ENTRADA/SALIDA. Conectar con el mundo real CPU. Arquitectura de Ordenadores. Entrada/Salida. Arquitectura de Ordenadores. Entrada/Salida MEMORIA

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1 ENTRADA/SALIDA UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 1 Conectar con el mundo real MEMORIA DATAPATH R0 R1 PC LO L1 LPC MX OA TPC MY X Y RA TAD LA SALIDA TRA TA TDD CONTROL IR LIR0 LIR1 L0 L1 LA LPC TRA TA TPCTADTDD OP R/W CS s ENTRADA UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 2

2 Ejemplo de entrada/salida muy sencilla Cuando la lee el bit 1 de la dirección 0, lee el estado del interruptor (1-abierto 0-cerrado) Cuando la escribe en el bit 0 de la dirección 0, enciende (1) o apaga (0) la bombilla) 5 V R/W CS A0 A La (y por tanto mi programa) ve el mundo como posiciones en el mapa de memoria donde se lee y escribe D1 D0 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 3 Mapa de memoria básico Mapa de memoria ROM Bus de datos Bus de direcciones Bus de control RAM FFFFF Teclado Pantalla Disco duro HD UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 4

3 Organización física simple MEMORIA Tarjeta controladora del dispositivo (IOC) Bus del sistema HD Dispositivo (unidad) de entrada/salida (Periférico) del sistema UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 5 Organización del periférico Dispositivo Parte mecánica Ejemplo: disquetera Motor que hace girar el disco a velocidad constante Motor para posicionar el brazo de lectura Parte electrónica Electrónica para poder grabar y leer los datos Electrónica de accionamiento de los motores Controlador Electrónica que hace ver al dispositivo como un conjunto de registros desde la. Simple o complicado dependiendo del dispositivo Interfaz con el bus Controlador del propio periférico UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 6

4 Interfaz entre periféricos y bus del sistema Cada periférico tiene una interfaz compatible con el bus del sistema que permite ver al periférico desde la como un conjunto de registros. INTERFAZ Bus del sistema Interfaz Módulo de Memoria Registro de Estado Registro de Comandos Registro para dato de entrada Interfaz Interfaz Módulo de Memoria Controladora Disco duro Bus del periférico Registro para dato de salida HD Interfaz Tarjeta gráfica UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 7 Organización del mapa de memoria Cómo interconectar al bus de datos y direcciones de la? Memoria RAM Memoria ROM Periférico 1 Periférico 2 Bus de control CS ROM Bus de datos RAM Bus de Direcciones + Control Lógica Decodificación Posible opción: división en bloques de tamaño igual CS CS CS Perif. 1 Perif. 2 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 8

5 Programación básica del periférico Escribir comando para inicializar periférico Escribir comando para pedir dato al periférico (teclado) Leer registro de estado para ver si ha llegado el dato No Ha llegado? Leer dato del registro de entrada programada (Polling) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 9 Interrupciones Problemas de la entrada/salida programada o por polling (consulta continua del registro de estado) La no puede hacer otros trabajos La espera durante horas a que se teclee una tecla Solución: Interrupciones La sigue con otros trabajos Cuando el periférico está listo avisa a través de la línea de interrupción a la para que lea el dato BUS MEM INTR 2 INTR 1 E/S 1 E/S 2 Las líneas de interrupción forman parten del bus de control dentro del bus de sistema UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 10

6 INTR 2 Funcionamiento de la interrupción PROGRAMA Instrucción 1 Instrucción 2 Instrucción 3 Instrucción 4 Instrucción 5 Instrucción 6 Instrucción 7 Instrucción 8 Instrucción 9... Se salva PC en el stack Vector interrupción 2 Se recupera PC del stack RUTINA DE INTERRUPCIÓN Instrucción 1 Instrucción 2 Instrucción 3 Instrucción 4 Instrucción 5... IRET BUS Stack Tabla de vectores de interrupción MEM Programa Rutina INTR1 Rutina INTR2 PC Programa Dirección INTR1 Dirección INTR2 PC INTR 2 INTR 1 E/S 1 E/S 2 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 11 DMA Polling e interrupción necesitan de la intervención de la Ejemplo: pasar un dato de la controladora del disco duro a la memoria La lee de la controladora el dato La escribe el dato en la memoria DMA (Direct Memory Access) permite pasar los datos directamente del periférico a la memoria sin intervención de la El controlador de DMA (DMAC) es el encargado de realizar la operación de DMA entre periférico y memoria El controlador de DMA toma de forma momentánea el control del bus Toda la operación está controlada por la, a través de programa con instrucciones adecuadas para la programación del controlador de DMA Memoria DMAC IOC Dispositivo UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 12

7 Operación de DMA simple Periférico está preparado para recibir un dato de la memoria y solicita operación de DMA a DMAC La (mi programa) configuró previamente el periférico para recibir datos por DMA DMAC pide el control del bus a la (Bus request) deja de controlar el bus y avisa a DMAC DMAC pone dirección del dato a leer de memoria La programó en el DMAC una dirección de inicio y un número de transferencias Memoria pone dato en el bus DMAC ordena a la interfaz del periférico leer del bus Interfaz del periférico lee el dato del bus DMAC avisa a la para que recupere el control del bus A así nuevamente: DMAC va robando ciclos de la de control del bus de sistema hasta realizar toda la transferencia Otros modos: bloque o ráfaga UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 13 Resumen métodos para realizar la Polling Simple, no necesita hardware adicional Desperdicio de ciclos de reloj, el periférico debe esperar Interrupción Atención inmediata al periférico Complejo, se necesita hardware adicional (líneas adicionales, controlador de interrupciones) DMA Velocidad al comunicar directamente la memoria con el periférico Complejo de programar, hardware adicional (DMAC) Metodos de conexión de la entrada/salida Mapa de memoria Mapa auxiliar de entrada/salida (Típico de la familia Intel) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 14

