TEMA 4: Dispositivos de E/S

1. TEMA 4: Dispositivos de E/S

2. Contenidos • Medida de rendimiento de dispositivos de E/S. • Dispositivos de E/S básica: teclado, ratón. • Dispositivos de almacenamiento: disco duro, almacenamiento óptico. • Dispositivos de impresión. Periféricos de Computadores

3. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • El análisis de rendimiento de un dispositivo de E/S puede ser necesario en diferentes contextos: • Diseño de sistemas. • Comparación de distintos equipos y/o configuraciones. • Determinación del impacto de una mejora. • Sintonización de un sistema (determinar el conjunto de parámetros que consigue el mejor rendimiento para el sistema). • Establecimiento de las expectativas de mejora. Periféricos de Computadores

4. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Las características deseables para una métrica de rendimiento son: • Linearidad: Lo ideal es que una métrica de rendimiento varíe de manera lineal con la característica que mide, puesto que es mucho más intuitivo. Por ejemplo, si un sistema tiene un valor de 2 para una determinada métrica y se duplica su rendimiento, lo ideal es que la métrica pase a valer 4 (mucho más intuitivo que si pasa a valer 2.3 ó 30, por ejemplo). • Fiabilidad: Una métrica es fiable si el sistema A siempre tiene un rendimiento mayor que el sistema B cuando el valor de la métrica de rendimiento es mayor para A que para B. Periféricos de Computadores

5. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Repetibilidad:Una métrica es repetible cuando siempre se obtiene el mismo valor realizando el mismo experimento para un determinado sistema. • Facilidad de medida. • Consistencia: Una métrica es consistente si su definición, su significado y sus unidades son las mismas en diferentes sistemas y con diferentes configuraciones. Si una métrica no es consistente resulta imposible establecer comparaciones de manera equitativa. • Independencia: Una buena métrica de rendimiento no debe estar influida por los intereses comerciales de ninguna empresa u organización Periféricos de Computadores

6. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Las métricas de rendimiento generales que en muchos casos pueden aplicarse a los dispositivos de E/S son: • Productividad (número de tareas finalizadas por unidad de tiempo). • Latencia (tiempo que tarda en realizarse la operación de E/S). • Ancho de banda (velocidad a la que puede transferirse información hacia/desde el dispositivo). • Coste. • Consumo de potencia. Periféricos de Computadores

7. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Es muy importante distinguir los aspectos de rendimiento que se relacionan exclusivamente con el funcionamiento del dispositivo y los que incluyen también a su interfaz, buses de conexión, etc. • Ejemplo típico: Incluir los tiempos de conexión en las medidas de latencia. • Por ejemplo en el caso del disco duro. Periféricos de Computadores

8. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Además cada tipo de dispositivo periférico tendrá sus propias medidas de rendimiento dependiendo de sus funciones: • Dispositivos de almacenamiento: Capacidad, rpm, tiempos de búsqueda, de lectura y escritura, velocidad de grabación. • Monitores: Resolución, tamaño de la diagonal, contraste. • Dispositivos de impresión: Resolución, número de páginas por minuto. • Altavoces: Potencia nominal, impedancia, tipo. Periféricos de Computadores

9. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Las medidas que deben realizarse para determinar el valor de las métricas más generales pueden llevarse a cabo con diferentes técnicas. • Estas medidas pueden proporcionar directamente el valor de la métrica de rendimiento escogida o ser parte de un método algo más indirecto para su estimación. • Las herramientas más utilizadas para obtener la información del sistema que se necesita son: • Información mantenida por el SO. • Análisis de programas (profiling). • Monitores software. • Monitores hardware. Periféricos de Computadores

10. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Información mantenida por el SO • Prácticamente todos los sistemas operativos mantienen información sobre los diferentes trabajos que se están ejecutando en el sistema y sobre la utilización que se está haciendo de sus recursos. • Una desventaja de utilizar esta información para realizar medidas de rendimiento es la sobrecarga que el acceso a esta información puede suponer para el sistema. • Además, el formato en el que esta información se almacena no suele ser muy ‘amigable’ e impone bastantes restricciones en su utilización. • Normalmente esta información no es muy interesante en lo que se refiere al sistema de E/S. Periféricos de Computadores

11. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Análisis de programas (profiling) • Este tipo de técnica permite obtener información más general (a un nivel más alto de abstracción), normalmente realizando medidas del tiempo que una o varias aplicaciones están empleando los distintos recursos del sistema. • Este tipo de herramientas permiten a los programadores depurar el código de sus aplicaciones o a los administradores del sistema detectar los cuellos de botella. • Normalmente se utilizan las funciones del sistema para realizar medidas de tiempo. Periféricos de Computadores

12. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Monitores Software • Con esta técnica se ejecuta una aplicación específicamente programada para recoger la información necesaria para realizar las medidas de rendimiento. • Este tipo de monitores pueden utilizar dos técnicas: • Detección de eventos: El monitor ‘vigila’ ciertas entradas del SO para detectar eventos tales como interrupciones, llamadas al SO, finalización de rodajas de planificación,… De nuevo existen dos opciones: • Cuenta de eventos. • Traza. • Muestreo: En este caso el monitor se activa cada cierto tiempo (periodo de monitorización) para recoger información sobre el estado del sistema. Periféricos de Computadores

13. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Monitores Hardware • Son las herramientas de medida de más reciente aparición. • Las medidas de rendimiento han adquirido tanta importancia que los fabricantes han terminado por incluir en el hardware monitores que permitan contar con gran precisión una multitud de eventos. • Los eventos que permiten medir este tipo de monitores son los de más bajo nivel, relacionados estrechamente con la arquitectura del sistema. Periféricos de Computadores

14. 1. Medida de rendimiento de dispositivos de E/S • Para medir el rendimiento de un sistema es necesario que esté ejecutando algún tipo de aplicación. • Si se quiere cuantificar este rendimiento para una aplicación específica, será con esta aplicación con la que se realizarán las medidas. • Se pueden utilizar directamente las aplicaciones reales o realizar algunas modificaciones para hacer más sencillo el proceso de medida, para mejorar la portabilidad,... • Pero puede que se quiera una medida de rendimiento algo más general • En estos casos se utilizan benchmarks. Periféricos de Computadores

15. 2. Dispositivos de E/S básicaTeclado • El teclado es un dispositivo de entrada de datos que utiliza un interfaz serie (PS2, USB). • Los teclados de ordenador están formados por una matriz de teclas y un circuito integrado que se encarga de controlar esta matriz y de detectar pulsaciones. • En el momento en que se detecta la pulsación o la liberación de una tecla, se escribe su código (scan code) en un buffer intermedio del teclado y se transmite en serie este código al controlador que se encuentra en la placa base del procesador (controlador SuperIO o ICH). Periféricos de Computadores

16. 2. Dispositivos de E/S básicaTeclado • Además, cuando se produce una pulsación, el controlador transfiere un código al ordenador llamado make code, que genera una interrupción para que la rutina de tratamiento de interrupción lea el código enviado. • Es el driver para el teclado el que en esta interrupción se encarga de combinar los códigos de las teclas pulsadas (mayúsculas, teclas de función, control,...) para generar los caracteres adecuados. • Cuando se suelta una tecla, el controlador envía un código llamado break code al ordenador, y se vuelve a generar una interrupción. Periféricos de Computadores

17. 2. Dispositivos de E/S básicaTeclado • Las funciones del controlador incluido en el teclado son: • Prevenir las falsas repeticiones (rebotes de las teclas) y evitar la detección de pulsaciones incorrectas. • Traducir la tecla pulsada, identificada por su posición en la matriz, en un scan code que la identifica. Con un byte es suficiente para almacenarlo, ya que los teclados de ordenador suelen tener alrededor de 105 teclas. • Permitir que se repita un carácter si se ha pulsado una tecla durante cierto tiempo. • Detectar la pulsación simultánea de varias teclas. Periféricos de Computadores

18. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón • Los ratones son dispositivos de entrada posicionales que también utilizan un interfaz serie (PS2,USB). • El ratón funciona asociado con la interfaz de usuario gráfica, de manera que la mayor parte de las acciones vienen determinadas por la pulsación de un botón del ratón cuando éste se encuentra en una posición específica de la pantalla. • La comunicación entre el ratón y el ordenador suele consistir en mensajes de la forma: botón x apretado, botón x soltado, ratón desplazado (x,y) unidades,... Periféricos de Computadores

19. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón • Cuando se mueve el ratón o se aprieta algún botón, se transmite un paquete de datos a su interfaz y se produce una interrupción. • El driver del ratón se encarga de leer el paquete de datos y de actualizar el estado de los botones y la posición del ratón. Además, se debe encargar de mover el puntero del ratón sobre la pantalla. • Los diferentes ratones existentes en el mercado se diferencian principalmente en el interfaz que utilizan y en el método empleado para detectar el movimiento. Periféricos de Computadores

20. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón • Podemos distinguir entre ratones que utilizan métodos mecánicos y métodos ópticos. • Los primeros emplean un bola de goma que está en contacto con dos pequeños rodillos. • El movimiento de la bola es transmitido a los rodillos, que se encargan de medir separadamente la traslación en las direcciones X e Y (relativas al ratón). • Al final de cada rodillo se encuentra un disco con pequeños agujeros realizados según un patrón regular. • La rotación de estos discos es la que nos permite hacer las medidas de desplazamiento del ratón. Periféricos de Computadores

21. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón Existen dos métodos para medir el desplazamiento del ratón con estos discos: el electromecánico y el optomecánico. Periféricos de Computadores

22. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón • En cuanto a los ratones ópticos, no utilizan ningún tipo de dispositivo mecánico. • En los primeros ratones ópticos, la base del ratón tenía dos ventanas por las que un par de LEDs (uno de luz visible y otro de infrarroja) alumbraban la superficie por la que se movía el ratón. • La luz se reflejaba sobre esta superficie y volvía a entrar por las mismas ventanas, siendo detectada por dos fotodetectores. • La almohadilla era especial, con líneas negras y azules pintadas de forma alternada, porque la luz roja es absorbida por los dos tipos de líneas mientras que la luz infrarroja sólo es absorbida por las líneas negras. Periféricos de Computadores

23. 2. Dispositivos de E/S básicaRatón • Los ratones ópticos actuales utilizan un mecanismo similar pero sin necesidad de esta almohadilla especial. • Basta con estudiar el ángulo con el que se refleja la luz emitida por un LED y recogida por un sensor CMOS. Para ello la superficie por la que se mueve el ratón debe ser lisa y que permita reflexiones. • Existen todo tipo de mecanismos más o menos “exóticos” para detectar el movimiento. • Hay ratones ópticos que se basan en la utilización de una microcámara que toma fotografías de la superficie por la que se desplaza el ratón y comparando fotografías con un DSP decide cuál ha sido el desplazamiento que se ha producido. Periféricos de Computadores

24. 2. Dispositivos de E/S básicaTeclado y Ratón • Hoy en día también hay que mencionar los dispositivos basados en tecnologías wireless. • Necesitan un dispositivo receptor conectado de alguna manera al PC (por alguno de sus puertos, normalmente USB) y un transmisor en el dispositivo que se conecta sin cables. • El receptor se alimenta por el puerto y el transmisor necesita algún tipo de batería. • En el caso del teclado y del ratón casi siempre con infrarrojos ya que se suelen utilizar a distancias cortas del receptor (hasta 5 m) y sin obstáculos. Periféricos de Computadores

25. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Un disco duro está formado por varias superficies circulares y rígidas, cada una de ellas compuesta por un sustrato y un medio magnético. • El sustrato es la base de cada plataforma, y debe ser de un material no magnético capaz de cortarse en láminas muy finas. • Suele fabricarse con una aleación de aluminio o con una mezcla de cristal y cerámica. • El sustrato se recubre por las dos caras con un medio magnético en el que se pueda almacenar la información. • Al principio se oxidaba el sustrato, pero ahora se crece sobre él una película fina de metal. Periféricos de Computadores

26. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro Periféricos de Computadores

27. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Los discos se encapsulan herméticamente en un vacío parcial porque deben estar completamente aislados de cualquier tipo de partícula que pueda corromper la información que almacenan. • Dentro de la caja del disco se pueden encontrar dos o más plataformas una sobre otra, compartiendo el eje central movido por un motor que hace que giren todas al mismo tiempo (a más de mil revoluciones por minuto). • Entre una superficie y la siguiente están los cabezales de lectura/escritura, que están montados al final de un brazo mecánico. Hay un cabezal para cada superficie de cada plataforma. Periféricos de Computadores

28. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Los cabezales se mantienen a 0.07 mm (en algunos casos, menos todavía) de las superficies, gracias al aire que levantan éstas al girar. • Cuando el disco para de girar, los cabezales llegan a tocar las superficies. • Para esto hay en cada una de ellas una zona llamada ‘landing zone’, en la que nunca se almacena información para que no resulte dañada con el contacto de los cabezales. Periféricos de Computadores

29. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Cada superficie se divide en pistas concéntricas alrededor del eje del disco. Los datos se almacenan en serie dentro de cada pista. • Las pistas que se encuentran en la misma zona de las diferentes superficies (unas encima de otras) forman un cilindro. Se puede acceder a toda la información contenida en un cilindro sin necesidad de desplazar los cabezales. • La mínima unidad accesible en el disco se denomina sector (típicamente 512 bytes). • La división de una pista en sectores puede ser: • Hardware. • Software. Periféricos de Computadores

30. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Las superficies magnéticas se tratan como un conjunto discreto de puntos o ‘dots’, de manera que cada uno de ellos puede tener magnetización en un sentido o en otro: uno corresponde al 1 y otro al 0. • Estos puntos no tienen una localización absoluta. Para que los cabezales puedan ubicarlos son necesarias una serie de marcas en la superficie de las plataformas. Estas marcas son las que fija el formateo del disco. Periféricos de Computadores

31. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Como el disco está girando constantemente, una vez que se conoce la localización de los datos, basta con situar los cabezales sobre la pista adecuada. • Para ello, el controlador del disco envía las órdenes adecuadas al motor que controla el brazo con los cabezales de lectura/escritura. • Los cambios de sentido en la magnetización de la superficie inducen pulsos de corriente en el cabezal. Y estos pulsos se traducen en información digital para el procesador. Periféricos de Computadores

32. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Las operaciones de escritura se realizan de manera similar a a las lecturas, aplicando pulsos de corriente a los cabezales para modificar la magnetización de las superficies. • Además de los datos almacenados en el disco, es necesaria ‘servo información’. Es decir, información sobre la localización actual de los cabezales. • Esta información puede almacenarse en un servo plataforma o se puede intercalar con los datos. Periféricos de Computadores

33. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Por último hay que mencionar una técnica denominada zone recording, que se utiliza actualmente en todos los discos duros para mantene la densidad de información constante en todas las pistas del disco • Por lo que las pistas externas contienen más sectores que las internas. • Así la velocidad de transferencia de información en las zonas externas es mayor que en las internas. Periféricos de Computadores

34. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro Periféricos de Computadores

35. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Métricas de rendimiento • Velocidad de rotación del disco(en rpm) • Tiempo de búsqueda (en ms): Es el tiempo que el cabezal de lectura/escritura tarda en alcanzar la pista en la que se encuentra la información buscada. • Latencia (en ms): Es el tiempo medio que tarda un sector en colocarse bajo el cabezal una vez que ha sido localizada su pista (después de transcurrido el tiempo de búsqueda). Se calcula fácilmente, como la mitad del tiempo que tarda el disco en dar un rotación completa. Periféricos de Computadores

