Interfaz de E/S y Controladores

Interfaz de E/S

• La CPU se comunica con el exterior a través de dispositivos de E/S.
• Periféricos: Dispositivos que permiten la comunicación de la CPU con el exterior.
• Estos se clasifican en:
  • Presentación
  • Adquisición
  • Soporte de información
  • Modificación del entorno
• Los controladores de Entrada/Salida actúan como mediadores entre la CPU y los periféricos.
• Los controladores son visibles a nivel de Lenguaje de Máquina como un conjunto de registros.

Funciones del controlador de E/S

• Facilita el diálogo entre la CPU y los periféricos.
• Controla el periférico según las peticiones de la CPU.
• Facilita la transferencia de información entre la CPU y el periférico.

Registros del controlador de Entrada/Salida

• Registro de estado:
  • Mantiene información sobre el estado del periférico.
  • La CPU consulta este registro para conocer el estado.
• Registro de control:
  • La CPU escribe información para indicar cómo debe trabajar el periférico.
• Registro de datos:
  • El controlador almacena la información recibida del periférico para que la CPU la recoja.

Entrada/Salida mapeada en memoria

• Cada registro del controlador tiene una dirección física en el mapa de memoria.
• Los registros se leen y escriben como si fueran posiciones de memoria.
• Ventajas:
  • Se accede a los registros del controlador como si fueran posiciones de memoria física.
• Desventajas:
  • Se pierde espacio para memoria física.
  • Es difícil impedir que usuarios accedan a los registros de E/S.

Entrada/Salida independiente o no mapeada en memoria

• Existe una señal en el bus (IO/M) que indica si la dirección generada corresponde a memoria o a un registro del controlador de E/S.
• IO/M distingue entre un mapa de memoria y un mapa de Entrada/Salida.
• Cuando IO/M = 0 las direcciones corresponden a memoria física.
• Para acceder a los registros de E/S se utilizan instrucciones especiales (IN, OUT, etc) que hacen que IO/M = 1.
• Ventajas:
  • No se gasta espacio de memoria física
  • Es fácil impedir él acceso al área de E/S
• Desventajas:
  • Se necesitan instrucciones especiales (IN, OUT)
• Algunas máquinas combinan ambas técnicas, como los ordenadores personales que mapean la pantalla en memoria pero no el teclado.

Clasificación de los controladores de E/S

• No multiplexados:
  • Controlan un solo periférico
  • Se usan cuando el periférico es rápido (discos rápidos, pantallas gráficas)
• Multiplexados:
  • Controlan varios periféricos
  • Pueden multiplexar por caracteres (periféricos lentos como teclados)
  • Pueden multiplexar por bloques (periféricos de velocidad intermedia)

Comunicación y Sincronización en las Operaciones de E/S

• Tres preguntas clave para entender las operaciones de E/S:
  • ¿Cómo se realiza la transferencia de información?
  • ¿Cuándo se realiza la transferencia?
  • ¿Quién realiza la transferencia?
• Cómo se realiza la transferencia de información:
  • Depende del periférico
  • En una impresora, se comprueba el registro de estado, se escribe el código ASCII en el registro de datos y se realiza una operación STROBE.
• Cuándo se realiza la transferencia:
  • La CPU se sincroniza con los dispositivos de E/S
  • Sincronización por encuesta: La CPU consulta constantemente los registros del controlador para detectar la disponibilidad del dispositivo.
  • Sincronización por interrupción: El controlador avisa a la CPU cuando el periférico está preparado mediante una señal de interrupción.
• ¿Quién realiza la transferencia?:
  • La CPU puede realizar todas las operaciones involucradas.
  • La CPU realiza una parte y un circuito externo especializado el resto.

Entrada/Salida por encuesta

• La CPU detecta la disponibilidad del dispositivo consultando constantemente su registro de estado.
• Dos tipos de encuesta:
  • Continua: El programa principal ejecuta un bucle hasta que el dispositivo esté preparado.
  • Periódica: El programa principal realiza otras acciones y vuelve a analizar el estado del periférico.

Entrada/Salida por interrupción

• Una interrupción es una excepción que ocurre en el computador
• Tipos de excepciones:
  • Síncronas (de software): Causadas por la ejecución de una instrucción.
    • TRAPS: La instrucción se ejecuta totalmente y se llama a una rutina de atención.
    • FALLO: La instrucción queda a medio ejecutar, pero se puede reiniciar tras resolver el fallo.
    • ABORTO: La instrucción queda a medio ejecutar y no se puede reanudar el programa.
  • Asíncronas (de hardware): Independientes de la ejecución del programa.
    • FALLOS HARDWARE: Caída de tensión, rotura de bus.
    • ENTRADA/SALIDA: Provocada por un dispositivo de E/S que requiere atención (Interrupciones).
• La CPU tiene entradas para que los dispositivos interrumpan.
• Cuando el periférico esta listo activa una salida INT que está conectada a una de las entradas de la CPU.
• Si se acepta la interrupción se abandona la tarea y se pasa el control a otra rutina que hace la transferencia.
• Ventaja: La CPU no pierde tiempo realizando consultas.
• Inconveniente: Complicación del 'hardware'.

