Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Đầu vào/Đầu ra - Nguyễn Hằng Phương

 
 hiển thị trên màn hình truyền đến một thiết bị ngoại vi từ 
  Điều khiển mô-đun I/O 
  Điều khiển việc in/hiển thị các ký  Bộ biến đổi giải mã và gửi các tín 
 tự hiệu điện cần thiết đến thiết bị đầu 
  Các ký tự điều khiển khác liên ra để hiển thị ký tự được chỉ định 
 quan đến các thủ tục truyền tin hoặc thực hiện chức năng điều 
 khiển yêu cầu 
 9 
 2. Module I/O 
Chức năng của Module I/O: 
. Điều khiển và định thời 
 . Phối hợp luồng lưu lượng truy cập giữa tài nguyên bên trong và 
 thiết bị ngoại vi 
. Trao đổi thông tin với bộ xử lý 
 . Gồm giải mã lệnh, dữ liệu, báo cáo trạng thái, nhận dạng địa chỉ 
. Trao đổi thông tin với thiết bị 
 . Gồm các lệnh, thông tin trạng thái và dữ liệu 
. Đệm dữ liệu 
 . Thực hiện các hoạt động đệm cần thiết để cân bằng tốc độ thiết 
 bị và bộ nhớ 
. Phát hiện lỗi 
 . Phát hiện và báo cáo lỗi truyền 
 10 
Các bước I/O 
. CPU hỏi module I/O để kiểm tra trạng thái thiết bị I/O 
 được gắn vào 
. Môđun I/O trả về trạng thái thiết bị 
. Nếu thiết bị đã sẵn sàng, CPU yêu cầu truyền dữ liệu 
 bằng cách gửi một lệnh tới mô đun I / O 
. Môđun I/O nhận dữ liệu từ thiết bị 
. I/O module truyền dữ liệu đến CPU 
Cấu trúc Module I/O 11 
+ 12 
 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 cómột 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 
+ 13 
 Địa chỉ hoá cổng vào-ra 
 Không gian địa chỉ của bộ xử lý 
+ 14 
 Không gian địa chỉ của bộ xử lý 
  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) 
  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 cập không gian địa chỉ 
  „ Tập lệnh có các lệnh vào-ra chuyên dụng \ 
  „ Vídụ: Pentium (Intel) 
+ 15 
 Các phương pháp ánh xạ địa chỉ vào-ra 
  I/O ánh xạ bộ nhớ 
  Thiết bị và bộ nhớ chia sẻ một không gian địa chỉ 
  Cổng vào-ra đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ bộ nhớ 
  Không có mệnh lệnh đặc biệt cho I/O 
  CPU dùng chung lệnh máy để truy cập cả bộ nhớ và thiết bị I/O 
  bus cần có một dòng đọc riêng và một dòng ghi riêng 
  I/O - bộ nhớ tách biệt 
  Không gian địa chỉ riêng biệt 
  Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ vào-ra 
  Cần có dòng chọn I/O hoặc bộ nhớ 
  Mệnh lệnh đặc biệt cho I/O 
 16 
 I/O ánh 
xạ bộ nhớ 
 và 
 I/O - bộ 
 nhớ tách 
 biệt 
+ 17 
 3. Các kỹ thuật vào/ra 
  I/O bằng chương trình (Programmed IO) 
  I/O điều khiển bằng gián đoạn (Interrupt Driven IO) 
  Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) 
+ 18 
 a. I/O bằng chương trình 
  Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp vào-ra bằng 
 chương trình cần phải lập trình vào-ra. 
  Vào-ra do ý muốn của người lập trình 
  „ Dữ liệu được trao đổi giữa CPU và mô đun I/O 
  CPU thi hành một chương trình cho phép nó trực tiếp 
 điều hành các hoạt động I/O 
  Khi CPU ra lệnh, nó phải đợi cho đến khi hoạt động I/O 
 hoàn tất 
  CPU chạy nhanh hơn mô-đun I/O sẽ gây lãng phí thời 
 gian xử lý 
+ 19 
 Mệnh lệnh I/O (Command) 
  Để thực hiện 1 lệnh liên quan đến vào/ra, CPU đưa ra địa 
 chỉ: xác định module I/O và thiết bị 
  CPU đưa ra mệnh lệnh: 4 loại mệnh lệnh I/O 
 1) Control - Dùng để kích hoạt một thiết bị ngoại vi và chỉ định 
 nó phải làm gì. (VD: quay đĩa) 
 2) Test - kiểm tra các điều kiện trạng thái liên quan đến mô-đun 
 I/O và các thiết bị ngoại vi (VD: nguồn? Lỗi?) 