36. 3. Dispositivos de almacenamientoDisco Duro • Tiempo medio de acceso a disco (en ms): Es el tiempo medio que transcurre desde que la CPU solicita un dato hasta que lo tiene disponible. Incluye el tiempo de búsqueda, la latencia y otros retardos de comunicación y procesamiento. • Velocidad de transferencia del disco (en MBS): Velocidad a la que los datos se transfieren desde y hacia las superficies. Depende de las características físicas del disco: de las velocidades de lectura y escritura. • Velocidad de transferencia de datos (DTR) (en MBs): Velocidad a la que el procesador puede enviar o recibir datos. Es más bien una característica del interfaz del disco, sea ATA o SCSI. • Debido a la utilización del zone-recording muchas de estas métricas se dan como un rango, con un valor mínimo y otro máximo. Periféricos de Computadores

37. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Hoy en día todos los computadores utilizan almacenamiento magnético (discos duros) y almacenamiento óptico (CD y DVD). • En un principio se pensó que el almacenamiento óptico sustituiría completamente al magnético, pero esto no ha sido así debido a su menor velocidad y densidad de almacenamiento. • Por lo tanto, estos dos tipos de almacenamiento conviven en los sistemas actuales con funciones muy diferentes. • Magnético: Almacenamiento directo, ‘online’ • Óptico: Almacenamiento permanente, backups Periféricos de Computadores

38. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Un CD está compuesto por tres capas de diferentes materiales: • Una plataforma de cristal de policarbonato en la que está grabada la información. • Una capa muy fina de aluminio que permite las reflexiones del láser de lectura. • Una última capa de un material acrílico para proteger al CD del medio externo: del polvo,... • La información se graba con un láser de alta potencia mediante una serie de agujeros y elevaciones sobre el policarbonato. • Los datos quedan almacenados en el CD en una pista continua en forma de espiral, desde el centro del CD hacia el exterior. Periféricos de Computadores

39. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Para leer la información se utiliza un láser de infrarrojo (y menor potencia) y un motor que haga girar el CD. • La luz del láser pasa por el cristal de policarbonato y se refleja en el aluminio. • La luz que ha pasado por una elevación está desfasada 180º de la luz que ha pasado por los agujeros. Estas diferencias se convierten en pulsos eléctricos. • El resultado es que la serie de agujeros y elevaciones que hay en la pista del CD se interpretan como los 0’s y 1’s que se habían grabado. Periféricos de Computadores

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41. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • La pista de información de un CD se divide en seis zonas diferentes: • Una primera que no contiene información. • Power Calibration Area (PCA): En los CD’s grabables, es la zona en la que se calibra la potencia del láser necesaria para escribir adecuadamente en el CD. • Program Memory Area (PMA): También en los CD’s grabables, almacena la tabla de contenidos del CD, hasta que éste no se cierre. Periféricos de Computadores

42. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Lead-in: Tabla de contenidos definitiva del CD, de la que se lee para localizar la información en la pista única del disco. • Área de datos. • Lead-out: Zona que indica el final de la pista. • En función de la densidad con la que se pueda grabar esta información, hay dos tipos de CD’s: • 74 minutos o 650 MB. • 80 minutos 0 700 MB. Periféricos de Computadores

43. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Un DVD (Digital Versatile Disc) no es más que un CD de alta capacidad, puesto que su funcionamiento se basa en los mismos principios. • ¿Por qué se consigue almacenar la información con una densidad mayor? • Los agujeros y elevaciones utilizados para codificar la información son de menor tamaño. • Hay menos espacio entre las vueltas de la pista en espiral. Y además se puede grabar el policarbonato por las dos caras. • La codificación de la información y de las técnicas de detección de errores son más eficientes. Periféricos de Computadores

44. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Puesto que la información se almacena con marcas de menor tamaño, el láser que se utiliza es de una longitud de onda menor: rojo. • Existen DVD’s de cuatro capacidades diferentes: • DVD5 (4.7 GB): 1 cara, 1 capa. • DVD6 (8.5 GB): 1 cara, 2 capas. • DVD7 (9.4 GB): 2 caras, 1 capa. • DVD8 (17.1 GB): 2 caras, 2 capas. Periféricos de Computadores

45. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico La segunda capa (L1) tiene una reflectividad mucho mayor que la primera y mayor sensibilidad al láser, de esta forma se compensa la pérdida de intensidad producida al atravesar el metal semitransparente de la capa L0. Periféricos de Computadores

46. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Métricas de rendimiento • Velocidad de transferencia de datos (en MBs):Velocidad a la que el procesador puede enviar o recibir datos. Dependerá del interfaz utilizado y de las características del dispositivo. La velocidad base es 153.6 KBs, y el resto se expresan como multiplicadores: 20x es 20·153.6, 40x es 40·153.6, … • Para un CD-RW: A/B/C (velocidad para escribir en CD-R, para escribir en CD-RW y para leer, respectivamente). • Para un CD-RW/DVD: A/B/C-D (se añade D, velocidad para leer de DVD). Periféricos de Computadores

47. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Velocidad de rotación para CD’s (en rpm): Existen dos tipos de tecnología • CLV (Constant Linear Velocity): El disco gira a diferente velocidad según se lea la información de la zona más interna del CD o de la más externa. Esto se hace para que la velocidad de transferencia de información sea constante (en la zona interna la espiral está más ‘apretada’ y se debe girar más rápido). La velocidad base es 1.3 m/s, que implica variaciones entre 212 rpm y 540 rpm. El problema de esta técnica es que es muy difícil pasar de 12x, porque no hay motores que puedan cambiar las rpm a velocidades tan altas. Periféricos de Computadores

48. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • CAV (Constant Angular Velocity): El disco gira siempre a la misma velocidad. Todos los dispositivos 16x o superiores utilizan esta técnica. Entonces hay que tener en cuenta que un dispositivo CAV 16x consigue esta velocidad para unas zonas del CD pero no para todas. De hecho, en media, es más lento que un CLV 12x, que siempre consigue esta velocidad. • Muchos dispositivos utilizan CLV para grabar (más fiable por llevar velocidad constante) y CAV para leer. Periféricos de Computadores

49. 3. Dispositivos de almacenamientoAlmacenamiento óptico • Velocidad de rotación para DVD’s (en rpm): Ocurre lo mismo que con los CD’s, aunque en este caso la velocidad base son 3.49 m/s (entre 151.5 y 570 rpm). • Casi todos los dispositivos son CAV. • Tiempo medio de acceso a disco (en ms): La definición es la misma que para los discos duros, aunque si para éstos un valor típico es de 8 ms, en el caso del almacenamiento óptico no suele bajarse de 100 ms (hay que tener en cuenta que hay un único punto de lectura y que la información se almacena en una única pista). Periféricos de Computadores

50. 4. Dispositivos de impresiónImpresoras de inyección de tinta • Se empezaron a utilizar en los años 90, primero las tricolor y a continuación los modelos de cuatro colores. • Son bastante económicas (mantenimiento, cartuchos,...) y no precisan de la utilización de un papel especial. • Las impresoras de Epson se basan en la utilización de un cristal piezoeléctrico. • La tinta se almacena en un depósito y se bombea hasta un cavidad con un cristal de este tipo montado al fondo. • El cristal vibra con una frecuencia ultrasónica (100 kHz) y hace que la tinta salga de la cavidad por un agujero de alrededor de 0.06 mm de diámetro (como un cabello humano). • Así se produce un corriente de alta velocidad de pequeños puntos de tinta hacia el papel. Periféricos de Computadores