1 Input/Output Elementi periferici: Testiera Monitor Stampanti Memorie di massa........... CPU memoria controller video controller tastiera controller

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Input/Output

• Elementi periferici:TestieraMonitorStampantiMemorie di massa...........

CPU memoria controllervideo

controllertastiera

controllerdisk

monitor

floppy diskhard disk

tastiera

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Input/Output

• Colloquio tra unità centrale e periferiche:

Controllo da programma

Interrupt

DMA

Canale di I/O

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• E' da programma che si decide quando interrogare la periferica per un colloquio es: lettura di un tasto premuto

• E' usato nei processori di bassa fascia e in vecchi sistemi

circuito di selezione

interfaccia parte meccanica_bus

parte meccanicadella periferica

bus

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• Ogni periferica è individuata da un unico indirizzo (I/O a mappa di memoria)

Esistono istruzioni dedicate all' I/O:es: PDP 8

C.O. n. periferica comando3 6 3

110: operazione di I/O

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• Funzionamento:Nel programma vengono inserite delle istruzioni il cui C.O. è una operazione di I/O. Con queste ultime vengono specificate: La periferica L'operazione da svolgere sulla periferica

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• Operazioni principali svolte:a) test su flag

la periferica possiede un flag che rappresenta la sua disponibilità ad operare.Fino a che la periferica non è disponibile si resta in attesa:

Test su flag

b) lettura (scrittura) con reset (set) del flag si legge un dato e si attiva il flag per segnalare alla periferica che

che l'operazione è stata svolta. La periferica si attiva nuovamente. Quando un nuovo dato è pronto la periferica disattiva il flag.

test sul flag

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• esempio:

carattere ricevuto carattere da visualizzare

flag: carattere disponibile flag: pronto per il prossimo carattere

buffer di tastiera buffer di monitor

Il flag è posto a 1 dal trasmettitore ed azzerato dal ricevente

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• Svantaggio:

La CPU spende la maggior parte del tempo in un ciclo di attesa.Questo è negativo se la CPU ha del lavoro da svolgere.

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Interrupt

• Soluzione:

Attivare il dispositivo di I/O chiedendogli di comunicare la fine del suo lavoro:

Interrupt ( oppure Interruzione di programma )

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Interrupt

• L'interrupt è un cambiamento nel flusso di controllo non provocato dall'esecuzione del programma.

• Due tipi di cambiamenti nel flusso: TRAP

Interruzioni SINCRONE con il programma overflow o underflow durante una operazione aritmetica. codici operativi non definiti tentativo di azionare un dispositivo di I/O inesistente ...........

INTERRUPT Interruzioni ASINCRONE con il programma

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Interrupt

• Esempio di funzionamento delle interruzioni:Emissione a video di una stringa di caratteriTutti i caratteri sono raccolti in una zona di

memoria individuata da 2 variabili globali: puntatore al primo carattere numero di caratteri (variabile contatore)

Richiesta del terminale da parte della CPU. Quando il terminale è pronto la CPU, che è rimasta in attesa, manda il primo carattere.

L'operazione di I/O è iniziata. La CPU torna ad eseguire il programma utente.

(segue)

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Interrupt

Visualizzato il primo carattere, il controller video lancia un interrupt:

Azioni HARDWARE: Il controller attiva la linea di interrupt Non appena possibile la CPU attiva il segnale di

acknowledge (la CPU ha accettato l'interruzione) Ricevuto il segnale di acknowledge, il dispositivo di I/O

identifica se stesso mediante il vettore di interrupt (identificatore del dispositivo o del gruppo di dispositivi)

La CPU salva in un registro il vettore di interrupt La CPU salva nello stack il PC e il registro di STATO

(segue)

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Interrupt

Viene caricato in PC l'indirizzo relativo alla routine di I/O. L'indirizzo è individuato attraverso il vettore di interrupt.

Es: 8088: la tabella degli indirizzi delle routine di interrupt inizia all'indirizzo assoluto 0000. Ogni indirizzo è costituito da 4 byte.

es: vettore di interrupt = 3indirizzo primo byte del PCrelativo alla sua routine di gestione = 3 * 4 = 12

PC0 primo byte

PC0 secondo byte

PC0 terzo byte

PC0 quarto byte

PC1 primo byte

PC1 secondo byte

PC1 terzo byte

PC1 quarto byte

routine di servizio

dell'interrupt

. . . . . . .

