Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính - Nguyễn Phan Trung

u hỏi 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Chương 7 Hệ thống IO 
 (Input Output System) 
1. Tổng quan về hệ thống IO 
2. Điều khiển IO 
3. Nối ghép thiết bị ngoại vi 
4. Các thiết bị ngoại vi thông dụng 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 7.1 Tổng quan về hệ thống IO 
Giới thiệu chung 
 o Chức năng của hệ thống IO: Trao đổi thông tin giữa 
 máy tính với thế giới bên ngoài 
 o Các thao tác cơ bản: 
 • Nhập dữ liệu (Input) 
 • Xuất dữ liệu (Output) 
 o Các thành phần chính: 
 • Các thiết bị ngoại vi 
 • Các mô-đun IO (IO module) 
 Tất cả các thiết bị ngoại vi đều chậm hơn CPU và 
 RAM Cần có các mô-đun IO để nối ghép các thiết 
 bị ngoại vi với CPU và bộ nhớ chính 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Cấu trúc cơ bản của hệ thống IO 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các thiết bị ngoại vi 
 o Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và 
 bên ngoài máy tính 
 o Phân loại: 
 • Thiết bị ngoại vi giao tiếp người-máy (người đọc): Bàn 
 phím, Màn hình, Máy in,... 
 • Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy-máy (máy đọc): Đĩa 
 cứng, CDROM, USB, 
 • Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, Network 
 Interface Card (NIC) 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Tốc độ 1 số TBNV 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 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 
 IO 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 IO 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Chức năng của mô-đun IO: 
• 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 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Không gian địa chỉ của CPU 
 o Một số CPU quản lý duy nhất một không gian địa chỉ: 
 • Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2M địa chỉ 
 o Một số CPU quản lý hai không gian địa chỉ tách biệt: 
 • Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2M địa chỉ 
 • Không gian địa chỉ IO: 2I địa chỉ 
 • Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không gian địa chỉ 
 • Tập lệnh có các lệnh IO chuyên dụng 
 o Ví dụ: CPU Intel Pentium 4 
 • Không gian địa chỉ bộ nhớ = 236 byte = 64GB 
 • Không gian địa chỉ IO = 216 byte = 64KB 
 • Lệnh IO chuyên dụng: IN, OUT 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các phương pháp địa chỉ hoá cổng IO 
 IO riêng biệt (Isolated IO, IO mapped IO) 
 o Cổng IO được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ IO 
 o CPU trao đổi dữ liệu với cổng IO thông qua các lệnh IO 
 chuyên dụng (IN, OUT) 
 o Chỉ có thể thực hiện trên các hệ thống có quản lý không 
 gian địa chỉ IO riêng biệt 
 IO theo bộ nhớ (Memory mapped IO) 
 o Cổng IO được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ bộ nhớ 
 o IO giống như đọc/ghi bộ nhớ 
 o CPU trao đổi dữ liệu với cổng IO thông qua các lệnh truy 
 nhập dữ liệu bộ nhớ 
 o Có thể thực hiện trên mọi hệ thống 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Ví dụ: So sánh 2 phương pháp IO 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 7.2 Điều khiển IO 
Các phương pháp điều khiển IO 
 a. IO bằng chương trình (Programmed IO) 
 b. IO điều khiển bằng ngắt (Interrupt Driven IO) 
 c. Truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA (Direct 
 Memory Access) 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 a.Điều khiển IO bằng chương trình 
 o Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp IO 
 bằng chương trình cần phải lập trình IO. 
 o Với IO riêng biệt: sử dụng các lệnh IO chuyên 
 dụng (IN, OUT). 
