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[ Arquitectura de Computadores ] INTERFACES Y COMUNICACIONES Präsent ation 1 Arquitectura de Computadores

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  • [ Arquitectura de Computadores ]

    INTERFACES Y COMUNICACIONESPrsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresClasificacin de los dispositivos E/S [Stallings]:

    1. Dispositivos legibles por los humanos: apropiados para la comunicacin con el usuario (mouse, teclado, monitor, impresora)

    2. Dispositivos legibles por mquina: adecuados para comunicarse con equipos electrnicos (discos, cintas)

    3. Dispositivos de comunicaciones: apropiados para comunicarse con dispositivos lejanos (modem, tarjeta Ethernet).

  • [ E/S ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresDiferencias de los dispositivos E/S:

    Aplicaciones (ej: disco que almacena archivos, disco que almacena pginas de memoria virtual)

    Complejidad del control (ej: impresora vs. disco)

    Unidad de transferencia (bytes o bloques)

    Representacin de los errores (check sum, codificacin)

    Condiciones de error (cmo y qu se informa)

    Velocidad de los datos (diferencia en varios rdenes de magnitud)

  • [ E/S ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresTarjeta posteruir Sun Gigaplane XB:Bus PCI

    1010 1011 1012Velocidades de datos de dispositivos

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresVelocidades de datos de dispositivosIntroduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresClasificacin de los dispositivos E/S [Tanenbaum]:

    Dispositivos de bloques: dispositivos que almacenan la informacin en bloques de tamao fijo (discos)

    Dispositivos de caracteres: maneja la informacin mediante un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques (mouse, teclado, impresora)Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresObjetivos del diseo de dispositivos E/S:

    1. Eficiencia:La mayora de los dispositivos son muy lentos en comparacin con la memoria y la CPU.Se usa multiprogramacin para aprovechar los tiempos de espera.Intercambio se usa para introducir ms procesos listos para la ejecucin.El principal esfuerzo en el diseo de E/S ha sido crear esquemas que mejoren su eficiencia.El rea que ha recibido ms atencin ha sido el disco duro, su rapidez no ha evolucionado de la misma manera que la velocidad de las CPUs y memorias.

    Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresObjetivos del diseo de dispositivos E/S:

    2. Generalidad:

    Se desea que se gestionen todos los dispositivos de una manera uniforme

    As se oculta la mayora de detalles de la E/S con en rutinas de bajo nivel, de forma que los procesos contemplen los dispositivos en trminos de funciones generales (leer, escribir, abrir, cerrar, etc.)

    Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresControladoras de dispositivos:

    Los dispositivos de E/S tienen componentes- mecnicos- electrnicos

    El componente electrnico se denomina:- controladora de dispositivo o- adaptador de dispositivo( device controller)

    Muchas veces la controladora es capaz de manejarmltiples dispositivos idnticos.

    Muchas veces la controladora adopta un estndar (discos IDE o SCSI)

    Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresFunciones tpicas de las controladoras de dispositivos:

    Convertir un flujo de bits en serie en un bloque de bytes

    Corregir errores si es posible

    Copiar datos a la memoria principal

    Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresControladora de dispositivos:

    La controladora tiene registros que le sirven para comunicarse con la CPU.

    Al escribir:- para suministrar datos- para leer datos- encender o apagar dispositivo- etc.

    Al leer:- para averiguar el estado del dispositivo

    Adems la controladora por lo general tiene un bfer.

    Introduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresManejo de los registros:

    a) Espacio de E/S y de memoria aparteIntroduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresManejo de los registros:

    b) E/S con correspondencia en memoriaIntroduccin

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresManejo de los registros:

    c) hbridoIntroduccin

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de ComputadoresExisten tres tcnicas para realizar la E/S:

    E/S programada

    E/S dirigida por interrupciones

    E/S por acceso directo a la memoria

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores1. E/S programada:

    El dispositivo E/S realiza la accin (no la CPU) colocando los bits necesarios en sus registros de status.

    No hay interrupciones.

    La CPU chequea los bits de status continuamente.

