ORGANIZACION DE ENTRADA Y 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:

a)    Dispositivos de presentación de datos. Son dispositivos con los que interactúan los usuarios, transportando datos entre éstos y la máquina, por ejemplo, ratón, teclado, pantalla, impresora, etc.

b)    Dispositivos de almacenamiento de datos. Son dispositivos que forman parte de la jerarquía de memoria del computador.  Interactúan de forma autónoma con la máquina, por ejemplo, discos magnéticos y cintas magnéticas.

c)    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.

d)    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.   

 

E/S POR INTERRUPCIONES

En la E/S programada el procesador tiene que esperar un tiempo considerable a que el módulo de E/S esté preparado para realizar la operación. El procesador espera comprobando repetidamente el estado del módulo de E/S, degradándose significativamente el rendimiento de la CPU. Para evitar este inconveniente se introdujo el sistema de interrupciones en los procesadores.

Básicamente una interrupción viene determinada por la ocurrencia de una señal externa que provoca la bifurcación a una dirección especifica de memoria, interrumpiendo momentáneamente la ejecución del programa. A partir de esa dirección se encuentra la rutina de tratamiento que se encarga de realizar la operación de E/S propiamente dicha, devolviendo después el control al punto interrumpido del programa.

Podemos, pues, ver una interrupción como un salto a subrutina (rutina de tratamiento) ocasionado por una señal externa, y no por una instrucción del programa. De esta forma se pueden eliminar los tiempos muertos de consulta de la E/S programada La implementación de un sistema de interrupciones implica introducir una fase de consulta de las líneas de interrupción al final de la ejecución de cada instrucción. En un procesador sin sistema de interrupciones, se podría conseguir un efecto similar introduciendo una instrucción de consulta y la correspondiente de salto sobre el valor de la consulta, detrás de cada instrucción natural del programa. De esta forma se garantizaría la respuesta al dispositivo de E/S en el momento que pasa a estado disponible, al tiempo que la CPU ejecuta instrucciones útiles del programa. El precio a pagar sería el recargo introducido por la ejecución de las parejas de instrucciones de consulta y salto introducidas detrás de cada instrucción útil del programa. Sería algo así como una E/S programada en la que en lugar de preguntar en el mismo punto del programa por el estado del periférico, se replica la consulta por todo el programa, intercalándose con la ejecución de las instrucciones útiles.  Pues bien, un sistema de interrupciones podemos verlo como la integración en hardware del supuesto software anterior, es decir, la integración de la consulta y posible salto dentro de la ejecución de cada instrucción del repertorio.

El mecanismo de interrupción de un procesador tiene que implementar todas las medidas que hagan que se pueda bifurcar a la rutina de tratamiento y recuperar el estado del programa interrumpido cuando la rutina finaliza su ejecución.

E/S por acceso directo a memoria (DMA)

            La E/S por interrupciones ocupa menos tiempo de CPU que la E/S controlada por programa. Sin embargo, con cualquiera de las dos alternativas las transferencias de datos deben pasar a través de la CPU. Esto significa que la velocidad de las transferencias está limitada por la velocidad a la que la CPU atiende el dispositivo periférico, ya que tiene que gestionarlas ejecutando una serie de instrucciones. En la E/S controlada por programa la CPU está dedicada exclusivamente a la E/S, transfiriendo los datos a relativa velocidad, pero al precio de dedicarse a ello a tiempo completo. Las interrupciones liberan en buena medida a la CPU de la gestión de las transferencias, a costa de disminuir su velocidad, pues la rutina de servicio de las interrupciones contiene por lo general instrucciones ajenas a la propia transferencia. Ambos procedimientos manifiestan, pues, ciertas limitaciones que afectan a la actividad de la CPU y la velocidad de transferencia.

            Para poner de manifiesto de forma cuantitativa las limitaciones de la E/S programada y por interrupción, consideremos el siguiente supuesto: conexión de un periférico lento, una impresora láser. La CPU opera a 200 Mhz. y su CPI vale 2. La impresora opera a 20 páginas/minuto, con 3.000 caracteres (bytes) por página. Se trata de imprimir un bloque de 10 Kbytes ubicado en la memoria.

             E/S programada

             Una instrucción tarda en ejecutarse 2 * 5 ns = 10 ns, ya que el tiempo de ciclo     Tc = 1/Frecuencia = 1/200*10⁶ seg. = 1/200*10⁶ * 10^-9 ns = 5 ns.

             La impresora imprime 20 * 3.000 = 60.000 caractéres/minuto = 1.000 caracteres/segundo = 1 Kbyte/s. Luego los 10 Kbytes los imprimirá en 10 segundos. 

La CPU está ocupada durante 10 segundos.

 

            E/S por interrupción         

           Para este caso habrá que conocer el número de instrucciones que se ejecutan dentro de la rutina de tratamiento de la interrupción. Supondremos que son 10 las instrucciones (3 para salvar contexto, 2 para comprobar el estado y bifurcar, 1 para la transferencia, 3 para restaurar contexto, y 1 para retorno de interrupción, RTI). La impresora genera una interrupción cada vez que está preparada para recibir un nuevo caracter. Para transferir los 10 Kbytes se producirán 10.000 interrupciones, lo que significa ejecutar 100.000 instrucciones. Luego la CPU se ocupa durante 10⁵ * 10 ns = 10⁶ ns = 10⁶ * 10^-9 s. = 0,001 s. = 1 milisegundo.

            La E/S por interrupción ha reducido en 10.000 veces el tiempo que la CPU está ocupada en atender la impresora. Sin embargo, la velocidad de la operación de E/S no ha cambiado, como era de esperar al estar dominada por la velocidad del periférico.