El sistema de entrada/salida (E/S) de un computador es el conjunto de dispositivos y software que permiten la comunicación entre el computador y el mundo exterior. En estos apuntes nos centraremos en el software y cómo el computador gestiona esos dispositivos
EL SISTEMA DE E/S
En este bloque estudiaremos una parte fundamental del computador, ya
que es lo que se encarga de comunicar el computador con su entorno.
Cuando hablamos de la comunicación del computador con su entorno,
estamos hablando en realidad de tres elementos diferentes:
Los periféricos: Dispositivos que realizan una comunicación directa
con el entorno. Pueden ser la pantalla, el ratón, el teclado…
Las interfaces: Van a ser los componentes encargados de realizar la
adaptación entre el tipo de señales que usan los periféricos al código
binario que utiliza la máquina.
El sistema de interconexión: Nos referimos a las tecnologías y
dispositivos que se usan para mover la información, aunque este
sistema de interconexión no solo se utiliza en la comunicación entre
el computador y su entorno ya que, por ejemplo, también se utiliza en
el paso de datos de memoria principal a caché. Pero es el responsable
de la diversidad de las tecnologías que hay para adaptarse a los
requerimientos de la comunicación de los periféricos.
Ahora que ya sabemos que estos tres elementos participan en la
comunicación del computador con el entorno, aunque es cierto que en la
práctica se suelen estudiar de forma independiente.
4.1. LAS INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA
Las interfaces forman parte del sistema de entrada y salida de todos los
periféricos del sistema, normalmente, cada periférico tiene una interfaz,
pero puede darse la situación de que la misma interfaz gestione varios
periféricos.
Por lo general, cualquier operación de entrada y salida lo que hace es
trasmitir información entre el sistema de memoria y el periférico, la
dirección de la comunicación se va a establecer siempre desde el punto de
vista del computador. Por tanto, una operación de entrada consiste en una
transmisión de información desde el periférico, a través de la interfaz, al
sistema de memoria y una operación de salida consiste en esa transmisión
de información que hemos mencionado previamente, pero en el sentido
contrario; ahora es el sistema de memoria el que transmite la información, a
través de una interfaz, al sistema de memoria.
UBICACIÓN DE LOS ESPACIOS DE DIRECCIONES
Para poder llevar a cabo estas operaciones que hemos descrito de entrada y
salida la CPU va a necesitar acceder a esas interfaces para leer o escribir
esa información. Este acceso se va a realizar asignando direcciones de
memoria a las diferentes interfaces y estas direcciones se van a
implementar como posiciones dentro del espacio de direcciones de la CPU.
Las operaciones de entrada y salida consistirán en la lectura y escritura de
las direcciones que se encuentran en dichas posiciones de memoria. Lo que
ocurra en la operación, ya sea de entrada o de salida, va a depender de la
interfaz.
, Por ejemplo, tenemos una interfaz que se corresponde con un video, la
interfaz se encargara de mostrarnos el video por pantalla. Pero si lo que
tenemos es una interfaz que se corresponde con un audio, la interfaz se
encargará de que la información del audio se escuche, pero no de que se
muestre por pantalla. Este es un ejemplo muy visual de que no todas las
interfaces hacen lo mismo.
Los computadores cuyas CPU tiene únicamente un espacio de direcciones
de memoria, van a ubicar las interfaces de todos los periféricos en el
espacio de direcciones de memoria. Esto es una técnica que se conoce
como entrada y salida mapeada en memoria y consiste en reservar un
cachito del espacio de direcciones de memoria para las interfaces de
entrada y salida con el objetivo de simplificar los accesos. El inconveniente
es que le estamos quitando un espacio al espacio de direcciones de
memoria, estamos reduciendo el espacio disponible para la memoria
principal.
Hay otras CPU, por ejemplo, la que implementan la arquitectura x86, que
van a disponer del espacio de direcciones de memoria y de otro espacio de
direcciones adicional que va a recibir el nombre de espacio de direcciones
de entrada y salida, y es en este espacio donde irán ubicadas las interfaces.
En este caso estamos ante un mecanismo de entrada y salida separada. Lo
cual no ofrece la ventaja de que no le tenemos que quitar nada a la
memoria principal y podrá disponer de todo el tamaño del espacio de
direcciones de memoria.
PROTECCIONES
Si miramos desde el punto de vista de la entrada y salida lo que diferencia
una CPU que soporte sistemas operativos multitarea de los que no es la
limitación de las entradas de los periféricos, estas limitaciones lo que hacen
es impedir a las tareas acceder directamente a las interfaces, únicamente el
sistema operativo podrá acceder a ellas. La protección de estas interfaces
se va a llevar a cabo asignando un nivel de privilegio de supervisor a las
páginas de memoria en las que se ubican las interfaces, con esto
conseguimos que el periférico no pueda acceder directamente a la interfaz.
La lectura y escritura se va a llevar a cabo empleando una serie de
instrucciones, por ejemplo, la instrucción in y out de la arquitectura x86, y la
protección del espacio de direcciones de entrada y salida se va a conseguir
permitiendo ejecutar esas instrucciones únicamente en modo supervisor. Lo
que va a ocurrir entonces es que la aplicación llamara al sistema operativo
que llamara a las interfaces que llamaran al periférico, y al revés para
devolver el dato.
Vamos a tener también diferentes técnicas de entrada y salida y la CPU va a
necesitar sincronizarse con esas entradas y salidas.
La CPU y los periféricos van a poder iniciar operaciones de entrada y salida.
Si es la CPU la que inicia la operación, el programa llegara una instrucción
en la que necesitemos una operación de E/S, por ejemplo, un programa que
nos solicite un número, pues la CPU llamara al periférico teclado. En el caso
contrario, que sea el periférico el que inicie la operación, la interfaz del
periférico dispondrá de unos datos que le ha mandado el periférico, la CPU
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