Diversidad de Dispositivos de E/S: Características, Desafíos y Arquitectura

Características de la Diversidad de Dispositivos de E/S

Los dispositivos de entrada/salida (E/S) presentan una amplia diversidad en cuanto a:

• Velocidad de transferencia de datos:
  • Teclado: < 100 bps (bits por segundo)
  • Escáner: 10⁷ bps
  • Pantalla gráfica: 10⁹ bps
• Unidades de transferencia:
  • Flujo de caracteres o bytes (E/S a terminal)
  • Bloques mayores (E/S disco)
• Representación de los datos: Formas de representación distintas.
• Contenedores de información: Volúmenes dispares (desde disquetes hasta unidades de Terabytes).
• Propósito de los dispositivos:
  • Almacenar información
  • Procesamiento gráfico
  • Salida impresa
  • Etc.

Desafíos Generados por la Diversidad de Dispositivos

Esta amplia diversidad genera dificultades como:

• Control de las distintas velocidades de transferencia: Necesidad de protocolos de comunicación en consonancia.
• Gestión de errores y paridad: Implementación de controles adecuados.
• Unidades de transferencia: Implementación de técnicas de transferencia en ráfagas, de carácter en carácter, etc.
• Representación de los datos: Asegurar el formato adecuado de los datos.
• Contenedores de información con volúmenes dispares: Consideraciones de disponibilidad de capacidad.
• Propósito de los dispositivos: Implementar funciones adecuadas a la funcionalidad de los dispositivos.

Organización Hardware de E/S: Diseño General

A pesar de la disparidad, la comunicación se basa en un diseño común:

• La comunicación entre dispositivos de E/S, memoria y CPU se realiza a través de buses.

Diseño Simple: Bus Único

• Un único bus para todas las comunicaciones.
• Un árbitro de bus (dispositivo especial) decide quién ocupa el bus y qué dispositivo puede comunicarse en cada ciclo.
• En el bus de direcciones se coloca la dirección del dispositivo con el que se desea comunicar.

Evolución del Diseño: Multibuses

Permite la comunicación simultánea entre dispositivos. Razones para el cambio de diseño:

• La CPU trabaja muy frecuentemente con memoria, ocupando mucho el bus.
• Los dispositivos de E/S emplean la memoria menos frecuentemente, pero algunos son más críticos en tiempo.
• Necesidad de un diseño que permita:
• Paralelismo: CPU ↔ Puerto serie y Disco ↔ Memoria.
• Mejores rendimientos y adecuación a los dispositivos: Adecuar buses a velocidades y modos de transferencia de los dispositivos.

Evolución del diseño:

• Separar los buses de comunicación entre CPU y memoria.
• Otorgar un canal de comunicación exclusivo (Arquitectura Multibus).

Protocolos de Comunicación en E/S

E/S Programada (PIO)

• Protocolo simple y fácil de implementar.
• Operación de salida:
  1. CPU envía comando de salida.
  2. CPU envía dato al buffer del dispositivo.
  3. CPU espera en un bucle la terminación, consultando el registro de control.
• Operación de entrada:
  1. CPU envía comando de entrada.
  2. CPU lee el registro de datos.

Sondeo

• Después de iniciada la operación de E/S, la CPU vuelve a la ejecución de procesos.
• Tras un breve intervalo, la CPU comprueba si el módulo ha completado la operación.
• Operación de entrada: En el tiempo de sondeo, analiza los registros de control para saber si existe algún tipo de comunicación del módulo de E/S.

Interrupciones

• Los números de interrupción son configurables.
• Después de iniciada la operación de E/S, la CPU vuelve a la ejecución de procesos.
• Cuando finaliza la operación, el dispositivo emite una interrupción.
• La CPU procesa la rutina de interrupción para finalizar el tratamiento de la E/S.
• Operación de entrada: El módulo de E/S genera una interrupción y la CPU procesa la rutina de interrupción.
• Dificultades y problemas:
  • Se pueden generar interrupciones mientras se está tratando una interrupción.
  • Se debe mantener un control de prioridades en las interrupciones.

DMA (Acceso Directo a Memoria)

• Permite a los módulos de E/S leer y escribir directamente en memoria sin que los datos transiten por la CPU.
• Útil en dispositivos con alta carga de transferencia (discos, tarjetas gráficas).
• Se puede utilizar en conjunción con las interrupciones.

Funciones Específicas de los Dispositivos de E/S

• Velocidad del dispositivo: Adaptación a las diferentes velocidades de los dispositivos.
• Exclusión mutua: Garantizar que solo un dispositivo acceda a un recurso a la vez.
• Sentido único: Controlar la dirección del flujo de datos en dispositivos unidireccionales.
• Buffers: Zonas de memoria para albergar temporalmente la información durante las transferencias.
• Caché: Zonas de almacenamiento de mayor velocidad que guardan copias de los datos del dispositivo para facilitar el acceso a la información.