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores2. E/S dirigida por interrupciones:

    La CPU es interrumpida cuando el dispositivo E/S est listo para intercambiar datos

    La CPU est libre entre la solicitud de datos e interrupcin

    No hay necesidad de esperar

    Consume mucha CPU ya que cada byte ledo/escrito pasa por la CPU desde/hacia la memoria

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores2. E/S dirigida por interrupciones:

    Pasos que ocurren cuando un E/S termin su tareaBus

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de ComputadoresInterrupcin precisa (definicin):

    El contador de programa (PC) se guarda en un lugar conocido.

    Todas las instrucciones previas a aquella a la que apunta PC ya se ejecutaron por completo.

    No se ha ejecutado ninguna instruccin posterior a aquella a la que apunta PC.

    Se conoce (y se guarda en un lugar conocido) el estado de ejecucin de la instruccin a la que apunta PC.

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores3. E/S con acceso directo a memoria (DMA):

    Transfiere un bloque de datos directamente hacia/desde la memoria

    Se enva una interrupcin cuando los datos fueron transferidos

    La CPU slo participa al inicio y al final de la accin

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores3. E/S con acceso directo a memoria:

    Funcionamiento de una transferencia por DMA

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores3. E/S con acceso directo a memoria:

    DMA con un solo bus

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores3. E/S con acceso directo a memoria:

    DMA con buses independientes

  • [ E/S ]PrsentationInterrupciones * Arquitectura de Computadores3. E/S con acceso directo a memoria:

    DMA con bus E/S

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresEvolucin de las funciones E/S (parte I):

    El procesador controla directamente los dispositivos perifricos.

    Se aade una controladora del dispositivo de E/S. La CPU utiliza E/S programada.

    Se incorporan interrupciones.

    La controladora recibe el control directo del DMA, se transfieren datos hacia/desde la memoria sin usar CPU.

    Interrupciones

  • [ E/S ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresEvolucin de las funciones E/S (parte II):

    La controladora posee un procesador separado con un conjunto de instrucciones especializadas para E/S. La CPU central le ordena al procesador de E/S la ejecucin de un programa de E/S en la memoria principal.

    La controladora E/S posee adicionalmente su propia memoria local. La controladora es un computador independiente.Interrupciones

  • [ Fundamentos ]PrsentationFundamentos * Arquitectura de ComputadoresLa llegada de una interrupcin provoca que la CPU suspenda la ejecucin de un programa e inicie la ejecucin de otro programa (rutina de servicio de interrupcin).

    Como las interrupciones pueden producirse en cualquier momento, es muy probable que se altere la secuencia de sucesos que el programador haba previsto inicialmente.

    Es por ello que las interrupciones deber controlarse cuidadosamente.

  • [ Fundamentos ]PrsentationFundamentos * Arquitectura de ComputadoresEtapas seguidas ante una interrupcin en un sistema dotado de vectorizacin:

    1.- El dispositivo enva la solicitud de interrupcin mediante la lnea INTR (interrupt request).

    El procesador termina la ejecucin de la instruccin en curso y analiza la lnea de peticin de interrupcin, INTR. Si esta lnea no est activada continuar normalmente con la ejecucin de la siguiente instruccin, en caso contrario se pasa a la etapa siguiente.

  • [ Fundamentos ]PrsentationFundamentos * Arquitectura de Computadores2.- La CPU reconoce la interrupcin, para informar al dispositivo de ello, activa la lnea de reconocimiento de interrupcin, INTA (interrupt acknowledge).3.- El dispositivo que reciba la seal INTA enva el cdigo de interrupcin por el bus de datos.

    4.- La CPU calcula la direccin de memoria donde se encuentra la rutina de servicio de interrupcin (vector de interrupcin).

  • [ Fundamentos ]PrsentationFundamentos * Arquitectura de Computadores5.- El estado del procesador, y en particular el contador de programa, se salva en la pila de la misma forma que en una llamada a procedimiento.

    La direccin de la rutina de servicio de interrupcin se carga en el contador de programa, con lo que se pasa el control a la citada rutina.

    La ejecucin contina hasta que el procesador encuentre la instruccin de retorno de interrupcin.

    6.- Cuando se encuentre la instruccin de retorno de interrupcin se restaura el estado del procesador, en especial el contador de programa, y se devuelve el control al programa interrumpido.