000000010002000300040005.........

VettInt * 4

NOTA:in 80286 e 80386, i vettori di interruptindividuano PC disposti su 8 bytein un punto qualunque della memoria(è usato il registro segmento extra)

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Interrupt

Azioni SOFTWARE (routine di I/O): Salvataggio dei registri di lavoro nello stack (o in una

tabella di sistema); Ricerca del dispositivo che ha richiesto l'interrupt

all'interno del gruppo individuato dal vettore di interrupt (solitamente più dispositivi condividono lo stesso vettore di interrupt);

Si aggiornano le variabili globali Puntatore, Contatore; Ripristino dello stato; Esegue l'istruzione IRET (ritorno da interrupt) che

ripristina i valori dei registri PC e STATO.

(fine esempio)

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Interrupt

• Il ripristino dello stato della CPU rende le interruzioni TRASPARENTI cioè, la CPU continua a lavorare come se non ci fosse stata nessuna interruzione.

• Per multi_interruzioni due strategiea) Senza interruzione degli interrupt;b) Con interruzione (a priorità) degli interrupt.

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Interrupt

a) La routine di gestione dell'interruzione

svolge, come prima operazione, la

disabilitazione del segnale di interruzione e

come ultima operazione la riabilitazione.

Interrupt strettamente sequenziali

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Interrupt

• Esempio di routine per la gestione dell'I/OIOFF

Salvataggio dellostato della macchina

Riconoscimento dellaperiferica da cui

proviene l'interruzione

Operazioni di I/O

IONSalto indiretto alla

cella contenente il PCdel programma utente

disattiva l'interrupt

riattiva l'interrupt

inizioricerca periferica

gestione di P1gestione di P2

.........gestione di Pn

fine

PC

...........

...........

PC

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Interrupt

b) La disabilitazione degli interrupt può andar bene se non vengono trattati dispositi critici. Es: Nella trasmissione seriale a 9600 bps i caratteri arrivano ogni 1042 sec, pronto o non pronto che sia il calcolatore!!

Viene associata una priorità ai dispositivi di I/O:Una routine a priorità n è interrotta solo

da interrupt a priorità k > n. Gli altri sono ignorati (MASCHERATI).

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Interrupt

Le routine di interrupt sono trasparenti ( lo stato della macchina viene riportato a quello che precede l'interrupt).

Disco (4)

RS 232 (6)

Stampa (2)

utente stampa RS 232 disco stampa utente

tempo

utente utente utente utente

stampa stampa

stack

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Interrupt

• 8088/8086, 80286 e 80386 hanno due pin per le interruzioni (prevedono solo 2 livelli di priorità):INTR: interrupt mascherabileNMI: interrupt non mascherabile

• NMI Usato per segnalare catastrofi imminenti quali

ERRORE DI PARITA' DELLA MEMORIA

• INTR Usato per i dispositivi di I/O

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Interrupt

• In generale, due tipi di gestori delle priorità:A priorità cablata. es: encoder priority

A priorità programmata.

P1P2P3

da programma

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Interrupt

• Tra INTR e le periferiche viene interposto un dispositivo aggiuntivo che ha come compito quello di inibire le interruzioni di dispositivi a più bassa priorità rispetto a quello corrente:

controllore di interrupt 8259A (Intel)

Quando una routine di gestione è conclusa, viene trasmesso all'8259A un segnale che permette a un interrupt di minore priorità di verificarsi.

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Interrupt

• connessione tra CPU e 8259A

CPU

8259 Acontrollore

diinterruzioni

D0-D7

CS

A0

WR

RD

INTA

INTRIR0

IR1

IR2

IR3

IR4

IR5

IR6

IR7

orologio

tastiera

disco

stampa

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Interrupt

• Quando uno (o più degli) IRq è attivato, l'8259A attiva INTR.Alla fine della istruzione corrente, la CPU attiva INTA (INTerrupt Acknowledge).L' 8259A spedisce alla CPU il vettore di interrupt (D0 - D7) identificando il dispositivo che ha lanciato l'interrupt.Il vettore di interrupt è usato dalla CPU come indice in una tabella di indirizzi che individuano l'indirizzo della procedura da eseguire.

