Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Thiết bị ngoại vi - Nguyễn Thị Phương

 ngoại vi
 7.1 Các thiết bị ngoại vi
 7.2 Module vào/ra
 7.3 Các kỹ thuật I/O
 a. I/O chương trình
 b. Điều khiển ngắt vào/ra
 c. Truy xuất bộ nhớ trực tiếp
 7.4 Các bộ xử lý và kênh vào/ra
+
 7.1 Thiết bị ngoại vi
  Một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống máy tính: CPU, 
 bộ nhớ và thiết bị ngoại vi (thông qua module I/O)
  Giúp trao đổi dữ liệu với bên ngoài
  Kết nối với máy tính qua module vào/ra (module I/O)
  Truyền các thông tin điều khiển, dữ liệu và địa chỉ giữa CPU và thiết 
 bị ngoại vi
  Có ba loại
  Con người đọc được: các thiết bị ngoại vi dành cho người dùng 
 máy tính như màn hình, máy in,...
  Máy đọc được: các thiết bị gắn vào máy tính thực hiện một số chức 
 năng giao tiếp (lấy thông tin,...): ổ cứng, cảm biến, băng từ,...
  Truyền thông: sử dụng truyền thông tin đi xa: modem, card mạng,...
+
 Mô hình tổng 
 quát của I/O 
 Module
+ a. Sơ đồ khối thiết bị ngoại vi
+ a. Sơ đồ khối thiết bị ngoài (tiếp)
  Giao diện (interface) với module I/O:
  Tín hiệu điều khiển - Control signal: xác định chức năng mà thiết bị 
 sẽ thực hiện. Ví dụ: gửi dữ liệu đến module I/O (INPUT hoặc READ), 
 nhận dữ liệu từ module I/O (OUTPUT hoặc WRITE), thông tin trạng 
 thái, hoặc hoặc thực hiện một số chức năng điều khiển đặc biệt đến 
 thiết bị (ví dụ, đặt head của đĩa cứng lên một vị trí nào đó)
  Dữ liệu – Data: một tập các bit được gửi đi hoặc nhận về từ module 
 I/O. 
  Tín hiệu trạng thái - Status signal: chỉ ra trạng thái của thiết bị. Ví dụ: 
 READY/NOT-READY cho biết rằng khi nào thiết bị sẵn sàng cho việc 
 truyền dữ liệu.
  Logic điều khiển – Control logic: nhận các tín hiệu điều khiển từ 
 module I/O, điều khiển hoạt động của thiết bị.
  Bộ chuyển đổi - Transducer: chuyển đổi dữ liệu (đang ở dạng t/h 
 điện) sang các dạng khác (vd: điểm ảnh trên màn hình,...) và ngược 
 lại. Ngoài ra, bộ đệm (buffer) để lưu trữ tạm dữ liệu đang được 
 chuyển giao giữa module I/O và môi trường bên ngoài; kích thước bộ 
 đệm thường từ 8 đến 16 bit.
 Công cụ tương tác máy tính/
+ người dùng phổ biến nhất 
 b. Bàn phím/Màn hình Người dùng cung cấp đầu vào 
 thông qua bàn phím
 Màn hình hiển thị dữ liệu được 
 Bảng chữ cái tham khảo cung cấp bởi máy tính
 quốc tế (IRA) Đơn vị chuyển đổi cơ bản là ký 
 tự
  Ký tự
  Gắn với mỗi ký tự là một mã Mã bàn phím
  Mỗi ký tự được biểu diễn bởi một mã 
 nhị phân 7-bit : biểu diễn 128 ký tự  Khi người dùng bấm một phím, một tín 
 hiệu điện tử được tạo ra bởi một bộ 
  Hai loại ký tự: 
 biến đổi trong bàn phím và dịch sang 
  In được
 mẫu bit của mã IRA tương ứng
  Các ký tự chữ cái, số và ký tự đặc 
 biệt có thể được in trên giấy hoặc  Mẫu bit này được truyền đến mô-đun 
 hiển thị trên màn hình I/O trong máy tính
  Điều khiển  Trên đầu ra, các ký tự mã IRA được 
  Điều khiển việc in/hiển thị các ký tự truyền đến một thiết bị ngoại vi từ 
  VD: carriage return module I/O
  Các ký tự điều khiển khác liên quan  Bộ biến đổi giải mã và gửi các tín hiệu 