 3) Read - Cho phép mô-đun I/O lấy dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và 
 đặt nó vào bộ đệm bên trong 
 4) Write - Cho phép mô-đun I/O lấy dữ liệu từ bus dữ liệu rồi 
 chuyển dữ liệu đó đến thiết bị ngoại vi 
+ 20 
 Hoạt động I/O bằng chương trình 
  CPU yêu cầu hoạt động vào/ra: ra mệnh lệnh cho module 
 I/O mong muốn 
  Môđun I/O thực hiện yêu cầu 
  Môđun I/O đặt bit trạng thái 
  Môđun I/O không thông báo trực tiếp cho CPU / không 
 gián đoạn CPU 
  CPU kiểm tra định kỳ bit trạng thái 
  Nếu chưa sẵn sàng thì CPU có thể đợi hoặc quay lại sau 
  Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ liệu với mô-đun 
 vào-ra 
 21 
Đọc vào một 
khối dữ liệu 
+ 23 
 b. I/O điều khiển bằng gián đoạn 
  Với I/O chương trình, CPU phải đợi một thời gian dài để 
 mô đun I/O sẵn sàng cho việc nhận hoặc truyền dữ liệu 
  Giải pháp: I/O điều khiển bằng gián đoạn 
  CPU ra lệnh I/O cho một mô-đun, sau đó thực hiện các công 
 việc hữu ích khác 
  Mô-đun I/O sẽ gián đoạn bộ xử lý để yêu cầu dịch vụ khi nó đã 
 sẵn sàng trao đổi dữ liệu với bộ vi xử lý 
  Bộ xử lý thực hiện việc truyền dữ liệu và tiếp tục quá trình xử 
 lý trước đó 
 24 
Chuyển điều khiển đến chương trình con 
gián đoạn 
 Chương trình 
 con gián đoạn 
 phục vụ vào-ra 
 Gián đoạn 
 ở đây 
 Hoạt động vào dữ liệu: 25 
 Nhìn từ môđun I/O Nhìn từ CPU 
• Mô-đun I/O nhận mệnh • Phát mệnh lệnh READ 
 lệnh READ từ CPU • Làm việc khác 
• „Mô-đun I/O nhận dữ liệu • „Cuối mỗi chu kỳ lệnh, kiểm 
 từ thiết bị ngoại vi, trong tra tín hiệu gián đoạn 
 khi đó CPU làm việc khác 
 • „ Nếu bị gián đoạn : 
• „ Khi đã có dữ liệu mô-
 • Lưu ngữ cảnh (nội dung 
 đun I/O phát tín hiệu gián 
 các thanh ghi) 
 đoạn CPU 
 • Thực hiện chương trình 
• „ CPU yêu cầu dữ liệu con gián đoạn 
• „ Mô-đun I/O chuyển dữ • Khôi phục ngữ cảnh của 
 liệu đến CPU chương trình đang thực 
 hiện 
 Thay đổi 
 trong bộ 
 nhớ và 
thanh ghi 
khi có một 
gián đoạn 
 27 
 Vấn đề nảy sinh khi thiết kế 
Hai vấn đề thiết kế phát sinh khi gián đoạn I/O: 
 Do có nhiều mô-đun I/O, 
 làm thế nào để xác định 
 được mô-đun I/O nào 
 Nếu cùng lúc xảy ra nhiều 
 phát tín hiệu ngắt ? 
 gián đoạn, bộ vi xử lý lựa 
 chọn 1 gián đoạn để xử lý 
 như thế nào ? 
