Entrada/Salida: Interconexión entre Procesador y Periférico PDF

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Aporto con una monografía que hice con mis compañeros sobre entrada y salida. Conexión entre Procesador y Periférico....

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Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Tucumán

Arquitectura de Computadoras Tema de la Monografía: “Entrada/Salida: Interconexión entre Procesador y Periférico”

1. Introducción Junto con el procesador y el conjunto de módulos de memoria, el tercer elemento clave de uncomputador es un conjunto de módulos de E/S. Cada módulo se conecta al bus del sistema o aun conmutador central y controla uno o más dispositivos periféricos. Un módulo de E/S no es únicamente un conector mecánico que permite enchufar el dispositivo al bus del sistema; sino además está dotado de cierta “inteligencia”, es decir, contiene la lógica necesaria para permitir la comunicación entre el periférico y el bus. Uno podría preguntarse por qué los periféricos no se conectan directamente al bus del sistema. Las razones son:

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Hay una amplia variedad de periféricos con formas de funcionamiento diferentes. Podría ser imposible incorporar la lógica necesaria dentro del procesador para controlar tal diversidad de dispositivos. A menudo la velocidad de transferencia de datos de los periféricos es mucho menor que la de la memoria o del procesador. Así, no es práctico utilizar un

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bus del sistema de alta velocidad para comunicarse directamente con un periférico. Por otro lado, la velocidad de transferencia de algunosperiféricos es mucho mayor que la de la memoria o la del procesador. De nuevo, esta diferencia daría lugar a comportamientos poco eficientes si no se gestionase bien. Con frecuencia, los periféricos utilizan datos con formatos y tamaños de palabra diferentes de los del computador a los que se conectan.

En consecuencia, se necesita un modulo de E/S. Este modulo tiene dos funciones principales: 1) realizar la interfaz entre el procesador y la memoria través del bus del sistema o un conmutador central y 2) realizar la interfaz entre uno o más dispositivos periféricos mediante enlaces de datos específicos.

2. Módulo de entrada y salida 2.1 Definición Es un dispositivo que permite la comunicación entre un sistema de procesamiento de información, tal como la computadora y el mundo exterior. Su función es leer o grabar, permanente o virtualmente, todo aquello que se haga con la computadora, para que pueda ser utilizado por los usuarios u otros sistemas. 2.2 Descripción En la CPU se ve la misma velocidad de respuesta en los diferentes accesos, pero la situación cambia cuando se accede a dispositivos de entrada – salida. La velocidad de transferencia puede variar desde una lentitud extrema, como cuando se ingresan datos desde un teclado, hasta una velocidad alta en que ni la CPU le puede seguir el paso, pasó con el flujo de datos. Las actividades son asincrónicas, lo cual significa que no están sincronizadas con el reloj de la CPU. Con el objetivo de coordinar la disponibilidad del dispositivo de entrada- salida, para permitir la lectura escritura de la información destinada, se puede necesitar incorporar señales adicionales, como un bus de entrada/salida especifico. La calidad de información puede ser sospechosa, un ejemplo es el ruido de línea durante las transferencias de datos a través de las redes conmutadas de telefonía pública, errores producidos por defectos en la superficie de un disco. Muchos dispositivos de entrada-salida son mecánicos, tienen más probabilidad de fallar que la CPU y la memoria principal. Por consecuente, se debe tener en cuenta todas las situaciones durante el desarrollo de módulos de software destinados al manejo de las transferencias de entrada-salida, también conocidos como Device drivers. 2.3 Funciones