  • [ Fundamentos ]PrsentationFundamentos * Arquitectura de ComputadoresNormalmente la primera instruccin de la rutina de servicio tendr como fin desactivar las interrupciones para impedir el anidamiento, por otra parte, antes de devolver el control al programa interrumpido se volvern a habilitar si es necesario.

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ Estructura ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresCPUDispositivoI/OControladora

  • [ Estructura ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresDispositivoI/O

  • [ Estructura ]PrsentationIntroduccin * Arquitectura de ComputadoresControladora

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresCPUI/ORAMBus de direccionesBus de datosCECEA0A11D0D7D0D7A0A12WRRDMREQdecoderROMCEINTAINTR

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresCPUI/ORAMBus de direccionesBus de datosCECEA0A11D0D7D0D7A0A12WRRDMREQdecoderROMCE1. El dispositivo I/O solicita atencin (enva una seal de INT).INTAINTR

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresCPUI/ORAMBus de direccionesBus de datosCECEA0A11D0D7D0D7A0A12WRRDMREQdecoderROMCEEl dispositivo I/O solicita atencin (enva una seal de INT).La CPU termina su instruccin y reconoce interrupcin.INTAINTR

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresCPUI/ORAMBus de direccionesBus de datosCECEA0A11D0D7D0D7A0A12WRRDMREQdecoderROMCEEl dispositivo I/O solicita atencin (enva una seal de INT).La CPU termina su instruccin y reconoce interrupcin.El dispositivo I/O enva un dato D por el bus de datos. Dato DINTAINTR

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresCPUI/ORAMBus de direccionesBus de datosCECEA0A11D0D7D0D7A0A12WRRDMREQdecoderROMCEEl dispositivo I/O solicita atencin (enva una seal de INT).La CPU termina su instruccin y reconoce interrupcin.El dispositivo I/O enva un dato D por el bus de datos.La CPU forma una direccin X a partir del dato D, i.e. X=f(D), y ejecuta la rutina indicada. Direccin XINTAINTR

  • [ Estructura ]PrsentationReconocimiento * Arquitectura de ComputadoresDireccin X5. Se ejecuta la rutina de atencin.6. Al final se regresa al programa inicial.

  • [ Estructura ]PrsentationInterrupcin por vectores * Arquitectura de ComputadoresVector de interrupciones:

    Un forma de obtener X a partir de D es mediante una tabla, denominada vector de interrupciones.

    En alguna parte de la memoria se encuentra el vector de interrupciones. Los elementos de este vector contienen las direcciones, o cdigos para llegara a las direcciones, de atencin a las rutinas de interrupcin.

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresEjemplo (Interrupcin de un teclado):

    El teclado enva en el bus de datos el byte D=09h. La CPU forma la direccin V a partir de D, en este caso V = 0009h, de esta manera lee en la direccin 0009h y 0000Ah de su memoria un dato X. Supongamos que esos datos son 12h y 03h (X = 1203h)Este dato X es la nueva direccin de memoria, en la que se encuentra la rutina de atencin a la interrupcin, es decir PC 1203h.La CPU ejecuta el programa a partir de la posicin PC. Esta rutina lee la tecla presionada en el teclado.La CPU termina de ejecutar la rutina de interrupcin y vuelve al programa original.

    Interrupcin por vectores

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresQu pasa si el computador tiene varios dispositivos I/O que pueden interrumpir?

    Mltiples interrupciones

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de ComputadoresQu pasa si el computador tiene varios dispositivos I/O que pueden interrumpir?

    1. La CPU debera tener una entrada INTR y una salida INTA por cada dispositivo.

    2. Consulta mediante software.

    3. Conexin en cadena.

    4. Arbitraje del bus.

    Mltiples interrupciones

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de Computadores1. CPU con varios INTR/INTA

    Mltiples interrupcionesINTR1 INTA1 INTR2 INT2 INTRn INTAnI/O 1I/O 2I/O nCPU

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de Computadores2. Consulta mediante software

    Cuando la CPU detecta una interrupcin se ejecuta una rutina general de servicio de interrupcin que se encarga de consultar a cada mdulo I/O para determinar en mdulo que ha provocado la interrupcin.