 đến các thủ tục truyền tin điện tử yêu cầu đến thiết bị đầu ra để 
 hiển thị ký tự được chỉ định hoặc thực 
 hiện chức năng điều khiển yêu cầu
 7.2 Module I/O
a. Chức năng
Các chức năng chính của một module I/O gồm:
. Điều khiển và định thời: phối hợp luồng lưu lượng truy cập giữa 
 thành phần thiết bị bên trong (main memory, bus) và thiết bị 
 ngoại vi
. Trao đổi thông tin với VXL: gồm giải mã lệnh, dữ liệu, báo cáo 
 trạng thái (trạng thái của thiết bị I/O có sẵn sàng hay không), 
 nhận dạng địa chỉ (địa chỉ các cổng mà TBNV được nối vào)
. Trao đổi thông tin với TBNV: 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 TBNV và bộ nhớ
. Phát hiện lỗi: phát hiện và báo cáo lỗi truyền
b. Cấu trúc Module I/O
+ b. Cấu trúc Module I/O (tiếp)
 Các module I/O thay đổi khác nhau theo sự phức tạp và số lượng các thiết bị 
 ngoài mà nó điều khiển. Cấu trúc chung nhất:
 - Dữ liệu được truyền đến và đi từ module được đệm qua một hoặc nhiều thanh 
 ghi dữ liệu (data register). 
 - Thanh ghi trạng thái/ điều khiển (status/control register): lưu trữ thông tin 
 trạng thái của thiết bị hoặc thông tin điều khiển của bộ VXL
 - Khối logic điều khiển - I/O logic: tương tác với VXL qua một tập các đường 
 điều khiển (control line). VXL sử dụng các đường điều khiển để ra lệnh cho 
 module I/O. Module I/O cũng có thể sử dụng một số đường điều khiển để gửi 
 các tín hiệu phân xử bus hoặc tín hiệu trạng thái. 
 - Module cũng có khả năng nhận diện và sinh ra các địa chỉ với mỗi thiết bị được 
 nối đến nó (địa chỉ cổng). Mỗi module I/O có một (nếu chỉ nối với một TBNV) 
 hoặc một tập địa chỉ (nếu module nối với nhiều TBNV) 
 - Cổng nối ghép vào/ra (External Device Interface Logic): giao tiếp với thiết 
 bị ngoại vi
+
 c. Địa chỉ cổng vào/ra
  Cũng giống như bộ nhớ, cácTBNV được gắn vào module I/O 
 qua các cổng. Để CPU giao tiếp được với các TBNV, các cổng 
 này phải được gán một giá trị địa chỉ
+
 Không gian địa chỉ I/O
  Có hai phương thức thực hiện không gian địa chỉ cho các TBNV:
  I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O): 
  Bộ nhớ và TBNV chia sẻ chung không gian địa chỉ. VXL coi 
 các thanh ghi dữ liệu và trạng thái như các ô nhớ và sử 
 dụng cùng các lệnh để truy cập cả bộ nhớ và thiết bị ngoại 
 vi
  Chỉ sử dụng một đường đọc và ghi, do đó bus phải sắp 
 xếp giữa việc đọc/ghi bộ nhớ và vào/ra TBNV
  I/O riêng biệt (isolated I/O):
  Sử dụng một đường command line để xác định: địa chỉ BN 
 hay địa chỉ TBNV
  Toàn bộ dải địa chỉ dùng cho cả hai. VD: 10 đường địa chỉ 
 cho phép đánh địa chỉ 1024 ô nhớ và 1024 TBNV
  Tập các chỉ lệnh đến BN và TBNV khác nhau
+ 7.3. Các kỹ thuật vào/ra
 Hoạt động của module I/O theo 3 kỹ thuật sau:
  I/O chương trình
  CPU thực thi một chương trình trực tiếp điều khiển các hoạt động vào/ra
  Khi bộ xử lý ra lệnh, nó phải đợi cho đến khi hoạt động vào/ra hoàn tất
  Bộ xử lý chạy nhanh hơn module I/O sẽ gây lãng phí thời gian xử lý
  I/O điều khiển ngắt
  Bộ vi xử lý ra lệnh I/O sau đó tiếp tục thi hành các lệnh tiếp theo trong 
 chương trình.
