Gestión del sistema de entrada / salida

Generalidades Un controlador de E/S no es simplemente una conexión física entre un dispositivo externo y el bus del sistema, sino que contienen cierta “inteligencia”, es decir que dispone de lógica necesaria para realizar una función de comunicación entre los periféricos del controlador y el bus.

Generalidades Los motivos por los que los periféricos no se conectan directamente al bus del sistema son las siguientes. Existe una gran variedad de periféricos con diversos métodos de operación. La velocidad de transferencia de datos de los periféricos suele ser mucho menor que la de la memoria con la CPU. Los periféricos a menudo utilizan formatos de datos y longitudes de palabras distintas a del computador.

Generalidades Estas razones justifican la existencia de los controladores de E/S que tienen dos grandes funciones. Comunicarse con la CPU y la memoria a través del bus del sistema. Comunicarse con uno o varios dispositivos mediante enlaces de datos adaptados a cada periférico.

Clasificación En este sentido amplio los periféricos se pueden clasificar en cuatro categorías. Adaptados al usuario. Apropiados para comunicar información al usuario. Ejm. Consolas de trabajo, terminales de video y las impresoras. Adaptados a la maquina. Permiten comunicarse con el sistema. A este tipo pertenecen las unidades de disco. De comunicación. Preparados para transmitir información a dispositivos remotos. De interacción con el medio externo. Usados para transmitir información a elementos actuadores y recibir información de elementos sensores en un sistema de control, en el que el computador actúa como controlador

Diferencias entre los dispositivos de e/s Se puede citar las siguientes: Velocidad de transferencia. Aplicaciones. Unidad de transferencia. Modo para transferir los datos: Orientados a bloques. Orientados a caracteres.

Orientados a bloques Los datos se transfieren en bloques de información cuyas características básicas son: Los bloques son normalmente de tamaño fijo. Es posible leer o escribir en un bloque de forma independiente de los demás. Los datos se referencian o direccionan dando el numero del bloque que se desea transferir.

Orientados a caracteres Los datos se transfieren como una cadena de caracteres. Ejm. Los terminales, impresoras, puertos de comunicación, ratones, etc.) Las características básicas son las siguientes. No están sujetos a una estructura de bloques. No se pueden utilizar direcciones. No es posible realizar operaciones de búsqueda.

Naturaleza de un dispositivo externo La comunicación se efectúa mediante señales de datos, control y estado. Las señales de control determinan la función que realiza el dispositivo. Enviar el dato al controlador de E/S (leer). Aceptar el dato del controlador de E/S (escribir). Realizar alguna función de control particular. Ejm. Posicionar cabeza de un disco.

Técnicas por las que el controlador de E/S interacciona con el computador E/S controlada por programa E/S por interrupciones. Acceso directo a memoria (DMA) Procesador de E/S(PE/S)

Controlador de E/S Es el módulo del computador responsable del control de un o más dispositivos externos y del intercambio de datos entre dichos periféricos con la memoria principal o con los registros de la CPU. Sus principales funciones son las siguientes: Control y temporización Comunicación con la CPU Comunicación con el dispositivo externo Almacenamiento temporal de datos Detección de errores

Ejemplo Control de transferencia de datos entre un dispositivo externo y la CPU necesita la siguiente secuencia de pasos. La CPU pide al controlador de E/S que compruebe el estado del dispositivo al que esta conectado. El controlador de E/S devuelve el estado del dispositivo. Si el dispositivo esta operativo y preparado para transmitir, la CPU solicita la transferencia del dato mediante una orden al controlador de E/S El controlador de E/S obtiene el dato del dispositivo externo. El dato se transfiere desde el controlador de E/S a la CPU

Controlador de E/S Una tarea esencial de un controlador de E/S es el almacenamiento temporal de datos. La necesidad de esta función surge por las diferentes velocidades de transferencia de datos. Dispositivo Transferencia de datos(bytes/seg.) Instrumentos de medida 0.1 – 1000 Pantalla (en modo texto) 10 – 2000 Impresora de línea 220 – 88000 Línea de comunicación 30 – 200K Cinta magnética 15 – 3M Disco magnético 30K – 10M Memoria principal 1M – 100M

Estructura del controlador de E/S Los controladores de E/S varían en complejidad y en el número de dispositivos externos que pueden controlar. A continuación se muestra un diagrama genérico de un controlador de E/S.

