4. Entrada Y Salida
Funciones que realiza
Vamos a señalar las funciones que
debe realizar un computador
para ejecutar trabajos de entrada/salida:
Direccionamiento o selección
del dispositivo que debe llevar a cabo la operación de
E/S.
Transferencia de los datos entre el
procesador y el
dispositivo (en uno u otro sentido).
Sincronización y coordinación de las operaciones.
Esta última función es
necesaria debido a la deferencia de velocidades entre los
dispositivos y la CPU y a la
independencia
que debe existir entre los periféricos y la CPU (por
ejemplo, suelen tener relojes diferentes).
Se define una transferencia elemental de información como la transmisión de
una sola unidad de información (normalmente un byte) entre el
procesador y el
periférico o viceversa. Para efectuar una transferencia
elemental de información son precisas las siguientes
funciones:
Establecimiento de una comunicación física entre el
procesador y el periférico para la transmisión de
la unidad de información.
Control de los
periféricos, en que se incluyen operaciones como
prueba y modificación del estado del
periférico. Para realizar
estas funciones la CPU gestionará las líneas de
control
necesarias.
Definiremos una operación de E/S como el conjunto
de acciones
necesarias para la transferencia de un conjunto de datos (es decir,
una transferencia completa de datos). Para la realización
de una operación de E/S se deben efectuar las siguientes
funciones:
Recuento de las unidades de información
transferidas (normalmente bytes) para reconocer el fin de
operación.
Sincronización de velocidad
entre la CPU y el periférico.
Detección de errores (e incluso corrección)
mediante la utilización de los códigos necesarios
(bits de paridad, códigos de redundancia cíclica,
etc.)
Almacenamiento
temporal de la información. Es más eficiente
utilizar un buffer temporal específico para las
operaciones de E/S que utilizan el área de datos del
programa.
Conversión de códigos, conversión
serie/paralelo, etc.
Dispositivos externos
Una de las funciones básicas del computador es
comunicarse con los dispositivos exteriores, es decir, el
computador debe ser capaz de enviar y recibir datos desde estos
dispositivo. Sin esta función,
el ordenador no sería operativo porque sus cálculos
no serían visibles desde el exterior.
Existe una gran variedad de dispositivos que pueden
comunicarse con un computador, desde los dispositivos
clásicos (terminales, impresoras,
discos, cintas, cte.) hasta convertidores A/D y D/A para
aplicaciones de medida y control de procesos, De
todos los posibles periféricos, algunos son de lectura, otros
de escritura y
otros de lectura y
escritura (es
importante resaltar que este hecho siempre se mira desde el punto
de vista del proceso). Por
otra parte, existen periféricos de almacenamiento
también llamados memorias
auxiliares o masivas.
La mayoría de los periféricos están
compuestos por una parte mecánica y otra parte electrónica. Estas partes suelen separarse
claramente para dar una mayor modularidad. A la componente
electrónica del periférico se le
suele denominar controlador del dispositivo o, también,
adaptador del dispositivo. Si el dispositivo no tiene parte
mecánica (como, por ejemplo, la pantalla de
un terminal), el controlador estará formado por la parte
digital del circuito. Frecuentemente los controladores de los
dispositivos están alojados en una placa de circuito
impreso diferenciada del resto del periférico. En este
caso es bastante habitual que un mismo controlador pueda dar
servicio a
dispositivos de características similares.
El principal problema planteado por los
periféricos es su gran variedad que también afecta
a las velocidades de transmisión. Por tanto, el mayor
inconveniente que encontramos en los periféricos es la
diferencia entre sus velocidades de transmisión y la
diferencia entre éstas y la velocidad de
operación del computador.
Uso de interrupciones
Un computador debe disponer de los elementos suficientes para que
el programador tenga un control total sobre todo lo que ocurre
durante la ejecución de su programa. La
llegada de una interrupción provoca que la CPU suspenda la
ejecución de un programa e inicie la de otro (rutina de
servicio de
interrupción). Como las interrupciones pueden producirse
en cualquier momento, es muy probable que se altere la secuencia
de sucesos que el programador había previsto inicialmente.