+ 28 
 Nhận diện thiết bị 
 Bốn loại kỹ thuật chung được sử dụng phổ biến: 
  Dùng nhiều đường gián đoạn 
  Thăm dò bằng phần mềm 
  Chuỗi Daisy (thăm dò bằng phần cứng) 
  Phân xử bus 
+ 29 
 Nhiều đường gián đoạn 
  Nhiều đường gián đoạn giữa bộ xử lý và môđun I/O 
  Cách tiếp cận đơn giản nhất 
  Hạn chế số lượng mô-đun I/O 
  Các đường gián đoạn được qui định mức ưu tiên 
+ 30 
 Thăm dò bằng phần mềm 
  Khi bộ xử lý phát hiện ra một gián đoạn, nó rẽ nhánh tới một 
 trình dịch vụ ngắt (phần mềm) chuyên thăm dò từng module 
 I/O để xác định mô-đun nào gây ra gián đoạn 
  Tốn thời gian 
  Thứ tự thăm dò mô-đun phụ thuộc thứ tự ưu tiên 
+ Thăm dò bằng phần cứng (chuỗi Daisy) 31 
  Dòng thông báo gián đoạn (INTA) được nối chuỗi qua các mô đun 
  CPU phát tín hiệu INTA đến mô-đun vào-ra đầu tiên 
  „Nếu mô-đun vào-ra đó không gây ra gián đoạn thì nó gửi tín hiệu 
 đến mô-đun tiếp cho đến khi xác định được mô-đun gây gián đoạn 
  „Thứ tự các mô-đun vào-ra kết nối trong chuỗi xác định thứ tự ưu tiên 
+ 32 
 Phân xử bus (vector) 
  Vector - địa chỉ của mô-đun I/O hoặc mã nhận dạng khác của 
 mô-đun I/O 
  Gián đoạn vector - bộ xử lý sử dụng vector như một con trỏ 
 tới trinh phục vụ gián đoạn thích hợp, tránh phải thực hiện 
 trình phục vụ gián đoạn chung 
  Mô-đun I/O phải kiểm soát được của bus trước khi nó bật 
 dòng yêu cầu gián đoạn 
  Khi bộ xử lý phát hiện ra gián đoạn, nó phản ứng trên dòng 
 thông báo gián đoạn 
  Mô đun yêu cầu sẽ đặt các vector của nó trên các đường dữ 
 liệu 
 33 
Bộ điều khiển gián đoạn lập trình được 
 PIC –Programmable Interrupt Controller 
 „Có nhiều đường vào yêu cầu gián đoạn có qui định mức ưu tiên 
 PIC chọn một yêu cầu gián đoạn không bị cấm có mức ưu tiên 
 cao nhất gửi tới CPU 
 34 
Ví dụ - Bộ điều khiển gián đoạn 
Intel 82C59A 
 80x86 có một đường gián đoạn 
 hệ thống 8086 sử dụng bộ điều khiển gián đoạn 8259A 
 8259A có 8 đường gián đoạn 
+Bộ điều khiển gián 
 đoạn Intel 82C59A 
Chuỗi sự kiện: 
• 8259A nhận gián đoạn 
• 8259A xác định ưu tiên 
• 8259A báo hiệu 8086 
 (nâng INTR) 
• CPU phản hồi 
• 8259A đặt véc tơ trên 
 bus dữ liệu 
• CPU xử lý gián đoạn 
+ Đặc điểm của I/O điều khiển bằng 36 
 gián đoạn 
 . 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 hiệu quả sử dụng CPU 
 tốt hơn 
 37 
 c. Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) 
Nhược điểm của I/O chương trình và điều khiển gián đoạn 
 1) Tốc độ truyền I/O bị giới hạn bởi tốc độ kiểm tra và phục vụ 
 thiết bị của bộ xử lý 
 2) Bộ xử lý gắn với việc quản lý truyền I/O; Một số lệnh phải được 
 thực hiện cho mỗi lần truyền I/O 
 Khi cần di chuyển khối lượng dữ liệu lớn, sẽ hiệu quả 
 hơn nếu sử dụng truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) 
 DMA: Mô đun I/O và bộ nhớ chính trực tiếp trao đổi dữ liệu mà 
 không có sự tham gia của CPU 
 Chức năng DMA: 
  Mô đun bổ sung trên bus 
  Bộ điều khiển DMA chiếm quyền điều khiển I/O của CPU 
+ 
 Sơ đồ cấu trúc 
 mô-đun DMA 
• 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 
 39 
+ Hoạt động DMA 
  CPU “nói” cho bộ điều khiển DMA: 
  Đọc/ghi dữ liệu 
  Địa chỉ thiết bị I/O 
  Địa chỉ bắt đầu của khối bộ nhớ chứa dữ liệu 
  Số lượng dữ liệu cần truyền 
  CPU tiếp tục thực hiện công việc khác 
  Bộ điều khiển DMA truyền 
  Bộ điều khiển DMA gửi gián đoạn tới CPU khi hoàn 
 thành để báo kết thúc DMA 
+ 40 
 Các kiểu thực hiện DMA 
  DMA truyền theo khối (Block-transfer DMA): Bộ điều 
 khiển DMA sử dụng bus để truyền xong cả khối dữ liệu 
  „ DMA chiếm chu kỳ (Cycle Stealing DMA): Bộ điều khiển 
 DMA 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): Bộ điều khiển DMA 
 nhận biết những chu kỳ nào CPU không sử dụng bus 
 thìchiếm bus để trao đổi một từ dữ liệu. 