  Khi module I/O hoàn thành công việc, nó sẽ gửi tín hiệu yêu cầu ngắt đến 
 VXL.
  Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)
  Module I/O và bộ nhớ chính trực tiếp trao đổi dữ liệu mà không có sự 
 tham gia của bộ vi xử lý
 Các kỹ thuật I/O
+
+ a. Kỹ thuật I/O chương trình
  Khi cần thực hiện một tác vụ vào/ra:
  VXL thực thi một chương trình và gửi lệnh đến module I/O 
 tương ứng
  Module I/O nhận yêu cầu, thiết lập các bit trạng thái trên thanh 
 ghi trạng thái
  CPU định kỳ kiểm tra trạng thái của module I/O
  Chưa sẵn sàng thì tiếp tục định kỳ kiểm tra
  Đã sẵn sàng, thiết lập việc truyền dl đến module I/O
+ a. Các lệnh I/O – I/O command (từ 
 VXL đến module I/O)
 Để thực thi một hoạt động vào/ra, VXL đưa ra địa chỉ: định ra module I/O và 
 TBNV cụ thể; và các lệnh I/O. Có bốn loại lệnh I/O các module cần thực 
 hiện
 1) Control
 - Dùng để kích hoạt một thiết bị ngoại vi và chỉ định nó phải làm gì
 2) Test
 -Dùng để kiểm tra các điều kiện trạng thái liên quan đến một module I/O và các thiết 
 bị ngoại vi. (TBNV bật hay tắt, hoạt động I/O đang thực hiện đã xong chưa, có lỗi gì)
 3) Read
 - Cho phép module I/O lấy dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và đặt nó vào bộ đệm bên trong 
 đặt dữ liệu vào bus cho CPU
 4) Write
 - Cho phép module I/O lấy dữ liệu từ bus dữ liệu rồi chuyển dữ liệu đó đến thiết bị 
 ngoại vi
+
 Ví dụ: Hoạt 
 động đọc 
 (READ) từ thiết 
 bị ngoại vi vào 
 RAM
+
 b. I/O điều khiển ngắt 
  Vấn đề với I/O chương trình là bộ xử lý phải đợi một thời 
 gian dài để module I/O sẵn sàng cho việc nhận hoặc 
 truyền dữ liệu
  Giải pháp thay thế là bộ vi xử lý ra lệnh I/O cho module, 
 sau đó thực hiện các việc khác. 
  Khi module I/O sẵn sàng trao đổi dữ liệu với VXL, nó sẽ 
 gửi tín hiệu ngắt đến VXL
  Bộ xử lý thực hiện việc truyền dữ liệu và tiếp tục quá trình 
 xử lý trước đó
+
 Cơ chế làm việc
  Từ phía module I/O:
  Nhận lệnh READ từ VXL
  Đọc dữ liệu vào từ TBNV tương ứng
  Khi dữ liệu được đưa vào thanh ghi dữ liệu, module gửi tín hiệu yêu cầu ngắt 
 đến VXL và chờ đợi tín hiệu yêu cầu dữ liệu từ VXL.
  Khi có tín hiệu đó, module đặt dữ liệu vào bus và sẵn sàng để thực hiện các 
 hoạt động I/O khác
  Từ phía VXL:
  VXL đưa ra lệnh READ.
  Sau đó thực hiện các công việc khác (vd: trong trường hợp có nhiều CT 
 đang chạy tại một thời điểm)
  Sau mỗi chu kỳ lệnh, VXL sẽ kiểm tra xem có tín hiệu yêu cầu ngắt được 
 gửi tới
  Nếu có, VXL lưu trữ nội dung đang thực hiện và xử lý ngắt
  VXL nhận dữ liệu từ bus lưu trữ vào bộ nhớ và tiếp tục chương trình
 +
 Thay đổi trong bộ 
nhớ và thanh ghi khi 
 có một ngắt
Hai vấn đề phát sinh
Hai vấn đề thiết kế phát sinh khi thực hiện I/O điều 
khiển ngắt:
1. Nhận diện thiết bị: Bởi vì sẽ có nhiều module I/O, khi có 
 một yêu cầu ngắt gửi tới, bộ vi xử lý sẽ xác định thiết bị 
 đưa ra yêu cầu ngắt bằng cách nào?