Es por ello que las interrupciones deber controlarse
cuidadosamente.
De esta forma, podemos resumir todos las etapas seguidas ante una
interrupción en un sistema dotado de
vectorización. Estos pasos son los siguientes:
El dispositivo envía la solicitud de interrupción
mediante la línea INTR.
El procesador termina la ejecución de la
instrucción en curso y analiza la línea de
petición de interrupción, INTR. Si esta
línea no está activada continuará
normalmente con la ejecución de la siguiente
instrucción, en caso contrario se pasa a la etapa
siguiente.
La CPU reconoce la interrupción, para informar al
dispositivo de ello, activa la línea de reconocimiento de
interrupción, INTA.
El dispositivo que reciba la señal INTA envía el
código
de interrupción por el bus de datos.
La CPU calcula la dirección de memoria donde se
encuentra la rutina de servicio de interrupción (vector de
interrupción).
El estado del
procesador, y en particular el contador de programa, se salva en
la pila de la misma forma que en una llamada a procedimiento.
La dirección de la rutina de servicio de
interrupción se carga en el contador de programa, con lo
que se pasa el control a la citada rutina.
La ejecución continúa hasta que el procesador
encuentre la instrucción de retorno de
interrupción.
Cuando se encuentre la instrucción de retorno de
interrupción se restaura el estado del
procesador, en especial el contador de programa, y se devuelve el
control al programa interrumpido.
Normalmente la primera instrucción de la rutina de
servicio tendrá como fin desactivar las interrupciones
para impedir el anidamiento, por otra parte, antes de devolver el
control al programa interrumpido se volverán a habilitar
si es necesario.
Tipos
Dispositivos de entrada
Estos dispositivos permiten al usuario del ordenador introducir
datos, comandos y
programas en
la CPU. El dispositivo de entrada más común es un
teclado
similar al de las máquinas
de escribir. La información introducida con el mismo, es
transformada por el ordenador en modelos
reconocibles. Otros dispositivos de
entrada son los lápices ópticos, que transmiten
información gráfica desde tabletas
electrónicas hasta el ordenador; joysticks y el
ratón o mouse, que
convierte el movimiento
físico en movimiento
dentro de una pantalla de ordenador; los escáneres
luminosos, que leen palabras o símbolos de una
página impresa y los traducen a configuraciones
electrónicas que el ordenador puede manipular y almacenar;
y los módulos de reconocimiento de voz, que convierten la
palabra hablada en señales digitales comprensibles para el
ordenador. También es posible utilizar los dispositivos de
almacenamiento para introducir datos en la unidad de proceso. Otros
dispositivos de
entrada, usados en la industria, son
los sensores.
Dispositivos de Entrada/Salida
Los dispositivos de
almacenamiento externos, que pueden residir
físicamente dentro de la unidad de proceso principal del
ordenador, están fuera de la placa de circuitos
principal. Estos dispositivos almacenan los datos en forma de
cargas sobre un medio magnéticamente sensible, por ejemplo
una cinta de sonido o, lo que
es más común, sobre un disco revestido de una fina
capa de partículas metálicas. Los dispositivos de
almacenamiento externo más frecuentes son los disquetes y
los discos duros,
aunque la mayoría de los grandes sistemas
informáticos utiliza bancos de
unidades de
almacenamiento en cinta magnética. Los discos
flexibles pueden contener, según sea el sistema, desde
varios centenares de miles de bytes hasta bastante más de
un millón de bytes de datos. Los discos duros
no pueden extraerse de los receptáculos de la unidad de
disco, que contienen los dispositivos electrónicos para
leer y escribir datos sobre la superficie magnética de los
discos y pueden almacenar desde varios millones de bytes hasta
algunos centenares de millones. La tecnología de
CD-ROM, que
emplea las mismas técnicas
láser
utilizadas para crear los discos compactos (CD) de audio,
permiten capacidades de almacenamiento del orden de varios
cientos de megabytes (millones de bytes) de datos. También
hay que añadir los recientemente aparecidos DVD que
permiten almacenar más de 4 Gb de
información.
