar para cada periférico su

vector de interrupciones. Consiste en proporcionar varias líneas de interrupción

entre el procesador y los móulos de E/S

SOLUCIONES más extendidas:

A. Una sola línea de interrupciónB. Varias líneas de interrupciónC. Líneas de interrupción y aceptación


2929

A. Una sola línea de interrupción Todos los periféricos interrumpen por la misma línea. El vector de interrupción es fijo y común a todos los

periféricos. Mediante encuesta (polling) la CPU identifica el

periférico y desactiva la interrupción. La prioridad viene determinada por el orden de la encuesta.


3030

B. Varias líneas de interrupción Cada periférico tiene su línea de interrupción. Cada línea tiene su propio vector de

interrupción asociado y la CPU determina la prioridad.

C. Líneas de interrupción y aceptación: Una línea de entrada para aceptar

interrupciones y otra para dar el reconocimiento de la interrupción al periférico. Ej: procesador i8086.


3131

Consulta software

Todos los módulos de E/S comparten una línea común para solicitar interrupciones

Cuando el procesador detecta una interrupción, se produce un salto a una subrutina de servicio de interrupción que se encarga de consultar a cada módulo de E/S para determinar cuál ha producido la interrupción

La desventaja de la consulta software está en el tiempo que consume

La prioridad viene determinada por el orden en que se hace la encuesta


3232

Conexión en cadena Se trata de una consulta o polling hardware Todos los móulos de E/S comparten una línea común para solicitar

interrupciones La línea de reconocimiento de interrupción se conecta encadenando

los módulos uno tras otro Cuando el procesador recibe una interrupción, activa la señal de

reconocimiento, la cual se propaga a través de la secuencia de módulos de E/S hasta que alcanza al que solicitan la interrupción

El módulo correspondiente responde colocando una palabra que lo identifica

en las líneas de datos (vector) El procesador utiliza el vector de interrupción como puntero a la rutina

de servicio (así se evita ejecutar una rutina de servicio general) • La prioridad viene determinada por el orden en que se conectan los

módulos en la cadenaCapítulo IVCapítulo IV Arquitectura de Arquitectura de

ComputadoresComputadores3333

Conexión en cadena II


3434

Arbitraje de bus

Con esta técnica, un módulo de E/S antes de poder activar la línea de petición de interrupción debe disponer del control del bus

Mediante el arbitrador de bus se garantiza que sólo un módulo puede

activar la señal de petición en un determinado instante

Es una técnica que usa interrupciones vectorizadas como el daisy chain

La prioridad viene determinada por el arbitrador


3535

3. Acceso directo a memoria

Tanto en la E/S con interrupciones como en la E/S Tanto en la E/S con interrupciones como en la E/S programada, se presentan dos inconvenientes :programada, se presentan dos inconvenientes :

1.1. La velocidad de transferencia de E/S está limitada La velocidad de transferencia de E/S está limitada por la velocidad a la cual el procesador puede por la velocidad a la cual el procesador puede comprobar y dar servicio a un dispositivocomprobar y dar servicio a un dispositivo

2.2. El procesador debe dedicarse a la gestión de las El procesador debe dedicarse a la gestión de las transferencias de E/S; se debe ejecutar cierto transferencias de E/S; se debe ejecutar cierto número de instrucciones para cada transferencia de número de instrucciones para cada transferencia de E/SE/S

Si se desea transferir grandes volúmenes de datos, se Si se desea transferir grandes volúmenes de datos, se requiere un técnica más eficiente: el acceso directo requiere un técnica más eficiente: el acceso directo a memoria (DMA). a memoria (DMA).


3636

DMA• Polling e interrupción necesitan dela intervención de la CPU

– Ejemplo: pasar un dato de lacontroladora del disco duro a lamemoria• La CPU lee de la controladora el dato• La CPU escribe el dato en la memoria

• DMA (Direct Memory Access)permite pasar los datosdirectamente del periférico a lamemoria sin intervención de la CPU

– El controlador de DMA (DMAC) es elencargado de realizar la operación deDMA entre periférico y memoria– El controlador de DMA toma de formamomentánea el control del bus

• Toda la operación está controlada por laCPU, a través de programa coninstrucciones adecuadas para laprogramación del controlador de DMA


3737

Características del DMA

Imita al procesador Imita al procesador Controla el sistemaControla el sistema Usa la técnica robo de ciclo.- hacer uso Usa la técnica robo de ciclo.- hacer uso

del bus solo cuando el procesador no lo del bus solo cuando el procesador no lo necesita.necesita.