 DMA chiếm chu kỳ truyền 41 
 Bộ điều khiển DMA chiếm bus trong một chu kỳ 
 Truyền một từ dữ liệu 
 Không phải là gián đoạn (CPU không chuyển ngữ cảnh) 
 CPU bị treo ngay trước khi nó truy cập bus (tức là trước khi truy xuất 
 toán hạng, dữ liệu hoặc ghi dữ liệu) 
 Làm chậm CPU nhưng không nhiều như CPU tự thực hiện truyền 
+ 42 
 Cấu hình DMA (1) 
  Bus đơn, bộ điều khiển DMA tách rời 
  Mỗi lần truyền sử dụng bus 2 lần 
  I/O - DMA rồi sau đó DMA - bộ nhớ 
  CPU bị treo hai lần 
+ 43 
 Cấu hình DMA (2) 
  Bus đơn, bộ điều khiển DMA tích hợp 
  Bộ điều khiển có thể hỗ trợ > 1 thiết bị 
  Mỗi lần truyền sử dụng bus 1 lần 
  DMA - bộ nhớ 
  CPU bị treo một lần 
+ 44 
 Cấu hình DMA (3) 
  Bus I/O riêng 
  Bus hỗ trợ tất cả các thiết bị có DMA 
  Mỗi lần truyền sử dụng bus 1 lần 
  DMA - bộ nhớ 
  CPU bị treo một lần 
 45 
 Bộ điều khiển DMA Intel 8237A 
 Giao tiếp với họ 80x86 và DRAM 
 Khi module DMA cần bus nó sẽ gửi tín hiệu HOLD tới bộ vi xử lý 
 CPU phản hồi HLDA - Mô-đun DMA có thể sử dụng bus 
 Ví dụ: truyền dữ liệu từ bộ nhớ tới đĩa 
1. Thiết bị yêu cầu DMA bằng cách nâng DREQ (yêu cầu DMA) 
2. DMA đặt HRQ (yêu cầu giữ) lên cao 
3. CPU kết thúc chu kỳ bus hiện tại và đặt HDLA lên cao. HOLD duy trì trong 
 suốt thời gian DMA 
4. DMA kích hoạt DACK (DMA ack), bảo thiết bị bắt đầu truyền 
5. DMA bắt đầu truyền bằng cách đặt byte đầu tiên của địa chỉ lên bus địa chỉ 
 và kích hoạt MEMR; sau đó kích hoạt IOW để ghi vào ngoại vi. DMA giảm 
 bộ đếm và tăng con trỏ địa chỉ. Lặp lại cho đến khi đếm về 0 
6. DMA hủy HRQ, trả bus trở lại CPU 
8237 DMA 46 
Cách sử dụng Bus Hệ thống 
+ 47 
 Sự phát triển của chức năng vào/ra 
 CPU trực tiếp điều khiển một thiết bị ngoại vi. 
 Thêm 1 bộ điều khiển hoặc mô-đun I/O. CPU sử dụng I/O chương trình, không 
 có gián đoạn. 
 Tương tự bước 2, nhưng có sử dụng gián đoạn. CPU không phải tốn thời gian 
 đợi hoạt động I/O thực hiện, do đó tăng hiệu quả. 