Dispositivos de salida
Estos dispositivos permiten al usuario ver los resultados de los
cálculos o de las manipulaciones de datos de la
computadora. El dispositivo de salida más común
es la unidad de visualización, que consiste en un monitor que
presenta los caracteres y gráficos en una pantalla similar a la del
televisor. Por lo general, los monitores
tienen un tubo de rayos catódicos como el de cualquier
televisor, aunque los ordenadores pequeños y
portátiles utilizan hoy pantallas de cristal
líquido (LCD, acrónimo de Liquid Crystal Displays)
o electroluminiscentes. Otros dispositivos de salida más
comunes son las impresoras,
que permiten obtener una copia impresa de la información
que reside en los dispositivos de almacenamiento, las tarjetas de
sonido y los
módem. Un módem enlaza dos ordenadores
transformando las señales digitales en analógicas
para que los datos puedan transmitirse a través de las
líneas telefónicas convencionales.
Componentes digitales
Circuitos
integrados
Un circuito digital se construye con circuitos
integrados. Este cuenta con diferentes componentes
electrónicos que interconectados forman los circuitos
requeridos.
Cada CI tiene una designación numérica impresa en
la superficie, para su identificación.
Clasificación con respecto a su tamaño:
SSI: Integración en escala
pequeña (Hasta 10 compuertas)
MSI: Integración en escala media
(Hasta 200 compuertas)
LSI: Integración en gran escala (Unos cuantos miles de
compuertas)
VLSI: Integración en muy gran escala (Miles de
compuertas)
Clasificación con respecto a su tecnología (Familias
lógicas):
TTL: Lógica
de transistor –
transistor (La
más popular)
ECL: Lógica
de emisor acoplado (Muy rápidos, para supercomputadoras
)
MOS: Metal óxido semiconductor metálico ( Alta
densidad de
integración de circuitos)
CMOS: Metal óxido semiconductor complementario (Para
sistemas que
requieren bajo consumo de
energía)
Decodificadores
Un decodificador de un circuito combinatorio que convierte la
información binaria de las n entradas codificadas a un
máximo de 2n salidas únicas.
Decodificador de 3 a 8 líneas Sirve para convertir de
binario a octal.
Entrada de habilitación
La entrada de habilitación (E) sirve para controlar el
funcionamiento del circuito.
El decodificador se activa o habilita cuando E es 1 y se
desactiva cuando E es 0. Decodificador de compuerta NAND
Este decodificador se construye con compuertas NAND en lugar de
AND.
El circuito funciona con salidas complementadas y una entrada de
habilitación E complementada.
Expansión del decodificador
Es posible combinar dos o mas decodificadores pequeños con
entradas de habilitación para formar un decodificador
mayor.
Decodificador 3 x 8 construido con dos decodificadores 2 x 4.
Aquí es muy útil la entrada de habilitación
para interconectar los dos circuitos.
Codificadores
Un codificador realiza la operación inversa de un
decodificador.
Un codificador tiene 2n ( o menos) líneas de
entrada y n líneas de salida.
Ejemplo: Codificador de octal a binario
Multiplexores
Un multiplexor es un circuito combinatorio que recibe
información binaria de una de 2n líneas
de datos de entrada y la dirige a una línea de salida
única.
Multiplexor de 4 a 1 líneas
En lugar de usar una tabla de verdad para describir el
funcionamiento del multiplexor, se utiliza una tabla de
función. Al multiplexor también se le llama
selector de datos, y su abreviatura es MUX.
Los multiplexores
también pueden tener entrada de habilitación, y al
igual que antes sirve para ampliar dos o más multiplexores
a un multiplexor con un número mayor de entradas.
