Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 3: Kiến trúc hệ thống vào ra - Nguyễn Kim Khánh

 Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ
„ Chương 3. Kiến trúc vào-ra 
„ Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý 
„ Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến 
8 September 2009 3
NKK-HUT
3.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra 
3.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra 
3.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi 
Nội dung
8 September 2009 4
NKK-HUT
3.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra
1. Giới thiệu chung
„ Chức năng của hệ thống vào-ra: Trao 
đổi thông tin giữa máy tính với thế giới 
bên ngoài
„ Các thao tác cơ bản:
„ Vào dữ liệu (Input) 
„ Ra dữ liệu (Output)
„ Các thành phần chính:
„ Các thiết bị ngoại vi
„ Các mô-đun vào-ra
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
8 September 2009 5
NKK-HUT
Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra
8 September 2009 6
NKK-HUT
Tổ chức bus dùng chung
CPU 
Cache 
Main 
memory 
I/O controller I/O controller I/O controller 
Disk Disk Graphics display Network 
System bus 
Interrupts 
8 September 2009 7
NKK-HUT
Tổ chức bus vào-ra phân cấp
CPU 
Cache 
Main 
memory 
I/O controller I/O controller I/O controller 
Disk Disk Network CD/DVD 
Memory bus 
Interrupts 
Bus 
adapter 
Bus 
adapter 
Bus 
adapter 
Intermediate 
buses / ports 
I/O bus I/O controller 
Graphics 
display 
PCI bus AGP 
8 September 2009 8
NKK-HUT
Đặc điểm của vào-ra 
„ Tồn tại đa dạng các thiết bị ngoại vi 
khác nhau về:
„ Nguyên tắc hoạt động 
„ Tốc độ
„ Khuôn dạng dữ liệu 
„ Tất cả các thiết bị ngoại vi đều chậm 
hơn CPU và RAM
Æ Cần có các mô-đun vào-ra để nối ghép 
các thiết bị ngoại vi với CPU và bộ nhớ
chính
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
8 September 2009 9
NKK-HUT
2. Các thiết bị ngoại vi
„ Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa 
bên trong và bên ngoài máy tính
„ Phân loại:
„ Thiết bị ngoại vi giao tiếp người-máy: 
Bàn phím, Màn hình, Máy in,...
„ Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy-máy: gồm 
các thiết bị theo dõi và kiểm tra
„ Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, 
Network Interface Card (NIC)
8 September 2009 10
NKK-HUT
Một số thiết bị ngoại vi
Ubiquitous1000s-109sCable, DSL, ATMModem, fax, LANNetwork
Ubiquitous106sCD, tape, archiveHard/floppy diskMass storage
Main usesData rate (b/s)Other examplesPrime examplesTwo-way I/O
Entertainment1000s-109sFilm/video recorderMonitor, TV screenVideo
Ubiquitous1000sPlotter, microfilmMonitor, printerImage
Ubiquitous1000sVoice synthesizerSpeaker, audiotapeAudio
Personal assistance100sScent, brain stimulusBraille textSensory
Safety, securityA fewFlashing lightBuzzer, bell, sirenWarning
Ubiquitous100sRobotic motionStepper motorPosition
Ubiquitous10sLED, status lightLCD line segmentsSymbol
Main usesData rate (b/s)Other examplesPrime examplesOutput type
Entertainment1000s-109sVCR, TV cableCamcorder, DVDVideo
Photos, publishing1000s-106sGraphic tabletScanner, cameraImage
Ubiquitous1000sPhone, radio, tapeMicrophoneAudio
Control, security100sScent, brain signalTouch, motion, lightSensory
Sales, security100sBadge, fingerprintBarcode readerIdentity
Ubiquitous100sStick, wheel, gloveMouse, touchpadPosition
Ubiquitous10sMusic note, OCRKeyboard, keypadSymbol
Main usesData rate (b/s)Other examplesPrime examplesInput type
8 September 2009 11
NKK-HUT
Cấu trúc chung của thiết bị ngoại vi 
