4.4. Operaciones de Entrada /salida
Tanto en la E/S programada como la basada en interrupciones, la UCP debe
encargarse de la transferencia de datos una vez que sabe que hay datos disponibles
en el controlador. Una mejora importante para incrementar la concurrencia entre la
UCP y la E/S consiste en que el controlador del dispositivo se pueda encargar de
efectuar la transferencia de datos, liberando de este trabajo a la UCP, e interrumpir
a la UCP sólo cuando haya terminado la operación completa de E/S. Esta técnica
se denomina acceso directo a memoria (DMA, Direct Memory Access).
Cuando se utiliza acceso directo a memoria, es el controlador el que se encarga
directamente de transferir los datos entre el periférico y la memoria principal, sin
requerir intervención alguna por parte del procesador. Esta técnica funciona de la
siguiente manera: cuando el procesador desea que se imprima un bloque de datos,
envía una orden al controlador indicándole la siguiente información:
• Tipo de operación: lectura o escritura.
• Periférico involucrado en la operación.
• La dirección de memoria desde la que se va a leer o a la que va a escribir
directamente con el controlador de dispositivo (dirección).
• El número de bytes a transferir (contador).
Donde el campo Operación corresponde al código de operación de las instrucciones
máquina normal. Especifica la operación que debe realizar la CCW. La unidad de
control decodifica este campo y envía las señales adecuadas de control al
dispositivo. Existen varias operaciones, las más importantes son las siguientes:
• Lectura: el canal transfiere a memoria principal un bloque de palabras de
tamaño especificado en el campo nº de palabras, en orden ascendente de
direcciones, empezando en la dirección especificada en el campo dirección
del dato.
• Escritura: el canal transfiere datos de memoria principal al dispositivo. Las
palabras se transfieren en el mismo orden que en la operación de lectura.
• Control: se utiliza esta orden para enviar instrucciones específicas al
dispositivo de E/S, como rebobinar una cinta magnética, etc.
• Bifurcación: cumple en el programa de canal la misma función que una
instrucción de salto en un programa normal. El canal ejecuta las CCW en
secuencia, salvo cuando aparece una CCW de este tipo, que utiliza el campo
dirección del dato como la dirección de la siguiente CCW a ejecutar.
Los pasos a seguir en una operación de E/S con DMA son los siguientes:
1. Programación de la operación de E/S. Se indica al controlador la
operación, los datos a transferir y la dirección de memoria sobre la que se
efectuará la operación.
2. El controlador contesta aceptando la petición de E/S.
3. El controlador le ordena al dispositivo que lea (para operación de lectura)
una cierta cantidad de datos desde una posición determinada del dispositivo
a su memoria interna.
4. Cuando los datos están listos, el controlador los copia a la posición de
memoria que tiene en sus registros, incrementa dicha posición de memoria y
decrementa el contador de datospendientes de transferir.
5. Los pasos 3 y 4 se repiten hasta que no quedan más datos por leer.
6. Cuando el registro de contador está a cero, el controlador interrumpe a la
UCP para in dicar que la operación de DMA ha terminado.
Inicio y control de los programas de canal
Hemos visto como se utilizan los programas de canal para realizar operaciones de
E/S. Estos programas residen en la memoria principal del computador y se ejecutan
en el canal. Vamos a examinar ahora la forma en que la CPU inicia y supervisa las
operaciones de E/S, es decir, el programa de canal. En el IBM S/370 existen cuatro
instrucciones máquina que la CPU puede utilizar para estos fines. Son las
siguientes:
• START I/O Inicia una operación de E/S. El campo de dirección de la
instrucción se emplea para especificar el canal y el dispositivo de E/S que
participa en la operación.
• HALT I/O Finaliza la operación del canal.
• TEST CHANNEL Prueba el estado del canal.
• TEST I/O Prueba el estado del canal, el subcanal y el dispositivo de E/S.
Una operación de E/S se inicia con la instrucción START I/O. La ubicación del
programa de canal en la memoria principal viene definida en la palabra de dirección
de canal (CAW: Channel Address word), que siempre está almacenada en la
posición 72 de la memoria principal.
Funciones implicadas en las operaciones de entrada/salida
Para que un computador pueda ejecutar un programa debe ser ubicado
previamente en la memoria, junto con los datos sobre los que opera, y para ello
debe existir una unidad funcional de entrada de información capaz de escribir en la
memoria desde el exterior. Análogamente, para conocer los resultados de la
ejecución de los programas, los usuarios deberán poder leer el contenido de la
memoria a través de otra unidad de salida de datos. La unidad de
Entrada/Salida (E/S) soporta estas funciones, realizando las comunicaciones del
computador (memoria) con el mundo exterior (periféricos). Los dispositivos
periféricos que se pueden conectar a un computador se suelen clasificar en tres
grandes grupos:
• Dispositivos de presentación de datos. Son dispositivos con los que
interactúan los usuarios, portando datos entre éstos y la máquina, por
ejemplo, ratón, teclado, pantalla, impresora, etc.
• Dispositivos de almacenamiento de datos. Son dispositivos que forman parte
de la jerarquía de memoria del computador. Interactúan de forma autónoma con la máquina, aunque también sirven para el intercambio de datos con el
usuario, por ejemplo, los discos magnéticos.
• Dispositivos de comunicación con otros procesadores. Permiten la
comunicación con procesadores remotos a través de redes, por ejemplo, las
redes de área local o global.
• Dispositivos de adquisición de datos. Permiten la comunicación con sensores
y actuadores que operan de forma autónoma en el entorno del computador.
Se utilizan en sistemas de control automático de procesos por computador y
suelen incorporar conversores de señales A/D y D/A.
Los dispositivos de transporte y presentación de datos representan una carga muy
baja de trabajo para el procesador comparados con los dispositivos de
almacenamiento. La siguiente tabla muestra las velocidades de transferencia típicas
para diferentes dispositivos:
Los dispositivos periféricos que pueden conectarse a un computador para realizar
entrada y salida de información presentan, pues, las siguientes características:
• Tienen formas de funcionamiento muy diferentes entre sí, debido a las
diferentes funciones que realizan y a los principios físicos en los que se
basan.
• La velocidad de transferencia de datos es también diferente entre sí y
diferente de la presentada por la CPU y la memoria.
• Suelen utilizar datos con formatos y longitudes de palabra diferentes
No obstante, estas diferencias, existen una serie de funciones básicas comunes a
todo dispositivo de E/S:
• Identificación única del dispositivo por parte de la CPU
• Capacidad de envío y recepción de datos
• Sincronización de la transmisión, exigida por la diferencia de velocidad de los
dispositivos de E/S con la CPU
La identificación del dispositivo se realiza con un decodificador de direcciones. El
envío y la recepción de datos tienen lugar a través de registros de entrada y salida
de datos. Los circuitos de sincronización se manipulan por medio de registros de
estado y control. El siguiente esquema representa gráficamente estas funciones:
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