 Mô đun I/O truy cập trực tiếp bộ nhớ qua DMA, di chuyển 1 khối dữ liệu đến/từ 
 bộ nhớ mà không liên quan đến CPU, ngoại trừ khi bắt đầu và kết thúc truyền 
 Mô đun I/O nâng cấp lên thành một bộ xử lý theo quyền riêng của nó, với một 
 tập hợp chỉ lệnh dành riêng cho I/O 
 Mô đun I/O có bộ nhớ cục bộ riêng (giống như một máy tính có quyền riêng) 
 có thể kiểm soát tập hợp lớn các thiết bị I/O, giảm tối thiểu sự tham gia của CPU 
+ 48 
 4. Kênh I/O và Bộ xử lý I/O 
  mở rộng khái niệm DMA 
  có khả năng thực thi các lệnh vào ra, do đó kênh I/O kiểm soát 
 hoàn toàn các hoạt động vào ra không cần sự kiểm soát của 
 CPU 
  Việc điều khiển vào-ra được thực hiện bởi một bộ xử lý vào-ra 
 chuyên dụng trong kênh I/O 
  Chương trình của bộ xử lý vào-ra lưu trong bộ nhớ chính 
  CPU ra lệnh cho kênh I/O thực hiện chương trình trong bộ nhớ 
  Kênh I/O thực thi các lệnh và điều khiển việc truyền dữ liệu 
  2 loại: 
  Kênh lựa chọn (selector channel) 
  Kênh ghép (multiplexor channel) 
+ 
 Kiến trúc 
 kênh I/O 
 7. Giao diện ngoại vi 
 a. Các kiểu Giao diện 
+ . Vào – ra song song 
 . Vào – ra nối tiếp 
 b. Các cấu hình kết nối 
 . Điểm – điểm 
 . Điểm – đa điểm 
 50 
 I/O song song 
„-- Tốc độ nhanh 
-- Nhiều đường kết nối mô-đun I/O - thiết bị ngoại vi 
-- Truyền nhiều bit đồng thời, giống như tất cả các bit của một từ 
được truyền đồng thời trên bus dữ liệu. 
-- Sử dụng cho các thiết bị ngoại vi tốc độ cao như băng và đĩa 
 I/O nối tiếp 
-- Tốc độ chậm hơn 
-- Dùng một đường để truyền dữ liệu 
-- Truyền đi từng bit 
-- Sử dụng cho máy in và thiết bị đầu cuối. 
+ Tổng kết 53 
 Input/Output 
 Chương 7 
  Thiết bị ngoại vi  Truy cập bộ nhớ trực tiếp 
  Bàn phím / màn hình  Nhược điểm của I/O chương 
  Ổ đĩa trình và I/O điều khiển gián 
  Mô đun I/O đoạn 
  Chức năng mô-đun  Chức năng DMA 
  Bộ điều khiển Intel 8237A DMA 
  Cấu trúc module I/O 
  Các kênh I/O và bộ xử lý 
  I/O bằng chương trình 
  Sự phát triển của chức năng I/O 
 
 Tổng quan về I/O chương trình  Đặc điểm của các kênh I/O 
  Lệnh I/O  Giao diện ngoài 
  I/O điều khiển bằng gián đoạn  Các loại giao diện 
  Xử lý gián đoạn  Cấu hình điểm-điểm và đa điểm 
  Các vấn đề thiết kế 
  Bộ điều khiển gián đoạn Intel 
 82C59A 
+ 54 
 Câu hỏi chương 7 
 1. Kể tên ba nhóm thiết bị ngoại vi. 
 2. IRA là gì? 
 3. Các chức năng chính của mô-đun I / O là gì? 
 4. Trình bày ba kỹ thuật để thực hiện I / O. 
 5. Sự khác nhau giữa I / O ánh xạ bộ nhớ và I / O bộ nhớ tách biệt là 
 gì? 
 6. Khi một gián đoạn thiết bị xảy ra, bộ xử lý xác định thiết bị đã ban 
 hành gián đoạn như thế nào ? 
 7. Khi một mô-đun DMA chiếm điều khiển bus, và trong khi nó vẫn kiểm 
 soát được bus, bộ xử lý làm gì?