8 September 2009 12
NKK-HUT
Các thành phần của thiết bị ngoại vi 
„ Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi dữ
liệu giữa bên ngoài và bên trong máy 
tính 
„ Bộ đệm dữ liệu: đệm dữ liệu khi truyền 
giữa mô-đun vào-ra và thiết bị ngoại vi
„ Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt 
động của thiết bị ngoại vi đáp ứng theo 
yêu cầu từ mô-đun vào-ra
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
8 September 2009 13
NKK-HUT
3. Mô-đun vào-ra
„ Chức năng của mô-đun vào-ra:
„ Điều khiển và định thời 
„ Trao đổi thông tin với CPU hoặc bộ nhớ
chính
„ Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi
„ Đệm giữa bên trong máy tính với thiết bị
ngoại vi
„ Phát hiện lỗi của thiết bị ngoại vi
8 September 2009 14
NKK-HUT
Cấu trúc chung của mô-đun vào-ra 
8 September 2009 15
NKK-HUT
Các thành phần của mô-đun vào-ra 
„ Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu 
trong quá trình trao đổi 
„ Các cổng vào-ra (I/O Port): kết nối với 
thiết bị ngoại vi, mỗi cổng có một địa chỉ
xác định 
„ Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu giữ
thông tin trạng thái/điều khiển cho các 
cổng vào-ra 
„ Khối logic điều khiển: điều khiển mô-
đun vào-ra 
8 September 2009 16
NKK-HUT
4. Địa chỉ hóa cổng vào-ra
a. Không gian địa chỉ của bộ xử lý 
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
8 September 2009 17
NKK-HUT
Không gian địa chỉ của bộ xử lý (tiếp)
„ Một số bộ xử lý chỉ quản lý duy nhất một 
không gian địa chỉ:
„ không gian địa chỉ bộ nhớ: 2N địa chỉ
„ Ví dụ: Các bộ xử lý 680x0 (Motorola)
8 September 2009 18
NKK-HUT
Không gian địa chỉ của bộ xử lý (tiếp)
„ Một số bộ xử lý quản lý hai không gian địa chỉ
tách biệt:
„ Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2N địa chỉ 
„ Không gian địa chỉ vào-ra: 2N1 địa chỉ
„ Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không 
gian địa chỉ
„ Tập lệnh có các lệnh vào-ra chuyên dụng 
„ Ví dụ: Pentium (Intel)
„ không gian địa chỉ bộ nhớ = 232 byte = 4GB
„ không gian địa chỉ vào-ra = 216 byte = 64KB
„ Tín hiệu điều khiển 
„ Lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT
8 September 2009 19
NKK-HUT
b. Các phương pháp địa chỉ hoá cổng vào-ra 
„ Vào-ra riêng biệt 
(Isolated IO hay IO mapped IO) 
„ Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ
(Memory mapped IO) 
8 September 2009 20
NKK-HUT
Vào-ra riêng biệt
„ Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo 
không gian địa chỉ vào-ra 
„ CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra 
thông qua các lệnh vào-ra chuyên dụng 
(IN, OUT)
„ Chỉ có thể thực hiện trên các hệ thống có
quản lý không gian địa chỉ vào-ra riêng 
biệt
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6
8 September 2009 21
NKK-HUT
Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ
„ Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo 
không gian địa chỉ bộ nhớ
„ Vào-ra giống như đọc/ghi bộ nhớ 
„ CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra 
thông qua các lệnh truy nhập dữ liệu bộ
nhớ
„ Có thể thực hiện trên mọi hệ thống 
8 September 2009 22
NKK-HUT
3.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra 
„ Vào-ra bằng chương trình 
(Programmed IO)
„ Vào-ra điều khiển bằng ngắt 
(Interrupt Driven IO)
„ Truy nhập bộ nhớ trực tiếp - DMA 
(Direct Memory Access)
8 September 2009 23
NKK-HUT
1. Vào-ra bằng chương trình
„ Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực 
tiếp vào-ra bằng chương trình Æ cần 
phải lập trình vào-ra.