 o Với IO theo bản đồ bộ nhớ: sử dụng các lệnh trao 
 đổi dữ liệu với bộ nhớ để trao đổi dữ liệu với cổng 
 IO. 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các tín hiệu điều khiển IO 
 o Tín hiệu điều khiển (Control): kích hoạt & khởi 
 động thiết bị ngoại vi 
 o Tín hiệu kiểm tra (Test): kiểm tra trạng thái của 
 mô-đun IO và thiết bị ngoại vi 
 o Tín hiệu điều khiển đọc (Read): yêu cầu môđun IO 
 nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và đưa vào thanh 
 ghi đệm dữ liệu, rồi CPU nhận dữ liệu đó 
 o Tín hiệu điều khiển ghi (Write): yêu cầu môđun IO 
 lấy dữ liệu trên bus dữ liệu đưa đến thanh ghi đệm 
 dữ liệu rồi chuyển ra thiết bị ngoại vi 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Hoạt động của IO bằng chương trình 
Hoạt động của IO bằng chương trình 
 o CPU yêu cầu thao tác IO 
 o Mô-đun IO thực hiện thao tác 
 o Mô-đun IO thiết lập các bit trạng thái 
 o 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 IO 
Đặc điểm 
 o IO do ý muốn của người lập trình 
 o CPU trực tiếp điều khiển IO 
 o CPU đợi mô-đun IO tiêu tốn thời gian của CPU 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 b. IO điều khiển bằng ngắt 
• Sau khi gửi yêu cầu IO, CPU 
 không phải đợi trạng thái sẵn 
 sàng của mô-đun IO, CPU 
 thực hiện một chương trình 
 nào đó 
• Khi mô-đun IO sẵn sàng thì 
 nó phát tín hiệu ngắt CPU 
• CPU thực hiện chương trình 
 con IO tương ứng để trao đổi 
 dữ liệu (trình xử l{ ngắt) 
• CPU trở lại tiếp tục thực hiện 
 chương trình đang bị ngắt 
 ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Hoạt động nhập dữ liệu nhìn từ mô-đun IO 
 o Mô-đun IO nhận tín hiệu điều khiển đọc từ CPU 
 o Mô-đun IO nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi, trong 
 khi đó CPU làm việc khác 
 o Khi đã có dữ liệu mô-đun IO phát tín hiệu ngắt 
 CPU 
 o CPU yêu cầu dữ liệu 
 o Mô-đun IO chuyển dữ liệu đến CPU 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 ... 
Hoạt động nhập dữ liệu: nhìn từ CPU 
 o Phát tín hiệu điều khiển đọc 
 o Làm việc khác 
 o Cuối mỗi chu trình lệnh, kiểm tra tín hiệu ngắt 
 o Nếu bị ngắt: 
 • Cất ngữ cảnh (nội dung các thanh ghi) 
 • Thực hiện chương trình con ngắt để nhập dữ liệu 
 • Khôi phục ngữ cảnh của chương trình đang thực hiện 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 ... 
• Các vấn đề nảy sinh khi có ngắt: 
 – Xác định được mô-đun IO nào phát tín hiệu ngắt ? 
 – Có nhiều yêu cầu ngắt cùng xảy ra ? 
• 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 lập trình được PIC 
 (Programmable Interrupt Controller) 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Nhiều đường yêu cầu ngắt 
o Mỗi mô-đun IO được nối với một đường yêu cầu ngắt 
o CPU phải có nhiều đường tín hiệu yêu cầu ngắt 
o Hạn chế số lượng mô-đun IO 
o Các đường ngắt được qui định mức ưu tiên 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Hỏi vòng bằng phần mềm 
o CPU thực hiện phần mềm hỏi lần lượt từng mô-
 đun IO 
o Chậm 
o Thứ tự các mô-đun được hỏi vòng chính là thứ tự 
 ưu tiên 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Hỏi vòng bằng phần cứng 
• CPU phát tín hiệu chấp nhận ngắt (INTA) đến mô-đun IO đầu tiên 
• Nếu mô-đun IO 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 IO kết nối trong chuỗi xác định thứ tự ưu 
 tiên 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Bộ điều khiển ngắt lập trình được PIC 
o PIC có nhiều đường vào yêu cầu ngắt có qui định 
 mức ưu tiên 
o PIC chọn một yêu cầu gắt không bị cấm có mức 
 ưu tiên cao nhất gửi tới CPU 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Đặc điểm của IO điều khiển bằng ngắt 