• RD, WR, A0, CS sono usati per svolgere diverse operazioni. Es: per comunicare all'8259A che il corrente interrupt è stato soddisfatto, oppure per mascherare un gruppo di interruzioni.

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Interrupt

• Problema:Il trasferimento di grosse quantità di dati è oneroso dato che è richiesto un interrupt per ogni carattere trasmesso e l'elaborazione associata ad una interruzione è costosa. per ogni dato trasmesso:

interruzione del programma in corso esecuzione della routine di servizio ripristino dello stato per il proseguimento del

programma.

..................................ci vuole TEMPO!!!!!!!!

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DMA

• Si supponga di voler leggere un blocco di dati da disco.......dopo il primo dato il tempo di accesso è praticamente nullo. La periferica è troppo veloce per poter essere gestita a interrupt.....

• Il DMA (Accesso Diretto alla Memoria) consiste in un trasferimento diretto dal dispositivo di I/O alla memoria (o viceversa).

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DMA

• L'operazione di DMA è comandata dalla CPU ed è controllata da un controllore DMA che,programmato dalla CPUaccede direttamente al bus trasferendo dati dal

dispositivo di I/O alla memoria (o viceversa) eavverte la CPU, mediante interrupt, la fine

dell'operazione.

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DMA

• Il controllore di DMA possiede almeno 4 registri programmabili software dalla CPU

indirizzo di partenza del blocco dati (da mettere o prelevare dalla memoria)

contatore delle parole da trasferire

Identificatore del dispositivo di I/Oo l'indirizzo dello spazio di I/O da usare

indica se l'operazione è di scrittura o lettura

NOTA: Il DMA è un ritorno al controllo da programma fatto, non dalla CPU bensì da un dispositivo dedicato!

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DMA

• Anche se la CPU ha meno lavoro da svolgere, il sistema di comunicazione non è perfetto:Durante un trasferimento in DMA di dati da un

dispositivo particolarmente veloce, saranno necessari molti cicli di bus sia per

accessi alla memoria che accessi al dispositivo di I/O

CPU DMA Memoria UART RS 232 terminale

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DMA

• La CPU ha priorità minore nella gestione del bus poiché spesso, i dispositivi di I/O non tollerano ritardi ......la CPU deve aspettare.

Il DMA è comunque più vantaggioso delle interruzioni. E' il metodo normalmente usato per la gestione dell'I/O su tutti i Personal Computer e Mini Computer.

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Bus PC IBM

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Bus PC IBM

• Bus PC IBM 62 lineeClock a 14.31818 MHz da cui è ricavato il clock

4.77 MHz per l'8088 (max frequenza dell'8088 è 5 MHz)

Per demultiplexare le linee dati da quelle indirizzo si usano dei latch:

74LS373 (per gli indirizzi: i segnali di indirizzo sono prodotti per primi in un ciclo di bus)

74LS245 (latch bidirezionale)

NOTA: Poichè la CPU è MOS sono necessari dei buffer TTL per pilotare il bus.

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Bus PC IBM

AEN:(Address ENable) usato per estromettere la CPU dal bus

ALE: (Address Latch Enable) Attivo quando è la CPU a pilotare li bus indirizzi e quando gli indirizzi sono validi.

MEMR, MEMW: Lettura e scrittura a memoria. Quando sono attivi individuano non solo l'operazione ma anche che l'indirizzo si riferisce alla memoria.

IOR, IOW: Lettura e scrittura su un dispositivo di I/O. Quando sono attivi individuano, oltre alla operazione, anche lo spazio di indirizzamento di I/O.

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Bus PC IBM

MEMR, MEMW, IOR e IOW sono generati decodificando i segnali S0_S2 mediante il decoder 8288 Intel

IOCHCHK:(I/O CHannel CHecK) Attivo quando è presente un segnale di errore di parità della memoria. Genera un interrupt non mascherabile.

IOCHRDY: (I/O CHannel ReaDY) E' usato dalle memorie lente per introdurre cicli di attesa.

IRQ2-IRQ7: Interruzioni

IRQ0: usato per i timer (non usa il bus)

IRQ1: usato per la tastiera (non usa il bus)

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Bus PC IBM

• DMA:Gestito dall' 8237A. E' una piccola CPU con un

programma cablato.La CPU ordina un trasferimento caricando nell'8237A:Il numero del dispositivoindirizzo di memoriacontatore di bytedirezione di trasferimento

Quando il dispositivo di I/O ha raggiunto il primo dei byte da trasferire, il suo controller attiva uno dei DRQx (Device ReQuest) in ingresso al 8237A . . . . .