8 September 2009 24
NKK-HUT
Các tín hiệu điều khiển vào-ra
„ Tín hiệu điều khiển (Control): kích hoạt thiết 
bị ngoại vi
„ Tín hiệu kiểm tra (Test): kiểm tra trạng thái 
của mô-đun vào-ra và thiết bị ngoại vi
„ Tín hiệu điều khiển đọc (Read): yêu cầu mô-
đun vào-ra nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi 
và đưa vào thanh ghi đệm dữ liệu, rồi CPU 
nhận dữ liệu đó
„ Tín hiệu điều khiển ghi (Write): yêu cầu mô-
đun vào-ra lấy dữ liệu trên bus dữ liệu đưa 
đến thanh ghi đệm dữ liệu rồi chuyển ra thiết 
bị ngoại vi
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7
8 September 2009 25
NKK-HUT
Các lệnh vào-ra
„ Với vào-ra riêng biệt: sử dụng các lệnh 
vào-ra chuyên dụng (IN, OUT). 
„ Với vào-ra theo bản đồ bộ nhớ: sử
dụng các lệnh trao đổi dữ liệu với bộ
nhớ để trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra.
8 September 2009 26
NKK-HUT
Lưu đồ đoạn chương trình vào-ra 
8 September 2009 27
NKK-HUT
Hoạt động của vào-ra bằng chương trình
„ CPU yêu cầu thao tác vào-ra 
„ Mô-đun vào-ra thực hiện thao tác 
„ Mô-đun vào-ra thiết lập các bit trạng 
thái
„ CPU kiểm tra các bit trạng thái:
„ Nếu chưa sẵn sàng thì quay lại kiểm tra
„ Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ
liệu với mô-đun vào-ra 
8 September 2009 28
NKK-HUT
Đặc điểm
„ Vào-ra do ý muốn của người lập trình
„ CPU trực tiếp điều khiển vào-ra
„ CPU đợi mô-đun vào-ra Æ tiêu tốn thời 
gian của CPU
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8
8 September 2009 29
NKK-HUT
2. Vào-ra điều khiển bằng ngắt
„ Nguyên tắc chung:
„ CPU không phải đợi trạng thái sẵn sàng 
của mô-đun vào-ra, CPU thực hiện một 
chương trình nào đó
„ Khi mô-đun vào-ra sẵn sàng thì nó phát tín 
hiệu ngắt CPU
„ CPU thực hiện chương trình con vào-ra 
tương ứng để trao đổi dữ liệu 
„ CPU trở lại tiếp tục thực hiện chương trình 
đang bị ngắt
8 September 2009 30
NKK-HUT
Chuyển điều khiển đến chương trình con ngắt
8 September 2009 31
NKK-HUT
Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ mô-đun vào-ra 
„ Mô-đun vào-ra nhận tín hiệu điều khiển 
đọc từ CPU 
„ Mô-đun vào-ra nhận dữ liệu từ thiết bị
ngoại vi, trong khi đó CPU làm việc 
khác
„ Khi đã có dữ liệu Æ mô-đun vào-ra phát 
tín hiệu ngắt CPU
„ CPU yêu cầu dữ liệu 
„ Mô-đun vào-ra chuyển dữ liệu đến CPU
8 September 2009 32
NKK-HUT
Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ CPU
„ Phát tín hiệu điều khiển đọc
„ Làm việc khác
„ Cuối mỗi chu trình lệnh, kiểm tra tín 
hiệu ngắt
„ Nếu bị ngắt:
„ Cất ngữ cảnh (nội dung các thanh ghi)
„ Thực hiện chương trình con ngắt để vào 
dữ liệu 
„ Khôi phục ngữ cảnh của chương trình 
đang thực hiện 
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 9
8 September 2009 33
NKK-HUT
Các vấn đề nảy sinh khi thiết kế
„ Làm thế nào để xác định được mô-đun 
vào-ra nào phát tín hiệu ngắt ?