Multiplexores cuádruples 2 a 1 líneas.
Registros
Un registro es un
grupo de
flip-flops, donde cada flip-flop es capaz de almacenar un bit de
información.
Un registro de n
bits es un grupo de n
flip-flops y es capaz de almacenar cualquier información
binaria de n bits.
Un registro puede tener compuertas combinatorias que ejecuten
ciertas tareas de procesamiento de
datos.
El registro mas simple es aquel que se compone sólo de
flips-flops, sin compuertas externas.
Ejemplo: Registro de 4 bits
La entrada común de reloj dispara todos los flips-flops y
los datos binarios disponibles en las entradas se transfieren al
registro de 4 bits.
La entrada de borrar va a una terminal especial de cada
flip-flop. Cuando esta entrada va a 0, todos los flip-flops se
borran en forma asíncrona.
Carga de registro
La transferencia de nueva información a un registro se
llama carga de registro.
Si todos los bits del registro se cargan simultáneamente
con una transición de pulso de reloj común, se dice
que la carga se hizo en paralelo.
Registro con carga paralela
La entrada de carga determina si el pulso siguiente
aceptará la nueva información o dejará la
información en el registro intacta.
Ejemplo: Registro de 4 bits con carga paralela.
Cuando la entrada de carga es 1, los datos en las cuatro entradas
se transfieren al registro con la siguiente transición
positiva del pulso de reloj.
Entrada de carga
La entrada de carga en el registro determina la acción que
va a tomarse con cada pulso de reloj.
La conexión de retroalimentación de la salida a la entrada
es necesaria porque los flip-flops D no tienen condición
"sin cambio".
Registros de corrimiento
Un registro capaz de desplazar su información binaria en
una o en ambas direcciones se llama registro de corrimiento.
La configuración lógica consta de una cadena de
flip-flops en cascada, con la salida de un flip-flop conectada a
la entrada del siguiente.
La entrada serial determina qué va en la posición
extrema izquierda durante el corrimiento.
Además se podría tener una entrada que habilite el
corrimiento.
Registro de corrimiento bidireccional con carga paralela
Un registro capaz de tener corrimientos en una sola
dirección se llama registro de corrimiento unidireccional
y uno que puede
tener corrimientos en ambas direcciones se llama registro de
corrimiento bidireccional.
Capacidades de un registro de corrimiento general:
Una entrada para sincronizar las operaciones (reloj)
Corrimiento a la derecha y su línea serial
Corrimiento a la izquierda y su línea serial
N líneas de entrada para la carga en paralelo
N líneas de salida en paralelo
Un estado de
control ( Entrada de carga)
Registro de corrimiento bidireccional de 4 bits con carga
paralela
Contadores binarios
A un registro que al aplicarse pulsos de entrada pasa a
través de una secuencia de estados predeterminada se le
llama contador.
Los pulsos de entrada pueden ser pulsos de reloj o pueden
originarse de una fuente externa. Pueden ocurrir a intervalos
regulares o aleatoriamente.
Un contador que sigue la secuencia de números binarios se
le llama contador binario.
Un circuito contador empleará usualmente flip-flops con
capacidades complementarias (JK y T).
Contador binario síncrono de 4 bits Contador binario con
carga en paralelo
Algunos contadores cuentan con capacidades de carga en paralelo
para transferir el número binario previo a la
operación de conteo.
Contador binario de 4 bits con carga paralela y limpieza
síncrona . Incremento
La operación de incremento suma uno al contenido de un
registro.
Unidad de memoria
Una unidad de memoria es un
conjunto de celdas de almacenamiento junto con los circuitos
asociados que se necesitan para meter y sacar la
información del almacenamiento.
La memoria
almacena información binaria en grupos de bits
que se denominan palabras.
Una palabra en la memoria es
una entidad de bits que se introducen o sacan del almacenamiento
como una unidad.