Las principales funciones de los módulos de entrada y salida son: Direccionamiento, Sincronización y Transferencia. El direccionamiento: es la selección del dispositivo correspondiente de entre los dispositivos disponibles en el sistema. La sincronización: es la que ha de posibilitar que la CPU y la memoria (alta velocidad de transferencia) se puedan comunicar con los dispositivos de E/S (baja velocidad) sincronizando los envíos de datos entre ambos. La transferencia: el sistema de E/S debe tener toda la circuitería y señales de comunicación apropiadas para llevar a cabo la comunicación con cada uno de los dispositivos del sistema. Almacenamiento temporal de datos. Control y temporización Detección de errores Comunicación con el CPU Comunicación con el dispositivo externo. 2.4 Instrucciones que puede recibir del procesador Decodificación de la orden. El controlador de E/S debe saber que orden le ha enviado la CPU. EL intercambio de datos entre la CPU y el controlador de E/S se realiza mediante el bus de datos. Información sobre el estado. Reconocimiento de la dirección. El controlador de E/S reconoce una dirección única para cada uno de los periféricos que controla.

2.5 Transferencia de datos La transferencia de datos entre un dispositivo externo y la CPU necesita la siguiente secuencia de acciones: 1. La CPU pide al controlador de E/S que compruebe el estado del dispositivo externo al que está conectado. 2. El controlador de E/S devuelve el estado del dispositivo externo. 3. Si el dispositivo está operativo y preparado para transmitir, la CPU solicita la transferencia del dato mediante una orden al controlador de E/S. 4. El controlador de E/S obtiene los datos del dispositivo externo. 5. El dato se transfiere desde el controlador de E/S a la CPU.

2.6 Técnicas 1) E/S controlada por programa: la CPU ejecuta un programa que tiene el control

directo de la operación de E/S. La CPU tendrá que esperar y el rendimiento del sistema disminuirá. 2) E/S por interrupciones: la CPU envía una orden de E/S y continúa ejecutando otras instrucciones hasta que es interrumpida por el controlador de E/S, cuando este finalizado su trabajo. En estas dos técnicas, la CPU es la responsable de leer datos. 3) Sería más conveniente que la CPU se encontrara con los datos en memoria principal cuando le avise el controlador de E/S. esto se consigue con la técnica de transferencia mediante acceso directo a memoria. 3. Discos magnéticos 3.1 Definición Los discos magnéticos son dispositivos de almacenamiento, que utilizan un disco magnético como soporte físico de la información, Estas unidades nos permite leer la información que ya está grabada en el disco (de entrada) y escribir información en el disco (de salida) . Los discos magnéticos son el principal medio de almacenamiento que utilizan los ordenadores, brindando acceso directo a los datos en forma aleatoria El disco puede dividirse en: 

Disco rígidos o duros

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Discos flexibles o disquete o floppy disk

3.2 Organización La cabeza es un dispositivo relativamente pequeño, capaz de leer o escribir en un plato que rota bajo ella. Esto da lugar a que los datos se organicen en un conjunto de anillos concéntricos en el plato, llamados pistas. Cada pista es del mismo ancho de cabeza, usualmente hay cientos de pistas por superficie. Los datos se transfieren al y desde el disco en sectores, normalmente hay cientos de sectores por pistas y estos pueden tener una longitud variable o fija. En la mayoría de los sistemas de hoy se utilizan sectores de longitud fija, siendo 512 bytes el tamaño casi universal de un sector. Para evitar imposiciones de precisión ilógica del sistema, los sectores adyacentes se separan con intrapistas vacías. Un bit cercano al centro de un disco girando, pasa por punto fijo (como la cabeza de lectura-escritura) más despacio que un bit más extremo, por tanto, debe haber alguna forma de compensar la variación de la velocidad de forma que la cabeza pueda leer todos los bits a la misma velocidad. Esto se puede hacer incrementando el espacio entre bits de la información grabada en los segmentos del disco. La información se puede escanear a la misma velocidad rotando el disco a una