„ CPU làm như thế nào khi có nhiều yêu 
cầu ngắt cùng xẩy ra ?
8 September 2009 34
NKK-HUT
Các phương pháp nối ghép ngắt
„ Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt 
„ Hỏi vòng bằng phần mềm (Software 
Poll)
„ Hỏi vòng bằng phần cứng (Daisy Chain 
or Hardware Poll)
„ Sử dụng bộ điều khiển ngắt (PIC)
8 September 2009 35
NKK-HUT
Nhiều đường yêu cầu ngắt
„ Mỗi mô-đun vào-ra được nối với một đường yêu cầu 
ngắt
„ CPU phải có nhiều đường tín hiệu yêu cầu ngắt
„ Hạn chế số lượng mô-đun vào-ra
„ Các đường ngắt được qui định mức ưu tiên
8 September 2009 36
NKK-HUT
Hỏi vòng bằng phần mềm 
„ CPU thực hiện phần mềm hỏi lần lượt từng 
mô-đun vào-ra 
„ Chậm
„ Thứ tự các mô-đun được hỏi vòng chính là
thứ tự ưu tiên
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 10
8 September 2009 37
NKK-HUT
Hỏi vòng bằng phần cứng 
8 September 2009 38
NKK-HUT
Kiểm tra vòng bằng phần cứng (tiếp)
„ CPU phát tín hiệu chấp nhận ngắt 
(INTA) đến mô-đun vào-ra đầu tiên 
„ Nếu mô-đun vào-ra đó không gây ra 
ngắt thì nó gửi tín hiệu đến mô-đun kế
tiếp cho đến khi xác định được mô-đun 
gây ngắt
„ Thứ tự các mô-đun vào-ra kết nối trong 
chuỗi xác định thứ tự ưu tiên
8 September 2009 39
NKK-HUT
Bộ điều khiển ngắt lập trình được
„ PIC – Programmable Interrupt Controller
„ PIC có nhiều đường vào yêu cầu ngắt có qui 
định mức ưu tiên
„ PIC chọn một yêu cầu ngắt không bị cấm có
mức ưu tiên cao nhất gửi tới CPU
8 September 2009 40
NKK-HUT
Đặc điểm của vào-ra điều khiển bằng ngắt
„ Có sự kết hợp giữa phần cứng và phần 
mềm
„ Phần cứng: gây ngắt CPU
„ Phần mềm: trao đổi dữ liệu 
„ CPU trực tiếp điều khiển vào-ra 
„ CPU không phải đợi mô-đun vào-ra Æ
hiệu quả sử dụng CPU tốt hơn
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11
8 September 2009 41
NKK-HUT
3. DMA (Direct Memory Access)
„ Vào-ra bằng chương trình và bằng ngắt 
do CPU trực tiếp điều khiển: 
„ Chiếm thời gian của CPU
„ Tốc độ truyền bị hạn chế vì phải chuyển 
qua CPU
„ Để khắc phục dùng DMA
„ Thêm mô-đun phần cứng trên bus Æ
DMAC (Controller)
„ DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa mô-
đun vào-ra với bộ nhớ chính
8 September 2009 42
NKK-HUT
Sơ đồ cấu trúc của DMAC
8 September 2009 43
NKK-HUT
Các thành phần của DMAC
„ Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ liệu trao đổi
„ Thanh ghi địa chỉ: chứa địa chỉ ngăn 
nhớ dữ liệu 
„ Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ liệu cần 
trao đổi
„ Logic điều khiển: điều khiển hoạt động 
của DMAC 
8 September 2009 44
NKK-HUT
Hoạt động DMA
„ CPU “nói” cho DMAC
„ Vào hay Ra dữ liệu 
„ Địa chỉ thiết bị vào-ra (cổng vào-ra tương ứng)
„ Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu Æ nạp vào 
thanh ghi địa chỉ
„ Số từ dữ liệu cần truyền Æ nạp vào bộ đếm dữ liệu 
„ CPU làm việc khác
„ DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu
„ Sau khi truyền được một từ dữ liệu thì:
„ nội dung thanh ghi địa chỉ tăng
„ nội dung bộ đếm dữ liệu giảm 
„ Khi bộ đếm dữ liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt 
CPU để báo kết thúc DMA
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 12
8 September 2009 45
NKK-HUT
Các kiểu thực hiện DMA
„ DMA truyền theo khối (Block-transfer DMA): 
DMAC sử dụng bus để truyền xong cả khối 
dữ liệu 
„ DMA lấy chu kỳ (Cycle Stealing DMA): DMAC 
cưỡng bức CPU treo tạm thời từng chu kỳ
bus, DMAC chiếm bus thực hiện truyền một 
từ dữ liệu.