 o Có sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm 
 o Phần cứng: gây ngắt CPU 
 o Phần mềm: trao đổi dữ liệu 
 o CPU trực tiếp điều khiển IO 
 o CPU không phải đợi mô-đun IO hiệu quả sử 
 dụng CPU tốt hơn 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
Ví dụ: Hệ thống 
ngắt trên máy PC 
• CPU Intel x86 có 
 1 chân tín hiệu 
 ngắt 
• PIC 8259A có 8 
 đường ngắt 
• Có thể đấu nối 
 nhiều PIC theo 
 chế độ master/ 
 slaver để tăng số 
 lượng đường ngắt 
 phục vụ cho 
 nhiều thiết bị 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 c. DMA (Direct Memory Access) 
IO bằng chương trình và bằng ngắt do CPU trực 
 tiếp điều khiển: 
 o Chiếm thời gian của CPU 
 o Tốc độ truyền bị hạn chế vì phải chuyển dữ liệu qua 
 CPU (thanh ghi có dung lượng nhỏ) 
Để khắc phục dùng DMA 
 o Thêm mô-đun phần cứng trên bus DMAC (DMA 
 Controller) 
 o DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa môđun IO với 
 bộ nhớ chính 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Sơ đồ cấu trúc của DMAC 
o Thanh ghi dữ liệu: chứa 
 dữ liệu trao đổi 
o Thanh ghi địa chỉ: chứa 
 địa chỉ ô nhớ dữ liệu 
o Bộ đếm dữ liệu: chứa số 
 từ dữ liệu cần trao đổi 
o Logic điều khiển: điều 
 khiển hoạt động của 
 DMAC 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Hoạt động DMA 
 CPU gửi tín hiệu cho DMAC 
 o Vào hay Ra dữ liệu 
 o Địa chỉ thiết bị IO (cổng IO tương ứng) 
 o Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu nạp vào thanh ghi địa 
 chỉ 
 o Số từ dữ liệu cần truyền 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: 
 o nội dung thanh ghi địa chỉ tăng 
 o nội dung bộ đếm dữ liệu giảm 
 Khi bộ đếm dữ liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt CPU để 
 báo kết thúc DMA 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các kiểu thực hiện DMA 
1. DMA truyền theo khối (Block-transfer DMA): 
 DMAC sử dụng bus để truyền xong cả khối dữ 
 liệu 
2. DMA lấy lén 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. 
3. 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. 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Đặc điểm của DMA 
 o CPU không tham gia trong quá trình trao đổi dữ 
 liệu 
 o DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa bộ nhớ 
 chính với mô-đun IO (hoàn toàn bằng phần cứng) 
 tốc độ nhanh 
 o Phù hợp với các yêu cầu trao đổi mảng dữ liệu có 
 kích thước lớn (Block devices) 
Phân loại TBNV 
 o Character devices 
 o Block devices 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Ví dụ: Chip DMA trong máy PC 
o Intel 8237A DMA Controller 
o Giao tiếp với CPU Intel x86 và DRAM 
o Khi DMA cần bus, nó gửi tín hiệu HRQ cho CPU 
o CPU trả lời bằng tín hiệu HLDA 
o DMA bắt đầu sử dụng bus 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Kênh IO (IO channel) 
o Việc điều khiển IO được thực hiện bởi một bộ 
 xử lý IO chuyên dụng 
o Bộ xử lý IO hoạt động theo chương trình của 
 riêng nó 
o Chương trình của bộ xử lý IO có thể nằm trong 
 bộ nhớ chính hoặc nằm trong một bộ nhớ riêng 
o Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý 
 • CPU gửi yêu cầu IO cho kênh IO 
 • Kênh IO tự thực hiện việc truyền dữ liệu 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Cấu hình DMA 1: Bus chung, DMA tách biệt 
 o Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng bus 
 hai lần 
 • Giữa mô-đun IO với DMAC 
 • Giữa DMAC với bộ nhớ 
 o CPU bị treo khỏi bus 2 lần 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Cấu hình DMA 2: Bus chung, DMA tích hợp 
o DMAC điều khiển một hoặc vài mô-đun IO 
o Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng bus 
 một lần 
 • Giữa DMAC với bộ nhớ 
