S y dispositivos periféricos

Estructura de Computadores 7.- E/S y dispositivos periféricos UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Área de Arquitectura y Tecnologí Tecnología de Comput

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Estructura de Computadores 7.- E/S y dispositivos periféricos

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

Área de Arquitectura y Tecnologí Tecnología de Computadores

Contenido  Clasificación y tipos de periféricos  Módulos de E/S.  Instrucciones de E/S.  Técnicas de E/S.  E/S programada.  E/S mediante interrupciones.  E/S por DMA.

 E/S y unidad de control.

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Sistema de E/S  Conjunto de dispositivos periféricos junto con los elementos de interfaz (módulos de E/S).  Los periféricos se conectan al computador a través de módulos de E/S que actúan como interfaz.

CPU

P1 Área de Arquitectura y Tecnologí Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Estructura de Computadores – Entrada / Salida Curso 2005/2006

...

Módulo E/S 1

Memoria Principal

P2

...

Pk

Módulo E/S n Pj

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1

Dispositivos periféricos  Almacenamiento:  Discos.  Cintas.  Unidades CD.  Unidades DVD.  ...

 Comunicación:  Computador-Persona:  Ratón.  Monitor.  Teclado.  ...

 Computador-Computador  Adaptadores de red.  ...

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Periféricos: Características diferenciadoras  Velocidad de transferencia:  Muy diversa.  Suele ser bastante menor que la CPU.

 Modo de operación:  Muy diferente dependiendo del tipo de periférico.

 Ancho de palabra distinto del ancho del palabra del computador:  Los periféricos suelen tener ancho de palabra de byte.

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Comunicación CPU-Periférico  Los módulos de E/S unifican la “visión” que tiene la CPU de los periféricos.  La CPU interacciona con los módulos de E/S.  Los periféricos no se conectan directamente al computador (se conectan a través de módulos de E/S).

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2

Periféricos: Disco magnético  Plato circular con superficie que se puede magnetizar.  Magnetización  0 o 1.

 Un disco duro puede tener varios platos.  Cada superficie esta dividida en pistas.  Las pistas se dividen en sectores (unidad mínima de transferencia)  512 bytes

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Parámetros de un disco  Capacidad  C = 2 * Nplatos * Npistas * Nsectores * 512 bytes

 Velocidad de rotación  El disco está girando continuamente.  Velocidad de rotación (3600 rpm, 7200 rpm)

 Tiempo de acceso  Tb  Tiempo de búsqueda.  Tr  Tiempo rotacional (latencia).  Tt  Tiempo de transferencia.  Ta = Tb + Tr + Tt

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Tiempo de búsqueda  Tiempo necesario para mover la cabeza a la pista adecuada.  Np  Número de pistas atravesadas.  K  Constante que depende del disco.  Ta  Tiempo de comienzo (aceleración).  Tb = Np * K + Ta

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3

Tiempo rotacional  Tiempo que es necesario esperar hasta que el sector pase justo por debajo de la cabeza.  El tiempo rotacional medio se puede estimar como el tiempo necesario para dar media vuelta.  Ejemplo:  Vr = 7200 rpm = 120 rps  Tiempo de una vuelta  1/120 s = 8,3 ms  Tr = 0,5 * 8,3 ms = 4,15 ms

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Tiempo de transferencia  Tiempo que se tarda en transferir la información.  N  Número de bytes por pista.  R  Tiempo en dar una vuelta.  tr(sector) = (512 * R) / N

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Módulos de E/S  Elemento que media en la comunicación entre el procesador y un dispositivo.  Funciones:  Control y temporización.  Comunicación con el procesador.  Comunicación con los dispositivos.  Almacenamiento temporal de datos.  Detección de errores.

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Control y temporización  Coordinación de actividades y recursos.  Ejemplo: Control de transferencia de datos. 1. El procesador pregunta al módulo de E/S el estado del

dispositivo. 2. El módulo de E/S devuelve el estado del dispositivo. 3. El procesador solicita la transferencia del dato (si el

dispositivo está operativo y preparado). 4. El módulo de E/S obtiene un dato del dispositivo externo. 5. Los datos se transfieren desde el módulo al procesador.

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Comunicación  Con el procesador:  Información de control (READ, WRITE).  Datos.  Información de estado (READY, BUSY).  Reconocimiento de dirección.

 Con el dispositivo:  Señales de control.  Señales de estado.

propias de cada periférico

 Datos.