velocidad fija, conocida como velocidad angular constante. El disco se divide en una serie de sectores en forma de trozo de tarta y en una serie de pistas concéntricas. La ventaja de usar CAV es que los bloques individuales de datos se pueden direccional directamente con la pista y sector. Para mover la cabeza desde su actual para mover ligeramente a la pista especifica y esperar a que el sector se sitúe bajo la cabeza. La desventaja de CAV es que la cantidad de datos que se puede almacenar en las pistas más externas es solo la misma que la de las pistas internas. Debido a que la densidad, en bits por pulgada, aumenta a medida que nos movemos desde la pista más externa a la más interna. La capacidad de almacenamiento de un disco con un sistema CAV sencillo viene limitada por la máxima densidad de grabación que se puede llevar a cabo en la pista mas interna. Parra aumentar la capacidad, los discos duros modernos utilizan una técnica conocida como grabación en varias zonas, en la que la superficie se divide en varias zonas concéntricas. Dentro de una zona, el número de bits por pistas es constante. Las zonas más lejanas del centro contienen más bits (más sectores) que las zonas próximas al centro. Esto permite capacidades de almacenamiento mayores a expensas de una circuitería de alguna forma más compleja. 3.3 Escritura y lectura Los datos se graban y después se recuperan del disco a través de una bobina, llamada cabeza en muchos sistemas, hay dos cabezas, una de lectura y otra de escritura. Durante una operación de lectura o escritura, la cabeza permanece quieta mientras el plato rota bajo ella. El mecanismo de escritura se basa en el hecho de que un flujo eléctrico atravesando una bobina crea un campo magnético. Se envían pulsos eléctricos a la cabeza de escritura y se graban los patrones magnéticos en la superficie bajo ella, con patrones diferentes para corrientes positivas y negativas. La propia cabeza de lectura está hecha de un material fácilmente magnetizable y tiene forma de doma rectangular con un agujero a lo largo de un lado y varias vueltas de cable conductor a lo largo del lado opuesto. Una corriente eléctrica en el cable induce un campo magnético a lo largo del agujero, que magnetiza una pequeña área del medio grabable. Cambiando la dirección de la corriente, cambia el sentido de magnetización del medio de grabación. El mecanismo tradicional de lectura se basa en el hecho de que un campo magnético en movimiento respecto a una bobina, induce una corriente eléctrica en la bobina. Cuando la superficie del disco pasa bajo la cabeza, en esta se genera una corriente de la misma polaridad que la que produjo la grabación magnética. La estructura de la cabeza de lectura es, este caso, esencialmente, la misma que la de la escritura y, por tanto, se puede usar la misma cabeza para ambas operaciones. Estas cabezas únicas se usan en disquetes y discos duros antiguos. La los discos duros de hoy se usan un mecanismo diferente para la lectura, siendo necesaria una cabeza de lectura separada posicionada, por conveniencia, cerca de la cabeza de escritura, la cabeza de lectura consiste en un sensor magneto-resistivo

