Entrada/Salida en computadoras: dispositivos, interrupciones y DMA

Resumen

Este documento explica cómo se conectan los dispositivos externos al computador mediante controladores de E/S y cómo se clasifican. Describe las técnicas de control por programa, por interrupciones y por acceso directo a memoria (DMA), con especial atención al papel del PIC y a los métodos de transferencia por ráfagas y por robo de ciclos.

Puntos clave

Un dispositivo externo se conecta al computador a través de un controlador de E/S, que tiene una interfaz interna (CPU y memoria) y una externa (dispositivo).
Los dispositivos se clasifican en adaptados al usuario, adaptados a máquina (como el almacenamiento secundario) y de comunicación.
En el control por programa la CPU controla directamente la E/S y debe esperar, lo que reduce el rendimiento.
En la E/S por interrupciones la CPU continúa ejecutando instrucciones hasta que el controlador la interrumpe.
El PIC amplía las líneas de interrupción, identifica la fuente, establece prioridades, activa o desactiva peticiones mediante un registro máscara y resuelve peticiones simultáneas con un codificador de prioridad.
El DMA transfiere bloques de datos sin intervención constante de la CPU, que solo participa al inicio y al final, y se usa por ráfagas o por robo de ciclos.

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Dispositivos de E/S: Un dispositivo externo se conecta al computador a través de un enlace con un controlador de E/S. El enlace se utiliza para intercambiar datos e información de control y estado entre el controlador de E/S y el dispositivo externo.

Clasificación:

Adaptados al usuario: Son apropiados para comunicar información al usuario.
Adaptados a máquina: Permiten comunicarse con el sistema. A este tipo pertenecen las unidades de almacenamiento secundario.
De comunicación: Permiten la transferencia de información entre dispositivos remotos. Estos dispositivos pueden estar adaptados al usuario, a la máquina o ser de otro computador.

Un controlador de E/S es el elemento del computador responsable del control de uno o más dispositivos externos y del intercambio de datos entre dichos periféricos con la memoria principal o registros de la CPU. Además, debe poseer una interfaz interna al computador para su conexión con la CPU y memoria principal, y una interfaz externa para su conexión con el dispositivo externo.

Clasificación de la E/S

Control 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.
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.

En estas dos técnicas, la CPU es responsable de leer los datos. Sería más conveniente usar la técnica de transferencia mediante acceso directo a memoria (DMA).

E/S por interrupciones con PIC

El PIC (Controlador Programable de Interrupciones) permite ampliar el número de líneas de interrupción de la CPU y se encarga de la gestión del sistema de interrupciones.

Funciones

Identificar la fuente de interrupción.
Establecer prioridades de cada periférico.
Activar o desactivar las peticiones de interrupción que reciba (registro máscara).
Enviar a la CPU información sobre la petición y cuál es el periférico.

Resuelve las peticiones simultáneas mediante un codificador de prioridad.

E/S por DMA

Cuando se mueven grandes cantidades de datos, se necesita una técnica más eficaz: el Direct Memory Access (DMA).

Formado por

Registro de datos
Registro de dirección: almacena la dirección de la siguiente palabra que se va a transmitir.
Registro de contador de palabras: almacena el número de palabras que quedan por enviar.

Funcionamiento

La CPU envía la dirección del periférico, el tipo de operación, la posición inicial de memoria y el número de palabras que se tienen que leer o escribir.
Ahora la CPU puede realizar otra tarea.
El controlador DMA transfiere el bloque completo de datos entre el periférico y la memoria.
Luego, el controlador DMA envía una señal de interrupción a la CPU, ya que ha terminado.
La CPU solo participa al principio y al final de la transferencia.

Métodos

Por ráfagas: Mayor velocidad de transferencia, pero la CPU queda inactiva durante periodos largos.
Por robo de ciclos: Reduce al máximo la velocidad de transferencia y la interferencia del controlador DMA sobre la actividad de la CPU.

Transferencia DMA: En determinadas fases de ejecución de una instrucción, la CPU no usa el bus, y es en ese momento cuando lo utiliza el DMA.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un controlador de E/S?

Es el elemento del computador responsable de controlar uno o más dispositivos externos y de intercambiar datos entre ellos y la memoria principal o los registros de la CPU. Tiene una interfaz interna con la CPU y la memoria y una interfaz externa con el dispositivo.

¿Para qué sirve el PIC en las interrupciones?

El PIC (Controlador Programable de Interrupciones) amplía el número de líneas de interrupción de la CPU y gestiona el sistema de interrupciones. Identifica la fuente, establece prioridades y resuelve peticiones simultáneas mediante un codificador de prioridad.

¿Cuál es la diferencia entre DMA por ráfagas y por robo de ciclos?

En el método por ráfagas la transferencia es más rápida, pero la CPU queda inactiva durante periodos largos. En el robo de ciclos la velocidad es menor, pero la interferencia del DMA sobre la CPU es mínima.