o CPU bị treo khỏi bus 1 lần 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Cấu hình DMA 3: Bus IO riêng 
o Bus IO tách rời hỗ trợ tất cả các thiết bị cho phép DMA 
o Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng bus một 
 lần 
 • Giữa DMAC với bộ nhớ 
o CPU bị treo khỏi bus 1 lần 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 7.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi 
o Các kiểu nối ghép 
 • Nối ghép song song (parallel) 
 • Nối ghép nối tiếp (serial) 
o Nối ghép song song 
 • Truyền nhiều bit song song 
 • Cần nhiều đường truyền dữ liệu 
 • Tốc độ nhanh 
 • Dễ bị nhiễu giữa các tín hiệu 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
o 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 
 • Cần ít đường truyền dữ liệu 
 • Tốc độ chậm hơn 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các cấu hình nối ghép 
Điểm tới điểm (Point to Point) 
 o Mỗi cổng IO nối ghép với một thiết bị ngoại vi 
 o Ví dụ: 
 • SATA (Serial ATA) 
 • SAS (Serial Atache SCSI) 
Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint) 
 o Mỗi cổng IO cho phép nối ghép với nhiều thiết bị 
 ngoại vi 
 o 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 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các cổng vào ra thông dụng 
o PS/2: nối ghép bàn phím và chuột – MiniDIN 6 chân 
o RJ45: nối ghép mạng 
o LPT (Line Printer): nối ghép với máy in, là cổng song 
 song (Parallel Port) – 25 chân 
o COM (Communication): nối ghép với Modem, là cổng 
 nối tiếp (Serial Port) - 9 hoặc 25 chân 
o USB (Universal Serial Bus): Cổng nối tiếp đa năng, cho 
 phép nối ghép tối đa 127 thiết bị 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Ví dụ: Các cổng nối ghép trên card màn hình 
o VGA: Cổng nối ghép màn hình Analog– 15 chân 
o DVI: Cổng nối ghép màn hình Digital 
o S-Video 
o HDMI 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Ví dụ: Hệ thống bus ngoại vi trên máy PC 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 o ISA (Industry Standard Architecture): Sử dụng trên 
 máy PC 8086 (8 bit) và AT 80286 (16 bit) 
 o MCA (Micro Channel Architecture): Sử dụng trên 
 máy 80386 của IBM (32 bit) 
 o EISA (Extended ISA) Sử dụng trên các máy 80386 
 tương thích (32 bit) 
 o VL bus (VESA Local bus): Sử dụng trên các máy 
 80486 (32 bit) 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 o AGP (Accelerated Graphics Port): Bus dành riêng 
 cho card màn hình trên máy Pentium. Bao gồm các 
 mức tốc độ 1x, 2x, 4x và 8x (1x=266MB/s). 
 o PCI (Peripheral Component Interconnect): Sử 
 dụng trên các máy Pentium (32 & 64 bit) 
 • PCI-X: Sử dụng tần số xung nhịp cao hơn (66-133 
 MHz) so với PCI 33 MHz 
 • PCI-E (PCI-Express): Cho phép truyền dữ liệu tốc độ 
 cao, được sử dụng trong các máy PC đời mới. Gồm 
 nhiều mức tốc độ: 1x, 2x, , 32x (1x: 1 Lane có 4 
 đường truyền nối tiếp 250 MB/s) 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các cổng điều khiển đĩa 
 o Đĩa mềm : Dùng cáp 34 chân kết nối tối đa 2 ổ 
 mềm 
 o Đĩa cứng/CD/DVD/SSD : 
 • Chuẩn ST506 
 • Chuẩn ESDI 
 • Chuẩn IDE/UDMA/PATA 
 • Chuẩn SCSI 
 • Chuẩn SATA 
 • Chuẩn SAS 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Các thiết bị ngoại vi thông dụng 
Thiết bị nhập 
 o Bàn phím, chuột, scanner, digitizer, micro, đọc vân 
 tay, đọc bar-code, camera,  
Thiết bị xuất 
 o Màn hình, máy in, máy vẽ, loa, projector,  
Thiết bị mạng & truyền thông 
 o Modem, Router, 
Thiết bị lưu trữ 
 o Đĩa mềm, đĩa cứng, SSD, CD, DVD, thẻ nhớ,  
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính 
 Câu hỏi 
ThS Nguyễn Phan Trung Kiến Trúc Máy Tính