„ DMA trong suốt (Transparent DMA): DMAC 
nhận biết những chu kỳ nào CPU không sử
dụng bus thì chiếm bus để trao đổi một từ dữ
liệu.
8 September 2009 46
NKK-HUT
Cấu hình DMA (1)
„ Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng 
bus hai lần
„ Giữa mô-đun vào-ra với DMAC
„ Giữa DMAC với bộ nhớ
8 September 2009 47
NKK-HUT
Cấu hình DMA (2)
„ DMAC điều khiển một hoặc vài mô-đun vào-ra 
„ Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng 
bus một lần
„ Giữa DMAC với bộ nhớ
8 September 2009 48
NKK-HUT
Cấu hình DMA (3)
„ Bus vào-ra tách rời hỗ trợ tất cả các thiết bị cho phép DMA
„ Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng bus một lần
„ Giữa DMAC với bộ nhớ
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 13
8 September 2009 49
NKK-HUT
Đặc điểm của DMA
„ CPU không tham gia trong quá trình 
trao đổi dữ liệu 
„ DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa 
bộ nhớ chính với mô-đun vào-ra (hoàn 
toàn bằng phần cứng)Æ tốc độ nhanh
„ Phù hợp với các yêu cầu trao đổi mảng 
dữ liệu có kích thước lớn
8 September 2009 50
NKK-HUT
4. Kênh vào-ra hay là bộ xử lý vào-ra
„ Việc điều khiển vào-ra được thực hiện 
bởi một bộ xử lý vào-ra chuyên dụng
„ Bộ xử lý vào-ra hoạt động theo chương 
trình của riêng nó
„ Chương trình của bộ xử lý vào-ra có thể
nằm trong bộ nhớ chính hoặc nằm 
trong một bộ nhớ riêng
„ Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý
8 September 2009 51
NKK-HUT
3.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi
1. Các kiểu nối ghép vào-ra
„ Nối ghép song song
„ Nối ghép nối tiếp
8 September 2009 52
NKK-HUT
Nối ghép song song
„ Truyền nhiều bit song song
„ Tốc độ nhanh
„ Cần nhiều đường truyền dữ liệu
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 14
8 September 2009 53
NKK-HUT
Nối ghép nối tiếp
„ Truyền lần lượt từng bit 
„ Cần có bộ chuyển đổi từ dữ liệu song song sang 
nối tiếp hoặc/và ngược lại
„ Tốc độ chậm hơn
„ Cần ít đường truyền dữ liệu
8 September 2009 54
NKK-HUT
2. Các cấu hình nối ghép
„ Điểm tới điểm (Point to Point)
„ Thông qua một cổng vào-ra nối ghép với một 
thiết bị ngoại vi 
„ Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint)
„ Thông qua một cổng vào-ra cho phép nối 
ghép được với nhiều thiết bị ngoại vi 
„ Ví dụ: 
„ SCSI (Small Computer System Interface): 7 hoặc 
15 thiết bị
„ USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị
„ IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị
8 September 2009 55
NKK-HUT
Hết chương 3