8 Procesadores de La delega en un procesador (IOP) la entrada/salida Desde la se sigue viendo como una posición de memoria más. La manda comandos al IOP y éste los ejecuta. Los programas que debe ejecutar el IOP correspondientes a esos comandos puede estar en la memoria principal o en una memoria propia del procesador (ROM) Más adelante se tratará en profundidad los buses Mem IOP Bus de la Bus de los dispositivos I/O bus D1 D2 Dn UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 15 Gestión de prioridades Varios periféricos conectados: A quién se atiende primero? programada Orden en el polling por interrupción: la línea de interrupción puede ser activada por varios periféricos Software: Polling Orden en la consulta del registro de estado de los periféricos Hardware: Daisy-chain» Está cableado el orden en la atención a los periféricos Unidad de control programada» Un controlador dirime a qué periféricos se atiende primero por DMA Es un caso semejante al de interrupción UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 16

9 Daisy-chain Uno o varios periféricos activan la línea de Interrupción La activa la línea ACK para indicar al primer dispositivo conectado que ponga la dirección de la rutina de interrupción a ejecutar (o vector) Cuando este periférico ha sido atendido por la rutina de interrupción, o no ha provocado la interrupción, activa la línea ACK del siguiente periférico. Dispositivo1 Mayor Prioridad Dispositivo2 DispositivoN Menor Prioridad ACK INT ACK Vector Int ACK UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 17 Controlador de interrupciones UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 18

10 Intercambio de información entre (Mem) e IO Tres niveles Transferencia elemental (Carácter) Envío o recepción de un solo dato (byte) (dato o comando) Se realiza por hardware Su duración es del orden de una instrucción No depende de la velocidad del periférico Transferencia de bloque (Sector) Mover un bloque de datos Por software o por DMA La duración la marca el periférico Se realiza a base de transferencias elementales Operación de (Fichero) Transferencia completa del mensaje entre (memoria) y periférico Por software, basado en los niveles de bloque y elemental La velocidad la marca el periférico Tratamiento de errores UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 19 Cómo es el mundo de los periféricos? Device Behavior Partner Data rate (KB/sec) Keyboard input human 0.01 Mouse input human 0.02 Voice input input human 0.02 Scanner input human Voice output output human 0.60 Line printer output human 1.00 Laser printer output human Graphics display output human 60, Modem input or output machine Network/LAN input or output machine Floppy disk storage machine Optical disk storage machine Magnetic tape storage machine Magnetic disk storage machine , UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 20

11 Rendimiento de la entrada/salida De qué depende el rendimiento? Sistema de memoria Buses de interconexión Controlador del periférico Periférico Driver del sistema operativo para controlar el periférico Eficiencia del software utilizando el periferico 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 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 21 Importancia de la entrada/salida Aplicación general Aplicación WWW UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 22

12 Programa y periféricos Programas de usuario y aplicaciones Llamadas al sistema Control Control de de dispositivos dispositivos Núcleo del SO (Linux) Disp.de Caracter Disp.de Bloque Disp.de RED WM Manejadores de dispositivos Teclado Discos RED Sistema Gráfico Periféricos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 23 Modelo de programación y gestión de la IO Cola Un consumidor y un productor que trabajan a muy diferente velocidad : 1 GB/seg Disco duro: 20 MB/seg Una cola o buffer para adaptar las velocidades Nunca se debe rebasar el tamaño del buffer Ancho de banda o throughput: número de elementos retirados por unidad de tiempo Latencia: tiempo que media entre la entrada y la salida del elemento La capacidad de consumo debe ser mayor que la de producción El productor produce a ráfagas, que no desbordan la cola pero con una velocidad de pico mayor que la de consumo Productor Cola Consumidor UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 24

13 Ejemplo de periférico: Disco duro Almacenamiento masivo y barato de la información Lento: nivel bajo de la jerarquía de memoria UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 25 Evolución de los discos duros (historia de IBM) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 26

14 Cómo es un disco duro por dentro? UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 27 Organización lógica del disco duro Pista Sector Cilindro UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 28

15 Detalles físicos del disco duro UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 29 Números en un disco duro Leer un dato tiene cuatro fases: 1. Colocar la cabeza lector en la pista adecuada (SEEK TIME) Entre 5 y 15 ms 2. Rotar para colocar la cabeza sobre el sector adecuado (ROTATIONAL LATENCY) 5000 rpm a rpm Entre 12 y 4 ms 3. Leer el sector (TRANSFER TIME) Tamaño del sector típico: 1 KB Entre 10 y 30 MB/seg 4. Transferir el sector al bus correspondiente del ordenador (CONTROLLER TIME) SCSI, IDE Entre 10 y 30 MB/seg Tiempo medio de acceso (SEEK TIME) + (ROTATIONAL LATENCY) + (TRANSFER TIME) + (CONTROLLER TIME) Pista Sector Cabeza Valores medios Cilindro Disco UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 30

16 Ejemplo de cálculo de tiempo de acceso Datos del disco duro Tamaño del sector: 512 bytes 5400 RPM Tiempo de búsqueda medio (Seek time): 12 ms Velocidad media de transferencia: 4 MB/seg Overhead del controlador: 1 ms Cálculo: Latencia máxima en la rotación: 60/5400 = 11 ms Latencia media de rotación: 5.5 ms Tiempo de transferencia del sector: 0.512/(4*1024)= 0.1ms Tiempo medio de acceso: 12ms + 5.5ms + 0.1ms + 1ms = 18.6 ms Ancho de banda: depende de dónde estén las cabezas Seek Time y Rotational Latency establecen la velocidad media Controlador establece la velocidad máxima UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 31