(MR) parcialmente blindado. El MR tiene resistencia eléctrica que depende de la dirección de la magnetización del medio que se mueve bajo el haciendo pasar corriente a través del sensor MR, los cambios de la resistencia se detectan como señales de tensión. El diseño del MR permite operar altas frecuencias, lo que equivale a grandes densidades de almacenamiento y de velocidad de funcionamiento. 4. Discos de estado sólido (SDD) 4.1 Definición Una memoria de estado sólido es un dispositivo de almacenamiento secundario hecho con componentes electrónicos en estado sólido pensado para utilizarse en equipos informáticos en sustitución de una unidad de disco duro convencional, como memoria auxiliar o para crear unidades híbridas compuestas por SSD y disco duro. Consta de una memoria no volátil, en vez de los platos giratorios y cabezal de las unidades de disco duro convencionales. Al no tener piezas móviles, una unidad de estado sólido reduce drásticamente el tiempo de búsqueda, latencia y otros, diferenciándose así de los discos duros magnéticos. 4.2 Funcionamiento La principal diferencia de un SSD respecto de un disco duro tradicional es el uso de memoria flash en vez de discos magnéticos y una cabeza lectora mecánica. Esto los convierte en dispositivos mucho más rápidos, pues se eliminan las partes mecánicas causantes de lentitud en las lecturas de la información. Un SSD puede estar fabricado con diversas arquitecturas, aunque lo más común es que utilicen memorias NAND de diversas formas. Generalmente hay dos opciones, SLC o MLC en relación a la estructura de los módulos de memoria usados: Single-LevelCell utiliza un bit por cada celda de información (0 o 1), mientras que Multi-LevelCell utiliza dos bits (00, 01, 10 y 11), dando lugar a la posibilidad de que ocurran mayor cantidad de errores. Técnicamente son mejores los SLC, aunque dada su estructura permiten una menor capacidad de almacenamiento y además suelen ser bastante más caros. Los SSD de tipo MLC son a día de hoy los más comunes en el ámbito doméstico, con lo que en principio serán nuestra opción ideal. Respecto de la interfaz de conexión de un SSD, hay unidades disponibles prácticamente para cualquier interfaz de transmisión de datos: SATA y PCIe serán las más interesantes ya que son los estándares que estamos acostumbrados a utilizar, aunque hay muchas más. Lo más normal es que los SSD disponibles en el mercado se conecten a través de estas interfaces, principalmente de la primera SATA en sus versiones 2 y 3 (esta última conocida también como SATA 6 Gbps). El funcionamiento de un SSD no difiere en absoluto del de un disco duro tradicional, al menos desde el punto de vista del usuario. Gracias a la actual

estructura del software de nuestro ordenador son el firmware y el sistema operativo los encargados de hacer funcionar a la unidad de estado sólido en nuestro ordenador. Quizá se den problemas de incompatibilidad con ordenadores antiguos (más de cinco años) que no cumplan los actuales estándares de conectividad, pero nada que deba ser considerado común o representativo. 4.3 Tipos de discos de estado sólido Se distinguen dos períodos: al principio, se construían con una memoria volátil DRAM y, más adelante, se empezaron a fabricar con una memoria no volátil NAND flash. 4.3.1 Basados en NAND Flash Casi la totalidad de los fabricantes comercializan sus SSD con memorias no volátiles NAND flash para desarrollar un dispositivo no sólo veloz y con una vasta capacidad, sino robusto y a la vez lo más pequeño posible tanto para el mercado de consumo como el profesional. Al ser memorias no volátiles, no requieren ningún tipo de alimentación constante ni pilas para no perder los datos almacenados, incluso en apagones repentinos, aunque cabe destacar que los SSD NAND Flash son más lentos que los que se basan en DRAM. Son comercializadas con las dimensiones heredadas de los discos duros, es decir, en 3,5 pulgadas, 2,5 pulgadas y 1,8 pulgadas, aunque también ciertas SSD vienen en formato tarjeta de expansión. En algunos casos, las SSD pueden ser más lentas que los discos duros, en especial con controladoras antiguas de gamas bajas, pero dado que los tiempos de acceso de una SSD son inapreciables, al final resultan más rápidos. Este tiempo de acceso tan corto se debe a la ausencia de piezas mecánicas móviles, inherentes a los discos duros. Una SSD se compone principalmente: Controladora: es un procesador electrónico que se encarga de administrar, gestionar y unir los módulos de memoria NAND con los conectores en entrada y salida. Ejecuta software a nivel de Firmware y es con toda seguridad, el factor más determinante para las velocidades del dispositivo. Caché: un dispositivo SSD utiliza un pequeño dispositivo de memoria DRAM similar al caché de los discos duros. El directorio de la colocación de bloques y el desgaste de nivelación de datos también se mantiene en la memoria caché mientras la unidad está operativa. Condensador: es necesario para mantener la integridad de los datos de la memoria caché, si la alimentación eléctrica se ha detenido inesperadamente, el tiempo suficiente para que se puedan enviar los datos retenidos hacia la memoria no volátil. El rendimiento de los SSD se incrementan añadiendo chips NAND Flash en paralelo. Un sólo chip NAND Flash es relativamente lento, dado que la interfaz de entrada y salida es de 8 ó 16 bits asíncrona y también por la latencia adicional de las operaciones básicas de E/S (Típica de los SLC NAND - aproximadamente 25 μs para buscar una página de 4 KiB de la matriz en el búfer de E/S en una lectura, aproximadamente 250 μs para una página de 4 KiB de la memoria intermedia de E/S a la matriz de la escritura y sobre 2 ms para borrar un bloque de 256 KiB). Cuando varios dispositivos NAND operan en paralelo dentro de un SSD, las escalas de

