Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 11: Hệ thống xuất nhập

BÀI 11 HỆ THỐNG XUẤT NHẬP THIẾT BỊ NGOẠI VI

Mỗi thiết bị ngoại vi gắn vào computer qua liên kết đến I/O module Liên kết dùng để trao đổi control, status data I/O module với thiết bị ngoại vi Status (đến I/O module) Control Data (từ I/O modue) Điều khiển luận lý Bộ đệm Bộ biến đổi Thiế Thiết bị ngoạ ngoại vi Data đến từ môi trường Có ba loaiï thiết bị ngoại vi:


Human-readable Machine-readable Communication I/O module
Là thực thể nằm máy tính chịu trách nhiệm điều khiển hay nhiều thiết bị ngoại vi để trao đổi data với main memory register CPU=> I/O module có interface Address bus Data bus System bus Control bus I/O module Các liên kết đến thiết bị ngoại vi Mô hình chung củ I/O module Yêu cầu tối thiểu chức I/O module: Điều khiển định thời
Truyền thông với CPU
Truyền thông với ngoại vi
Đệm liệu
Phát lỗi (ví dụ)
Giao tiếp với system bus Data bus Data Thanh ghi data Logic giao tiếp thiết bị ngoại vi Status Conrol Thanh ghi status/control Addr bus Control bus I/O logic Logic giao tiếp thiết bị ngoại vi Data Status Conrol Sơ đồ khố khối củ mộ I/O module Kỹ thuật thao tác I/O


Programmed I/O: data trao đổi CPU I/O module CPU thực thi chương trình mà qua điều khiển hoạt động I/O I/O dùng ngắt điều khiển I/O dùng DMA: I/O module nhớ trao đổi data cách trực tiếp Programmed I/O


CPU phát lệnh đến I/O module I/O module thực tác vụ theo yêu cầu đặt bit thích hợp ghi trạng thái Định kỳ CPU phải kiểm tra trạng thái I/O module nhận thấy tác vụ yêu cầu hoàn tất 10 Programmed I/O (tt)
I/O command,I/O instruction

Để thực instruction liên quan đến I/O, CPU phát addr + I/O command Có bốn loại I/O command




Control Test Read Write Một I/O instruction tương ứng với I/O command 11 Programmed I/O (tt)
Memory-mapped I/O, Isolated I/O


Laø hai chế địa trường hợp dùng chung bus Memory-mapped I/O: có không gian địa chung cho nhớ thiết bị I/O, dùng instruction truy xuất giống Isolated I/O: toàn không gian địa khả dụng cho hai, sử dụng I/O command đặc biệt để kích hoạt I/O command line bus 12 500 501 7 sign=1:sẵn sàng Thanh ghi trạng thái điều khiển 1: bắt đầu đọc Addr 200 Instruction Ld AC Store AC 202 Ld AC Branch if Sign=0 Ld AC (a) Memory-mapped I/O operand “1” 501 501 202 500 Addr 200 201 operand 4 201 Instruction Start I/O Test I/O Branch Not Ready In (b) Isolated I/O Thanh ghi data nhập 13 Interrupt-driven I/O


CPU phát lệnh I/O chuyển sang phục vụ tác vụ khác I/O module ngắt CPU để yêu cầu phục vụ Interrupt controller 14 Cơ chế DMA


I/O Module  Main Memory Duøng DMA module Khi CPU muốn đọc hay ghi khối data, phát lệnh đến DMA module kèm theo thông tin sau:



Yêu cầu đọc hay ghi Địa thiết bị Vị trí bắt đầu nhớ Số lượng từ đọc hay ghi 15 Data count Data lines Data register Addr lines Addr register Sơ đồ khối DMA module tiêu biểu DMA REQ DMA ACK INTR Control logic Read Write 16 Cô chế DMA (tiếp theo)


CPU chuyển sang công việc khác sau chuyển lệnh đến DMA module DMA module giao phó toàn hoạt động I/O, truyền/nhận toàn khối liệu từ với nhớ Khi hoạt động truyền/nhận liệu hoàn tất DMA module gửi ngắt đến CPU 17 Cơ chế DMA (tt)


DMA module cần lấy điều khiển bus để truyền data DMA module dùng bus CPU không sử dụng buộc CPU vào trạng thái treo tạm thời Kỹ thuật buộc CPU treo tạm thời phổ biến xem thực chu kỳ chiếm hữu (cycle-stealing), DMA module chiếm chu kỳ bus 18 Instruction Cycle Processor Cycle Processor Cycle Processor Cycle Processor Cycle Processor Cycle Lấy lệnh Giải mã lệnh Lấy toán hạng Thực thi lệnh Lưu kết Những thời điểm DMA chiếm hữu Processor Cycle Processor Cycle Xử lý ngắt Thời điểm ngắt 19 Các cấu hình DMA


Dùng DMA module dùng chung Dùng nhiều DMA module Dùng I/O bus giao tiếp với DMA module 20 10 DMA module CPU I/O I/O DMA module CPU Memory DMA module I/O I/O Memory I/O System bus CPU DMA module Memory I/O bus I/O I/O I/O 21 I/O channel
Sự tiến chức I/O:





CPU điều khiển trực tiếp thiết bị ngoại vi Thêm vào I/O module CPU dùng I/O lập trình không cần ngắt Thêm vào I/O module, sử dụng ngắt, CPU không cần chờ hoạt động I/O I/O module trao đổi trực tiếp với nhớ qua DMA, gửi khối data không thông qua CPU, ngoại trừ thời điểm đầu cuối I/O module cải tiến để trở thành xử lý có thẩm quyền riêng, với tập lệnh đặc biệt dành cho I/O CPU cho xử lý thực chương trình nhớ I/O module có nhớ cục thực máy tính(terminal) 22 11 I/O Channel (tt)

Một I/O module nhận lấy hầu hết xử lý chi tiết thực giao thức mức cao gọi I/O channel hay I/O processor I/O channel mở rộng khái niệm DMA Một I/O channel có khả thực thi lệnh I/O, điều khiển toàn hoạt động I/O 23 Các đặc tính I/O channel


Các Inst I/O nằm nhớ chính,được thực xử lý có mục đích đặc biệt nằm I/O channel CPU chương trình nhớ cho I/O channel Chương trình thiết bị, vùng nhớ lưu trữ, thứ tự thao tác cần tiến hành điều kiện lỗi I/O chanel theo thị để điều khiển hoạt động truyền/nhận data 24 12 Hai kiến trúc I/O channel phổ dụng Data Addr Channel đến Main memory Selector Đường dẫn tín hiệu điều khiển đến CPU I/O controller I/O controller Multiplexor (a) Selector I/O controller I/O controller I/O controller I/O controller (b) Multiplexor 25 Giao tiếp với ngoại vi


Phải phù hợp với chất hoạt động ngoại vi Đặc tính quan trọng nối tiếp hay song song (serial parallel) I/O module phải dàn xếp đối thoại với ngoại vi Đối thoại tổng quát cho hoạt động ghi sau:



I/O module gửi tín hiệu điều khiển yêu cầu truyền data Ngoại vi phúc đáp ACK I/O module truyền data Ngoại vi báo nhận cho data nhận 26 13 Hai giao tiếp quan trọng

SCSI (Small Computer System Interface) 1394 Serial Bus 27 14