    Esto, generalmente se hace leyendo los registros de estatus de los dispositivos.

    El orden en que se pregunta implica el orden de jerarqua.

    Mltiples interrupciones

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de Computadores3. Conexin en cadena

    Mltiples interrupcionesI/O 1I/O 2I/O nCPUINTRINTA

  • [ Estructura ]Prsentation * Arquitectura de Computadores4. Arbitraje de bus

    El mdulo I/O debe disponer del control del bus antes de poder activar la lnea de peticin de interrupcin.

    As, slo un mdulo puede activar la lnea en un instante.

    Cuando la CPU detecta la interrupcin, responde mediante la lnea de reconocimiento de interrupcin.

    Despus el mdulo que solicit la interrupcin sita el vector D en las lneas de datos.Mltiples interrupciones

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationIBM Ultrastar 36ZXDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationComponentes de un disco duroDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationConstitucin de un discoDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationLectura: El flujo magntico del disco se transforma en corriente elctrica sobre la bobina del cabezal.

    Escritura: La corriente que circula por la bobina provoca un flujo magntico sobre el ncleo y por lo tanto sobre la superficie del disco. El sentido de la corriente direccin de magnetizacin. El nucleo ferromagntico posee una separacin llamada gap que permite que el flujo electromagntico se propage hasta la superficie de grabacin. Podemos hacernos una idea de su tamao: Gap 40 m.

    Discos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationEscritura/lectura en un disco magnticoDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosMedio de grabacin

    Sustrato:Suelen ser de alumnio ya que debe cumplir varios requisitos: Debe tener un bajo coeficiente de dilatacin, pues la fuerza centrfuga de la rotacin podra deformar el soporte difucultando la lectura y escritura. La superficie debe ser muy lisa.

    Superficie magnetizable:Se trata de una capa de material magntico y por tanto susceptible a los camposelectromagnticos. En general se utilizan dos tipos de capas: xido y pelcula delgada. * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosCabezas (Heads):

    Realizan la lectura fsica de cada superficie del disco.

    Hay tantas cabezas como superficies tiles. En principio, dos cabezas por cada disco

    Las cabezas se mueven a la vez, pues estn unidas al mismo brazo.

    Un multiplexor se encarga de conmutar la lectura/escritura entre una u otra cabeza. * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosPistas (Tracks)Cada una de las lineas concntricas en que se divide la superficie de un disco.

    Una pista es un anillo circular sobre un lado del disco. Cada pista tiene un nmero. El diagrama muestra 3 pistas.

    * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosSectores

    Se llama sector de un disco, una parte en forma de cua del mismo. Cada sector est numerado. En un disquete de 5 1/4 hay 40 pistas con 9 sectores cada una. En un disquete de 3 1/2 hay 80 pistas con 9 sectores cada una. De manera que, en un disquete de 3 1/2 hay el doble de lugares que en un disquete de 5

    * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosSector de pistaes el rea de interseccin entre una pista y un sector. (rea amarilla) * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscos

    Bloque (Clusters)Un cluster es un conjunto de sectores de pista , desde 2 a 32 o ms, dependiendo del esquema de formateo que se use.

    El esquema ms comn para PC determina la cantidad de sectores de pista por cada cluster sobre la base de la capacidad del disco. Un disco rgido de 1.2 gigabytes tendr el doble de clusters que un disco rgido de 500 MB.

    * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscos

    Cilindro (Cylinder)Pistas de todos los platos que equidistan del eje. Es decir, pistas a las que acceden las cabezascuando el brazo no se mueve.

    * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosEjemplo: Parmetros de un disquete de 35 pulgadas,144MBytes:- 80 Cylinders, 2 Heads, 512 Bytes/Sector, 18 Sectors/Track- Multiplicando: 80 x 2 x 18 x 512 = 1.474.560 bytes * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDisposicin de datos en un discoDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationComponentes de una unidad de DiscoDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationComponentes de una unidad de DiscoDiscos * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosEl procedimiento para leer/escribir datos en un disco duro tiene 4 pasos: 1. Bsqueda 2. Rotacin 3. Ubicacin 4. Transferencia de datos

    Ver animacin aqu:

    http://www.jegsworks.com/Lessons-sp/lesson6/lesson6-5.htm

    * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDiscosCaractersticas fsicas de los sistemas de disco:Movimiento de cabeza:cabeza fija (una por pista)cabeza mvil (una por superficie)

    Portabilidad del disco:disco no extrabledisco extrable

    Caras:simple caradoble cara

    Platos:un solo platomltiples platos

    Mecanismo de las cabezas:contacto (flexible)hueco fijohueco aerodinmico (Winchester) * Arquitectura de Computadores

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDisco duro * Arquitectura de ComputadoresLectura/escritura en un medio magntico

  • [ E/S ]PrsentationCD * Arquitectura de ComputadoresLectura en un CD

  • [ E/S ]PrsentationCD Audio

    Duracin 100 aos Informacin grabada en forma de espiral (son 22.188 revoluciones, 5.6km) Dimetro 12cm, r utilizable 3.25cm Espesor 1.2 mm Velocidad angular variable Velocidad lineal constante 1.2m/s Los bits se guardan como pits (fosos) y lands (llanos) que se imprimen en un proceso fotogrfico usando una pelcula. Capacidad alrededor de 74 min.CD-Audio * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationCD-Audio * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationCD ROM (read only memory)

    Diseados para guardar informacin. Parecido al CD Audio, sin embargo posee un mayor nmero de bits de control para corregir errores (ya que los datos no se pueden perder, en cambio si se pierde un poco de audio el cerebro puede reconstruirlo). La capacidad es del orden de los 750 MB.CD-ROM * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationFormato del CD ROM

    CD-ROM * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationCD R (recordable)

    CD que puede ser grabado una vez. Presenta elementos qumicos transparentes que estallan al ser iluminados con un lser de alta potencia. Al estallar se produce un fenmeno parecido a una mancha provocada por una tinta. Este principio se usa para producir los fosos, sino se hace estallar nada corresponde a un llano. Un lser de menor potencia es usado para leer el CD. Para un usuario es como si fuera un CD-ROM, sin embargo el proceso de elaboracin es distinto.CD-R * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationCD RW (rewriteble)

    CD que puede ser grabado y borrado varias veces. Tiene varias capas qumicas con aleaciones con dos estados estables:cristalino:superficie lisa (buena reflexin)amorfo:las molculas presentan unaorientacin aleatoria (reflexin pobre) Un lser de alta potencia amorfo fosa Un lser de potencia media cristalino llano Un lser de potencia baja se usa para leer. Se puede borrar entre 500 mil y 1 milln de veces. La escritura es ms lenta que el CD-R.CD-RW * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDVD (digital video disk, digital versatil disk)

    Es el mismo principio de los CDs pero con fosos ms pequeos, espirales ms apretadas y un lser ms delgado. Pueden ser de una/dos capas, una/dos caras:

    LadosCapasCapacidad 1 1 4.7 GB 1 2 8.5 GB 2 1 9.4 GB 2 2 17 GBDVD * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationDVD (digital video disk, digital versatil disk)

    Ya existen en el mercado DVD-R. En un futuro muy cercano todos los PCs contarn con grabadores DVD. Para pelculas existen regiones definidas por Hollywood con el fin de controlar el mercado (POR SUERTE LOS DISCOS DUROS NO HAN SIDO ESTANDARIZADOS POR Hollywood!!)DVD * Arquitectura de Computadores

  • [ E/S ]PrsentationCD vs. DVD * Arquitectura de ComputadoresCDDVD

  • [ E/S ]PrsentationDiscos magneto-pticos (MO)

    El medio de grabacin es magntico, funciona con distintas polarizaciones. La polaridad se cambia a altas temperaturas. El lser calienta el medio y una vez caliente se aplica el campo magntico para cambiar la polaridad. La lectura es puramente ptica. La direccin del magnetismo se puede detectar por un haz de luz lser polarizada de menor intensidad. Mayor longevidad que CD-RW. MO es mas econmico que disco duro. MO * Arquitectura de Computadores

  • [ ndice ]Prsentation * Arquitectura de Computadores