3838

Configuración

Los módulos DMA se pueden configurar Los módulos DMA se pueden configurar de diversas formas:de diversas formas:

Bus único DMA independienteBus único DMA independiente Bus único DMA entrada salida integradosBus único DMA entrada salida integrados Bus de E/S Bus de E/S

Cada una de las formas de Cada una de las formas de configuración tiene sus niveles de configuración tiene sus niveles de eficiencia y costos que conllevan su eficiencia y costos que conllevan su implementación.implementación.


3939

Bus único DMA independiente

Cada transferencia utiliza dos veces el bus. E/S va a DMA y el DMA a la memoria.

La CPU se interrumpe dos veces.


4040

Bus único, DMA integrado

El módulo puede controlar más de un dispositivo.

Cada transferencia usa el bus una vez. Del DMA a la memoria.

La CPU se interrumpe solo una vez.


4141

Bus único DMA separado

El bus se encarga de todos los dispositivos. activados del DMA.

Cada transferencia usa el bus una vez. Del DMA a la memoria.

La CPU se interrumpe solo una vez.Capítulo IVCapítulo IV Arquitectura de Arquitectura de

ComputadoresComputadores4242

Implementación


4343

Problemas de cohesión

Problemas de cohesión con la jerarquía de memoriaPuede ocurrir que se tenga dos copias de un dato y el DMA sólo sobrescriba sobre una de ellas.

Hay tres SOLUCIONES:1. Volcar toda la E/S a caché: sólo sirve con E/S asignada a

memoria. Costoso.2. Volcar toda la E/S a memoria: se vacían todos los datos

de la caché (bit de validez a cero) que tengan que ver con la transferencia del DMA.

3. Usar técnicas/protocolos de coherencia: invalidar datos de la caché después de que el DMA haya escrito sobre esos datos. Ej. MESI.

Ejemplo de DMA: i8237. Posee 4 “canales” (procesadores deDMA) programables con tres modos diferentes y además sepuede poner en cascada con otros i8237.


4444

Resumen Técnicas de E/S


4545

E/S programadaE/S programada E/S InterrupcionesE/S Interrupciones DMADMA

6.6. Canales y Canales y procesadores de E/Sprocesadores de E/S


4646

Evolución del Evolución del funcionamiento de las E/Sfuncionamiento de las E/S

1.1.La CPU controla directamente al periféricoLa CPU controla directamente al periférico

2.2.Se añade un controlador o módulo de E/SSe añade un controlador o módulo de E/S

3.3.Se usa la misma configuración del paso anterior Se usa la misma configuración del paso anterior pero se emplean interrupcionespero se emplean interrupciones

4.4.El módulo de E/S tiene acceso directo a la El módulo de E/S tiene acceso directo a la memoria a través del DMAmemoria a través del DMA

5.5.El módulo de E/S se mejora, haciendo que se El módulo de E/S se mejora, haciendo que se comporte como un procesador en sí mismo.comporte como un procesador en sí mismo.

6.6.El módulo de E/S tiene una memoria local propia El módulo de E/S tiene una memoria local propia y es un computador en sí mismoy es un computador en sí mismo


4747

Características de los canales de E/S

Una ampliación de los DMA, con los canales de E/S, Una ampliación de los DMA, con los canales de E/S, quienes realizan un control completo de las quienes realizan un control completo de las operaciones de E/S. En este caso el procesador no operaciones de E/S. En este caso el procesador no ejecuta instrucciones nada mas inicia una transferencia ejecuta instrucciones nada mas inicia una transferencia de entrada salida indicándole al canal que debe de entrada salida indicándole al canal que debe ejecutar un programa de la memoria.ejecutar un programa de la memoria.

El canal de E/S es un “pequeño” procesador especializado en operaciones de E/S. Si además tiene memoria propia, entonces se lo llama procesador de E/S.