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Almacenamiento temporal de datos  Existe diferencia de velocidad entre los periféricos y el procesador.  El módulo de E/S dispone de una memoria intermedia (búfer) en la que se almacenan los datos.  El módulo de E/S opera tanto a la velocidad del procesador (o la memoria principal) como a la velocidad del periférico.

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Detección de errores  Errores:  Defectos mecánicos.  Defectos eléctricos.  Cambios accidentales en los bits durante la transmisión.

 El módulo de E/S dispone de mecanismos para:  Detección de los errores.  Notificación de los errores al procesador.

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Estructura simplificada de un módulo de E/S Registro de datos Datos

Registro de control Registro de estado

Líneas de dirección Líneas de control

Lógica de E/S

Datos

Lógica de interfaz de dispositivo externo

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Estado Control

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Instrucciones de E/S  Permiten realizar transferencia de una palabra entre el procesador y el módulo de E/S.

 Cuando se ejecuta la instrucción se deben generar los siguientes tipos de señal:  Señales de dirección.

 Instrucciones especializadas:

 Selección de periférico.

 IN  OUT

 Señales de datos.  Intercambio de datos.

 Instrucciones no especializadas:  MOVE

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 Señales de control.  Tipo de operación.  Sincronización.

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Direccionamiento de E/S  Cada dirección de E/S identifica una puerta de entrada/salida.  Un periférico puede tener varias puertas de E/S.  Cada puerta permite enviar y/o recibir información a nivel de

palabra.

 El conjunto de direcciones de E/S forma el mapa de E/S.

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Mapa común y mapa separado  Mapa separado:  Existen instrucciones independientes para E/S y para

memoria.  Una misma dirección puede referenciar a memoria o a E/S

(dependerá de la instrucción usada).

 Mapa común:  Las mismas instrucciones se usan para E/S y para memoria.  Cada dirección solo puede referenciar a memoria o a E/S.

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E/S programada  El procesador ejecuta una instrucción de E/S.  El módulo de E/S realiza la acción y activa los bits apropiados de su registro de estado.  El módulo de E/S no interrumpe (notifica) al computador cuando finaliza la acción.  El procesador es responsable de comprobar periódicamente el estado del módulo de E/S

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E/S programada Enviar orden de lectura al módulo de E/S

Leer palabra del módulo de E/S

Leer el estado del módulo de E/S

Escribir palabra en memoria

No preparado

Comprobar estado

Condición de Error

Preparado

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Fin

Si

No

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Ejemplo  Módulo de E/S  Registro de estado (dirección 1000)  0  Dispositivo preparado.  1  Dispositivo no preparado.

 Registro de datos (dirección 1001)  Registro de control (dirección 1002)  0  Leer en el periférico.  1  Escribir en el periférico.

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Ejemplo: Programa #Enviar orden de lectura li $t3, 1 li $t1, 0 sw $t1, 1002 # Leer el estado del periférico bucle: lw $t2, 1000 #Comprobar el estado beq $t3, $t2, bucle #leer el dato lw $t4, 1001 Área de Arquitectura y Tecnologí Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Estructura de Computadores – Entrada / Salida Curso 2005/2006

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E/S programada: Inconveniente  El procesador tiene que esperar hasta que la operación se ha completado.  Durante el tiempo de espera se está consumiendo CPU.  No se puede ejecutar ninguna otra acción hasta que no se ha completado la operación de E/S.

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E/S mediante interrupciones  Solución al inconveniente de la E/S programada.  El módulo de E/S interrumpe al procesador cuando está preparado para realizar la transferencia.  Permite que el procesador ejecute otras instrucciones hasta que se produzca la interrupción

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E/S mediante interrupciones Enviar orden de lectura al módulo de E/S

Otra cosa

Leer palabra del módulo de E/S

Interrup.

Leer el estado del módulo de E/S

Comprobar estado

Escribir palabra en memoria

Condición de Error

Fin

Si

Preparado No

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Procesamiento de la interrupción 1. El dispositivo envía una señal de interrupción al procesador. 2. El procesador termina la ejecución de la instrucción en curso y comprueba que hay una interrupción. 3. El procesador envía una señal de reconocimiento de interrupción al dispositivo. 4. El dispositivo desactiva su señal de interrupción.

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Procesamiento de la interrupción 5. El procesador se prepara para transferir el control, almacenando en la pila:  La palabra de estado.  El contador del programa.