2. Xác định ưu tiên. Nếu xảy ra nhiều ngắt cùng một thời 
 điểm, VXL lựa chọn ngắt nào để xử lý?
+ 1. Nhận diện thiết bị
 Bốn loại kỹ thuật chung được sử dụng phổ biến:
  Nhiều đường ngắt
  Sử dụng nhiều đường ngắt giữa VXL và các module I/O dễ 
 dàng xác định thiết bị
  Không thực tế do kỹ thuật này làm tăng số đường bus và các chân 
 của VXL. Thêm vào đó, vẫn phải có nhiều module I/O nối với một 
 đường vẫn cần một trong ba kỹ thuật còn lại
+  Thăm dò phần mềm 
  Khi bộ xử lý phát hiện ra một ngắt, nó thực thi một phần mềm 
 thăm dò:
  Thực hiện lệnh thăm dò (vd: lệnh TEST I/O) tới từng 
 module I/O (thông qua địa chỉ) Module I/O sẽ trả lời nếu 
 nó đưa ra y/c ngắt.
  Hoặc thực hiện lệnh đọc thanh ghi trạng thái của từng 
 module để phát hiện module y/c ngắt
  Nhược điểm: Tốn thời gian
+  Chuỗi Daisy (thăm dò phần cứng, vector)
  Tất cả các module I/O sử dụng chung một đường yêu cầu 
 ngắt (INTR)
  Đường nhận biết ngắt (INTA) được nối chuỗi qua các module
  Khi VXL nhận được y/c ngắt, nó sẽ gửi lại một tín hiệu ACK 
 qua đường INTA 
  T/h này truyền qua các module I/O đến khi gặp module y/c 
 ngắt. Module này trả lời bằng cách đặt một word lên bus 
 dữ liệu: được gọi là vector ngắt (chứa thông tin địa chỉ của 
 module I/O hoặc mã nhận dạng thiết bị khác).
  VXL sử dụng vector này trỏ tới trình phục vụ ngắt tương ứng 
 của thiết bị ngắt vector
+
  Phân xử bus (cũng sử dụng vector ngắt)
  Sử dụng cơ chế cho phép một module I/O chiếm quyền sử 
 dụng bus rồi mới gửi yêu cầu ngắt
  Khi bộ xử lý phát hiện ra ngắt, nó trả lời trên đường ACK.
  Module I/O đặt vector ngắt của nó lên các đường dữ liệu
  VXL sử dụng vector này trỏ tới trình phục vụ ngắt tương ứng 
 của TB
+
 2. Xác định ưu tiên
  Các phương pháp nhận diện thiết bị đồng thời cho 
 phép xác định độ ưu tiên của các TB khi có nhiều 
 yêu cầu ngắt cũng một thời điểm:
  Nhiều đường ngắt: VXL sẽ chọn đường có độ ư tiên 
 cao hơn để xử lý trước
  Thăm dò phần mềm: thứ tự thăm dò các thiết bị được 
 sắp xếp theo độ ưu tiên
  Chuỗi daisy: tương tự thăm dò phần mềm
  Phân xử bus: cơ chế phân xử bus đã có phân xử theo 
 độ ưu tiên
+
+
+
 c. Truy cập bộ nhớ trực tiếp - DMA
  Nhược điểm của I/O chương trình và I/O điều khiển ngắt: 
 VXL thay gia vào hầu hết chu trình truyền/nhận dữ liệu 
 giữa TBNV và BN
 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 chỉ lệnh 
 phải được thực hiện cho mỗi lần truyền I/O 
 Khi khối lượng dữ liệu lớn được di chuyển, một kỹ 
 thuật hiệu quả hơn là truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)
+
+
+
+
+
+
+
+
+ Chức năng DMA
  DMA bao gồm một module bổ sung trên hệ thống bus. 
  Module DMA có khả năng thực hiện việc điều khiển việc truyền/nhận dữ liệu 
 thay cho VXL
  Module DMA chỉ sử dụng bus khi VXL không cần đến nó hoặc buộc VXL 
 phải tạm ngừng hoạt động để chiếm bus. Kỹ thuật thứ hai là phổ biến hơn.