Un grupo de ocho bits se denomina byte
La estructura
interna de una unidad de memoria está especificada por el
número de palabras que contiene y la cantidad de bits en
cada palabra.
Unas líneas especiales de entrada, llamadas líneas
de direccionamiento, seleccionan una palabra particular.
A cada palabra en la memoria se le asigna un número de
identificación, llamado una dirección, que comienza
en cero y continúa con 1,2,3, hasta 2k-1 donde
k es la cantidad de líneas de dirección.
Se selecciona una palabra específica en la memoria, al
aplicar la dirección binaria de k bits a las líneas
de dirección.
Un decodificador dentro de la memoria acepta esta
dirección y abre las trayectorias necesarias para
seleccionar los bits de la palabra especificada.
Memoria de acceso aleatorio
En la memoria de acceso aleatorio (RAM), las celdas
de la memoria pueden accesarse para la transferencia de
información en cualquier posición aleatoria
deseada.
Las n líneas de entrada de datos proporcionan la
información que se va a almacenar en la memoria, y las n
líneas de datos de salida proporcionan la
información que sale de la memoria. Las dos entradas de
control especifican la dirección de transferencia que se
desea.
Diagrama de
bloque de memoria de acesso aleatorio (RAM) (Figura
2.12)
Las dos operaciones que puede ejecutar una memoria de acceso
aleatorio son la lectura y
la escritura.
Los pasos para el almacenaje son:
Aplicar la dirección binaria deseada a las líneas
de direccionamiento
Aplicar los bits de los datos que deben almacenarse en la memoria
a las líneas de entrada de datos
Activar la entrada de escritura.
Los pasos para sacar una palabra almacenada son:
Aplicar la dirección binaria de la palabra deseada a las
líneas de direccionamiento
Activar la entrada lectura
Memoria de sólo lectura
Una memoria de sólo lectura (ROM) es una unidad de memoria
que sólo ejecuta la operación de lectura; no tiene
posibilidad de escritura.
Una ROM m x n es un arreglo de celdas binarias organizadas en m
palabras de n bits cada una. (Figura 2.13)
Una ROM tiene k líneas de entrada de dirección para
seleccionar una de 2k = m palabras de memoria, y n
líneas de salida.
Tipos de ROM
Programación por mascarilla
La programación por mascarilla es realizada
por la compañía que produce el semiconductor
durante la parte final del proceso de fabricación de la
unidad.
PROM
PROM significa memoria programable de sólo lectura. Al
inicio la unidad tiene todos los fusibles intactos. Los fusibles
se funden al aplicar pulsos de corriente. Un fusible fundido
define un estado 0 binario y un fusible intacto da un estado 1
binario.
Existen en el comercio,
programadores de PROM para facilitar el proceso.
Este proceso es irreversible.
EPROM
Este tipo de ROM se puede borrar gracias a una luz ultravioleta
especial.
Después de borrarse, las EPROM regresan a su estado
inicial y puede reprogramarse con un nuevo conjunto de
palabras.
EEPROM
Algunas PROM se borran con señales eléctricas, se
les conoce como PROM borrables
electrónicamente.
Gran parte de nuestro planeta esta
interconectándose a la red de la Internet, esta siendo
manejado por computadores que cada día avanzan mas y mas,
obligando a la humanidad a avanzar con ella, a los países
del tercer mundo, a los adultos, jóvenes y niños a
estudiar mas sobre el tema para no quedarse atrás puesto
que caerían en una especie de analfabetismo
con respecto a los computadores, a la humanidad y hasta los
países desarrollados que en gran parte son los que mueven
este mundo donde solo el "estudiante" o el que estudia triunfa
para formar parte de este mundo llamado Tierra.
*http://www.lafacu.com/apuntes/informatica/arquitec/default.htm#_Toc441327031
*http://www.geocities.com/delicadob/tema0/tema0.htm#SA
*http://www.una.ac.cr/u/ararce/Arquitectura/leccion3.html
Autor:
Kenyiro Rivas Yonekura
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