6. El procesador carga en el contador de programa la posición de inicio de la rutina de tratamiento de interrupción solicitada. 7. Se ejecuta la rutina de tratamiento de interrupción y después se vuelve al programa en ejecución. Área de Arquitectura y Tecnologí Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Estructura de Computadores – Entrada / Salida Curso 2005/2006

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Cuestiones de diseño  Identificación del peticionario.  Selección de la rutina de tratamiento.  Desactivación de la solicitud de interrupción.  Superposición de peticiones.  Resolución de prioridades.  Anidamiento de interrupciones.

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Líneas de interrupción  Líneas de interrupción múltiples:  Una por periférico.  Simplifica la identificación del periférico que interrumpe.  Poco flexible.

 Línea de interrupción única:  Línea única compartida por todos los periféricos.  Biestable de inhibición de interrupciones (BGII).  La línea de interrupción se organiza en colector abierto para

que cualquier dispositivo la pueda poner a 0.

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Línea de interrupción única

5V INT

BGII INT1

INT2

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INT3

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Linea de interrupción única  Identificación del peticionario:  Es necesario interrogar a todos los periféricos para consultar

su estado  polling o muestreo.

 Prioridades:  Orden establecido por la rutina de tratamiento.

 Anidamiento de interrupciones:  No es posible.

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Líneas de interrupción y aceptación  Se añade línea de aceptación de interrupción (INTA).  INTA se usa como testigo, que se queda el dispositivo más prioritario.  La rutina de tratamiento sigue siendo única.  Sigue siendo necesario realizar muestreo.

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Interrupciones vectorizadas  Los periféricos que interrumpen suministran la dirección de su rutina de tratamiento.  Alternativas:  Direccionamiento absoluto: El dispositivo envía la dirección

absoluta de su rutina.  Direccionamiento relativo: El dispositivo envía un

desplazamiento con respecto a una dirección base conocida por la CPU.  Direccionamiento relativo indirecto: El dispositivo envía la posición relativa en una tabla de direcciones de rutinas.

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Prioridades y niveles de interrupción  Se necesitan mecanismos para pode inhibir las interrupciones de algunos dispositivos.  Mecanismos:  Biestable general BGII.  Asociar a cada nivel de interrupción un biestable de

inhibición de nivel (máscara de interrupción).  Usar un registro con el mínimo nivel que puede interrumpir.

 Pueden existir interrupciones no enmascarables.

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E/S mediante DMA  El módulo de E/S se comunica directamente con la memoria principal del computador.  Transferencia si intervención de CPU.

 Secuencia:  La CPU envía la información de la acción a realizar al módulo

de E/S.  El módulo de E/S realiza transferencias a/de memoria.  El módulo de E/S interrumpe a la CPU para indicar que la

operación ha finalizado.

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DMA: Información necesaria  Dirección de memoria principal.  Tipo de operación: lectura o escritura.  Número de datos a transferir.  Dirección en el periférico.

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DMA:Conflictos  Varios clientes (CPU/Módulo o Módulo/Módulo) pueden generar ciclos de acceso simultaneo a memoria.  Se necesitan mecanismo de resolución de conflictos:  Memoria multipuerta.  Robo de ciclo.

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Memoria multipuerta

CPU

Puerta 1

Memoria Principal

Puerta 2

Módulo E/S

Puerta 3

Módulo E/S

Puerta 4

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Módulo E/S

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Robo de ciclo  Memoria de puerta única compartida por CPU y periféricos.  El control de los buses pertenece a la CPU.  Un periférico puede solicitar un ciclo.  La CPU pierde un ciclo, cediéndolo al periférico.

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Robo de ciclo  El módulo de E/S solicita a la CPU un robo de ciclo (BREQ).  La CPU contesta mediante señal de aceptación (BACK).  La CPU comprueba la señal BREQ al final de cada fase.

 El módulo de E/S accede a memoria.  El módulo de E/S desactiva la petición (BREQ).  La CPU desactiva la concesión del ciclo (BACK).

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DMA: Modos  DMA simple:  Se roba un ciclo para cada transferencia.

 DMA a ráfagas:  Se roba un ciclo durante el que se realizan varias

transferencias.  Requiere que se igualen las velocidades de memoria

principal y módulo de E/S.  Más eficiente.

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Lecturas recomendadas  Fundamentos de los computadores de Miguel Capítulo 8

 Organización y arquitectura de computadores Stallings Capítulo 6

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