 Quá trình đọc/ghi dữ liệu sử dụng DMA
 . Khi cần đọc/ghi dữ liệu, VXL gửi đến module DMA các thông tin sau:
 . Yêu cầu đọc/ghi: đường điều khiển
 . Địa chỉ TBNV: đường dữ liệu
 . Vị trí bộ nhớ bắt đầu để lưu trữ dữ liệu: đường dữ liệu và lưu trữ trên 
 thanh ghi địa chỉ
 . Số lượng word được đọc/ghi: đường dữ liệu, lưu trữ trên thanh ghi data 
 count
 . VXL thực hiện công việc khác, DMA thực hiện việc truyền giữa BN và 
 TBNV
 . Sau khi hoàn thành, DMA gửi tín hiệu ngắt cho VXL
 VXL chỉ tham gia vào thời điểm bắt đầu và kết thúc việc truyền tin
+
 Sơ đồ module 
 DMA điển hình
+ Chu kỳ DMA
 . Khi có yêu cầu bus từ DMA, VXL phải tạm thời treo để nhường 
 bus cho DMA. 
 . Do không phải là ngắt nên VXL chỉ tạm dừng trong một chu kỳ 
 bus
 . DMA cũng làm cho VXL bị chậm hơn, tuy nhiên, khi truyền một 
 lượng lớn dữ liệu thì DMA hiệu quả hơn nhiều so với 2 kỹ thuật 
 còn lại DMA
+
 c. Cấu hình DMA
  Cấu hình DMA: tất cả các module chia sẻ chung bus hệ thống
  Module DMA điều khiển việc truyền dữ liệu giữa I/O và memory trong 
 hai chu kỳ bus
  Cấu hình có chi phí thấp nhưng rõ ràng không hiệu quả
+
  DMA giao tiếp với I/O không qua bus hệ thống: giảm được chu kỳ bus
  DMA chỉ chiếm bus hệ thống khi cần trao đổi dữ liệu với bộ nhớ 
 chính
+
 d. Bộ điều khiển DMA Intel 8237
8237 DMA 
Cách sử dụng Bus Hệ thống
+
 d. Bộ điều khiển DMA Fly-By
 Bảng 7.2 
 Thanh ghi 
 Intel 
 8237A
E/D = enable/disable TC = terminal count
 + 6. VXL và các kênh I/O
a. Sự phát triển của chức năng I/O qua các thời kỳ
 1. CPU trực tiếp điều khiển một thiết bị ngoại vi.
 2. Thêm vào Một bộ điều khiển hoặc module I/O. CPU sử dụng I/O lập 
 trình, không có ngắt.
 3. Cấu hình tương tự như bước 2, nhưng có sử dụng ngắt. CPU không 
 phải tốn nhiều thời gian chờ đợi một hoạt động I/O được thực hiện, do 
 đó tăng hiệu quả.
 4. Module I/O được truy cập trực tiếp tới bộ nhớ qua DMA. Nó có thể di 
 chuyển một khối dữ liệu đến/từ bộ nhớ mà không liên quan đến CPU, 
 ngoại trừ khi bắt đầu và kết thúc quá trình truyền.
 5. Module I/O được tăng cường để trở thành một bộ xử lý theo quyền 
 riêng của nó, với một tập hợp chỉ lệnh dành riêng cho I/O
 6. Module I/O có bộ nhớ cục bộ riêng và trên thực tế là một máy tính theo 
 quyền riêng của nó. Với kiến trúc này, có thể kiểm soát một tập hợp lớn 
 các thiết bị I/O với sự tham gia tối thiểu của CPU.
 I/O channel
+
 Kiến trúc 
 I/O channel
+
 Review Questions
 1. Liệt kê ba loại thiết bị ngoại vi (thiết bị ngoài).
 2. IRA - International Reference Alphabet là gì?
 3. Các chức năng chính của module 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 riêng biệt là 
 gì?
 6. Khi một ngắt được gửi đến VXL, bộ xử lý xác định thiết bị 
 đã yêu cầu ngắt như thế nào?
 7. Trong khi một module DMA chiếm quyền điều khiển bus
 VXL làm gì?