Atención de una interrupción

• La secuencia de eventos es:
  • Detección de la petición.
  • Salvar el estado del programa interrumpido.
  • Identificación de la rutina a ejecutar.
  • Ejecución de la rutina de atención a la interrupción.
  • Retorno al programa interrumpido.
• Detección de la petición:
  • Los dispositivos comparten líneas de petición.
  • La CPU muestrea periódicamente las señales.
• Habitualmente la CPU dispone de algún mecanismo que le permita protegerse contra interrupciones
• IF es el interrumplag, si está inhibida/deshabilitada se puede evitar estas interrupciones.
• Existen INM entradas de petición de interrupción que no se puede enmascarar (NMI Non Maskable Interrupt).
• Si tenemos varias señales se utiliza una mascara.
• Una vez aceptada la interrupción no se atenderá las nuevas.
• Salvar el estado:
  • Se ha de reanudar la rutina y guardar el estado del programa interrumpido.
  • Información necesaria:
    • PC
• PSW
  • Se pueden salvar en posiciones fijas
• Identificación de la rutina:
• Se identifica por:
  • Software, que se realiza una rutina de atención general determinada.
  • Hardware, la CPU de una entre varias líneas con señales de reconocimiento.

Interrupciones multinivel

• La CPU puede ser interrumpida mientras ejecuta una rutina de atención previa.
• Las peticiones de interrupción se ordenan por prioridad.
• Con interrupciones permitidas se da prioridad a tareas actuales.

Controlador de interrupciones

• Gestiona las peticiones de interrupción
• Recibe peticiones y determina en función de la prioridad.
  • Enmascarar interrupciones
  • Programar dinámicamente prioridades
  • Encadenar varios controladores

El concepto STROBE

• La CPU indica al controlador que está lista para una nueva transferencia de E/S (escritura de un bit dado del registro de control de 1 a 0).

Acceso directo a Memoria (DMA)

• En las transferencias de datos la operación E/S usa más tiempo si la operación pasa por la CPU
• Para solucionar esto se utiliza KDMA Controlador de Acceso Directo a Memoria
• Es útil cuando los datos se encuentran en posiciones de memoria consecutivas.
• Durante este proceso el procesador programa el controlador KDMA.
• Las tareas del periférico se controla con:
  • Direccionamiento del bus
  • Cantidad del bus
  • Lee los datos después de leer estos
• Dos tipos de memoria
  • Puerto múltiple donde cada bus una KDMA controla cada bus. Permite una serie de transferencias, la CPU puede seguir con su tara.
• Puerto único con buses compartidos, donde la CPU y el KDMA comparten buses.

El controlador DMA

• El funcionamiento se programa por registros Registro de dirección Registro de longitud (contador) Registro de control BR Request BG Grant IRQ Request Estos pasos son:
• Iniciación de la transferencia por parte de la CPU
• Transferencia de datos
• Finalización de la transferencia

Tipos de transferencia DMA

• Robo de ciclo, ya que roba ciclos al CPU para acceder a la memoria.
• Por ráfagas o por bloque, el KDMA no abandona su trabajo hasta un ciclo completo.

Un ejemplo de utilización del DMA

Se necesita leer información de un sector

• Se mira si el controlador se preparó

• Numero de pista

• Número de sector

• Los pasos la CPU o acciones

• Una vez enviada la orden de lectura El programa se da a conocer si se sincorniza por encuesta o interrupción.

• Parte del trabajo es de KDMA: quien realiza transferencias en memoria y periféricos

• En caso de la CPU quiere leer un sector se debe:

• Enviar al KDMA la dirección inicial

• Enviar la cantidad de datos a leer

Sincronización DMA

• Por encuesta donde la orden de lectura encuesta el contolador de KDMA
• Por interrupcion donde avisa al procesador mediante una interrupción

Procesadores especializados en E/S

• En un micro ordenador está la EU que ocupa programas de aplicación y programas E/S
• Se necesita un bus utilizado por :
• CPU
• Controlador DMA
• Periféricos
• Evidente el bus del sistema no es bueno Para mejorar esto se usan procesadores especializados:
  • Descargar a la CPU
  • Las tareas las gestionará el IOP Processor
• IOP aumenta el rendimiento del sistema ya que :
  • Porque la arquitectura del IOP está hecha para el proceso de E/s
  • Libera a la CPU de problemas
• CPU y IOP actuan paralelamente
• Un ejemplo el IOPi8089 trabajo en 2 modos
• LOCAL Ambos procesadores comparten bus y periféricos se aplica la tecnica de KDMA el IOP activa la peticion y da permiso. -REMOTO Ejecuta los programas en memoria local.