ancho de banda se incrementan y las latencias de alta se minimizan, siempre y cuando suficientes operaciones estén pendientes y la carga se distribuya uniformemente entre los dispositivos. Los SSD de Micron e Intel fabricaron unidades flash mediante la aplicación de los datos de creación de bandas (similar a RAID 0) e intercalado. Esto permitió la creación de SSD ultrarrápidos con 250 MB/s de lectura y escritura. Las controladoras Sandforce SF 1000 Series consiguen tasas de transferencia cercanas a la saturación de la interfaz SATA II (rozando los 300 MB/s simétricos tanto en lectura como en escritura). La generación sucesora, las Sandforce SF 2000 Series, permiten más allá de los 500 MB/s simétricos de lectura y escritura secuencial, requiriendo de una interfaz SATA III si se desea alcanzar estos registros.

4.3.2 Basados en DRAM Los SSD basados en este tipo de almacenamiento proporcionan una rauda velocidad de acceso a datos, en torno a 10 μs y se utilizan principalmente para acelerar aplicaciones que de otra manera serían mermadas por la latencia del resto de sistemas. Estos SSD incorporan una batería o bien un adaptador de corriente continua, además de un sistema de copia de seguridad de almacenamiento para desconexiones abruptas que al restablecerse vuelve a volcarse a la memoria no volátil, algo similar al sistema de hibernación de los sistemas operativos. Estos SSD son generalmente equipados con las mismas DIMMs de RAM que cualquier ordenador corriente, permitiendo su sustitución o expansión. Sin embargo, las mejoras de las memorias basadas en flash están haciendo los SSD basados en DRAM no tan efectivos y acortando la brecha que los separa en términos de rendimiento. Además los sistemas basados en DRAM son tremendamente más caros.

4.4 Ventajas y desventajas frente a los HDD En comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido son menos sensibles a los golpes al no tener partes móviles, son prácticamente inaudibles, y poseen un menor tiempo de acceso y de latencia, lo que se traduce en una mejora del rendimiento exponencial en los tiempos de carga de los sistemas operativos. En contrapartida, su vida útil es muy inferior, ya que tienen un número limitado de ciclos de escritura, pudiendo producirse la pérdida absoluta de los datos de forma inesperada e irrecuperable. Los SSD hacen uso de la misma interfaz SATA que los discos duros, por lo que son fácilmente intercambiables sin tener que recurrir a adaptadores o tarjetas de expansión para compatibilizarlos con el equipo.

En relación a su funcionamiento, un disco SSD es similar a una memoria USB, pues para su funcionamiento no requiere de ningún tipo de función mecánica, es sólido y de esta forma se evita que el disco pueda dañarse por efectos de rozamiento u otra causa mecánica. Por el contrario un disco HDD sí necesita para funcionar piezas mecánicas, pues hay que recordar que sus discos giran internamente. En este aspecto tiene la mayor ventaja un disco SSD. Si se habla de capacidad, en este aspecto toma la delantera un HDD, pues en este tipo de disco ya se tiene la capacidad para almacenar más de 1 TB de información y el costo aunque elevado es razonable. Inclusive muchos ordenadores presentan discos duros de este tipo con capacidades de 320 GB, 500 GB, etc. Y su precio es accesible.Por su parte un disco de estado sólido SSD sí tiene la cap...