Hay dos tipos de canales de E/S:Hay dos tipos de canales de E/S: Un canal selectorUn canal selector Un canal multiplexorUn canal multiplexor


4848

Canales II

Para realizar una transferencia de E/S, la CPU primero hade indicar qué canal de E/S ejecuta un determinado programa.

La CPU también debe definir el área de almacenamiento temporal, establecer una prioridad y establecer las correspondientes acciones en caso de error. El programa a ejecutar está cargado en memoria principal y puede contener instrucciones propias sólo procesables por el canal de E/S.

Después de terminar la operación de E/S, el canal de E/S deja el resultado en un área de memoria y a continuación genera una interrupción para indicar que ha acabado.


4949

Ejemplo de disp E/S

• Es un controlador de E/S que está pensado, en principio, para

ser usado solamente por impresoras.• Para ello habría que utilizar un cable adaptado al bus de

puertoparalelo diferente al Centronics, que es el que se utilizahabitualmente.• Un PC tiene dos puertos paralelos llamados LPT1 y LPT2

apartir de las direcciones o puertos de E/S 378 (LPT1) y 278(LPT2).NOTA: ¡¡ no confundir puerto de E/S (dirección) con puertohardware (puerto serie, puerto paralelo, ...) !!


5050

Puerto paralelo Registro de datos: es de sólo escritura. Direcciones 378 (LPT1) y

278 (LPT2).Compuesto por un byte. Registro de estado: es de sólo lectura. Direcciones 379 (LPT1) y

279 (LPT2).Compuesto por un byte.

Registro de control: es de lectura/escritura. Direcciones 37A (LPT1) y27A (LPT2). Compuesto por un byte.


5151

Rendimiento de E/S

• ¿De qué depende el rendimiento?– CPU– Sistema de memoria– Buses de interconexión– Controlador del periférico– Periférico– Driver del sistema operativo para controlar el

periférico– Eficiencia del software utilizando el periférico

• Métricas para medir el rendimiento– Ancho de banda del periférico

• Número de transacciones por unidad de tiempo– Latencia del periférico

• Tiempo entre la orden de transacción y el fin de su ejecución


5252

7.7. La interfaz externaLa interfaz externa


5353

Tipos de interfacesTipos de interfaces

Hay dos tipos de interfaces:Hay dos tipos de interfaces:1.1. Interfaz Interfaz paralelaparalela

2.2. Interfaz serieInterfaz serie


5454

Interfaz paralelaInterfaz paralela

Hay varias líneas que conectan el Hay varias líneas que conectan el módulo de E/S y el periférico y se módulo de E/S y el periférico y se trasfieren varios bits trasfieren varios bits simultáneamente a través del bus simultáneamente a través del bus de datos.de datos.


5555

Interfaz serieInterfaz serie

Hay solo una línea para la Hay solo una línea para la transmisión de los datos y los bits transmisión de los datos y los bits deben transmitirse uno a uno.deben transmitirse uno a uno.


5656

Configuraciones punto a Configuraciones punto a punto y multipuntopunto y multipunto

Interfaz punto-a-punto.- proporciona una línea específica entre el módulo de E/S y el dispositivo externo.

Interfaz externa multipunto.- utilizadas para soportar dispositivos de almacenamiento masivo (disco y cintas) y dispositivos multimedia.


5757

Conclusiones

Problemas Las E/S son costosas por varias razones: Involucran movimientos físicos lentos (cabezal

disco) o líneas de comunicaciones (teléfono-red) que también lo son.

Los dispositivos de E/S son a menudo disputados por múltiples procesos.

Las operaciones de E/S se suministran por medio de llamadas al sistema y gestión de interrupciones, que son lentas.


5858

Conclusiones

Soluciones Reducir el número de veces que los datos son copiados

manteniendolos en caché. Reducir la frecuencia de interrupciones utilizando, si es

posible, grandes transferencias de datos. Descargar computación de la CPU principal utilizando

controladores DMA. Aumentar el número de dispositivos para reducir la

contención de uno único, y así, mejorar el uso de CPU. Incrementar memoria física para reducir la cantidad de

tiempo en paginación y por ello mejorar el uso de CPU.


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arquitectura de computadores capitulo iv

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