Estructura del sistema de E/S La CPU además de comunicarse con la unidad de E/S también debe hacerlo con la unidad de memoria. Se comunica por medio de los buses y de tres maneras. Utilizar dos buses independientes, uno para memoria y otro para el sistema E/S Utilizar un bus común para la memoria y el sistema de E/S, pero con líneas de control independientes para cada uno. Utilizar un único bus con líneas de control también comunes

E/S controlada por programa Cuando se emplea la E/S por programa, es el computador quien adapta su velocidad de trabajo a la del periférico. Se utiliza cuatro ordenes De control. Para que active un periférico y decida que hacer. De comprobación. Para verificar diferentes condiciones de estado. De lectura. El controlador obtiene un dato del periférico y lo coloque en un registro interno. De escritura. Realiza el proceso inverso de las ordenes de lectura.

lectura mediante E/S controlada por programas La desventaja esta en el que el computador no realiza ningún trabajo útil mientras permanece en el bucle de espera, y este hecho son periféricos lentos puede repetirse miles de veces.

E/S por interrupciones La idea básica consiste en eliminar el bucle de espera. La CPU envía una orden de E/S al periférico y prosigue con la tarea que estaba ejecutando, en lugar de quedarse esperando a que se efectué la operación de E/S. Cuando el periférico esta preparado para intercambiar información, fuerza una interrupción en la tarea que realiza la CPU para que atienda a la operación de E/S. En ese momento la CPU realiza la transferencia de datos y a continuación sigue ejecutando el programa que había interrumpido.

Mecanismo básico de interrupción

tratamiento de una petición de interrupción Secuencia de pasos en el tratamiento de una petición de interrupción por parte de un único periférico. Activar el sistema de interrupciones en la CPU. El periférico activa la línea de petición de interrupción P1 cuando esta preparado para comunicarse con el computador. La CPU suspende en ese momento la ejecución del programa en curso. La CPU inhibe las interrupciones (bit de máscara) y comienza a ejecutar el programa de servicio de la interrupción. Se informa al periférico de que se ha reconocido su petición de interrupción. Una vez finalizado el programa de servicio de la interrupción, se activa de nuevo el sistema de interrupciones que se había inhibido en el paso 4. La CPU continua la ejecución del programa interrumpido en el punto en el que lo dejo.

Acceso directo a memoria (DMA) Necesita de un modulo adicional conectado al bus del sistema. El controlador DMA. El controlador DMA contiene al igual que el controlador de E/S un registro de datos, pero además tiene un registro de dirección y un registro de contador de palabras. En resumen, cuando la CPU desea leer o escribir un bloque de datos emite una orden al controlador DMA enviándole la siguiente información. Si la operación de E/S es de lectura o escritura La dirección del periférico. La posición de comienzo en memoria de donde hay que leer o donde hay que escribir. El número de palabras que se tienen que leer o escribir LA CPU delega esta operación de E/S al DMA, en este sentido este modulo se encarga de estas funciones.

Diagrama de un controlador DMA

Procesador de E/S Se potencia al controlador de E/S para convertirlo en un procesador con un conjunto de instrucciones especializadas en operaciones de E/S. La CPU dirige al procesador de E/S para que ejecute un programa de E/S que este residente en la memoria. El PE/S busca y ejecuta ese programa sin la intervención de la CPU y permite a la CPU especificar una secuencia de actividades de E/S que solo interrumpe cuando se ha ejecutado la secuencia completa. El PE/S tiene una memoria local y se puede considerar que es un computador. Con esta arquitectura se consigue controlar un gran número de periféricos con una intervención mínima de la CPU.

Diagrama de un computador con un PE/S