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Bus PC IBM

Ricevuto il DRQx, l'8237A richiede il bus e lo prepara al trasferimento attivando uno dei DACKx (Device ACKnowledge). Quest'ultimo segnala al controllore di scrivere o leggere il dato.Durante questa fase il controller è master.

Nota:L'8237A usa alcuni latch per generare l'indirizzo (per

indirizzare la memoria)La linea DRQ0 è usata per il refresh di memorie dinamiche.

Il segnale T/C è attivato quando il contatore è a ZERO avvisando così il controller che l'operazione è conclusa e deve lanciare l'interrupt.

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Bus PC/AT IBM

• E' il bus PC IBM ampliato di 36 linee (estensione di indirizzi, dati, interrupt, DMA)

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CANALE

• Su mainframe, le operazioni di I/O sono così frequenti che potrebbero saturare il bus. Si aggiungono dei processori di I/O dedicati detti CANALI.

• I Canali sono veri e propri processori che posseggono un linguaggio specializzato rivolto alle operazioni di I/O e svolgono programmi sofisticati.

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CANALE

• I canali hanno struttura simile ad un processore (PC, Unità di Controllo, Registro Istruzione ........) ma, non sono dotati di memoria propria non sono in grado di attivarsi autonomamente

• Il canale ha essenzialmente lo scopo di eseguire in modo autonomo tutte le operazioni di I/O ripetitive in modo da impegnare al minimo il calcolatore durante la fase di trasferimento dati cioè.........

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CANALE

Controllo integrità dei dati Controllo checksum, parità,.......

Conversione dati Es: da ASCII a Integer (su 16 bit)

• Trasferimento tra canale e calcolatore esclusivamente in DMA

• I mainframe IBM posseggono uno o più canali di due tipi:Canale Selettore: gestisce una sola unità di I/O veloce

(dischi)Canale Multiplexer: gestisce più di una unità di I/O

lento (es: terminali).

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CANALE

I/O buffer

Programma di

canale

istruzione inizio I/O

indirizzo programma di canale

passo 1

passo 2: PC per il canale

passo 3: il canale esegue il programma e trasferiscei dati nella memoria centrale

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Sistemi di Comunicazione

• Un sistema di comunicazione permette di realizzare un trasferimento di informazioni tra diverse unità.I chip di I/O: comunicazione con il mondo

esterno

• Le unità che comunicano sono da considerarsi ASINCRONE tra loro.

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Sistemi di Comunicazione

• Problemi da risolvere:Tecnologici : caratteristiche fisiche dei canali usati per la

trasmissione.Arbitraggio : assegnare l'utilizzazione di un sistema di

comunicazione a un particolare modulo tra quelli che ne fanno richiesta.

Trasferimento: trasferire dati tra un modulo e l'altro superando la difficoltà costituita dal fatto che i due moduli sono asincroni tra loro

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Problemi Tecnologici

• Mezzo trasmissivo e sue caratteristiche(consideriamo solo conduttori elettrici)Velocità di propagazione

Un segnale elettrico (anche ottico) ha velocità pari a circa la metà della velocità della luca nel vuoto.

dalla velocità di propagazione e dalla lunghezza del conduttore dipende il ritardo di propagazione

Velocità di trasmissione: numero di bit trasmessi. Si misura in bps.

La velocità di trasmissione dipende dalla larghezza di banda del canale trasmissivo che, a sua volta, dipende dalle caratteristiche elettriche e magnetiche del mezzo trasmissivo

Attenuazione: perdita di energia del segnale RIPETITORI

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Mezzi Trasmissivi

• Mezzi trasmissivi più diffusi:Doppino telefonico (velocità massima 10Mbps)

è formato da due cavi elettrici intrecciati

Flat cables usato per trasmissioni parallele. Sono costituiti da molti conduttori

immersi in materiale isolante.Usato per distanze di pochi metri.

problemi : interferenza (disturbi esterni)Crosstalk (interferenza reciproca tra

segnali)

Coassiali e fibre ottiche si stanno affermando per la trasmissione a grandi distanze poiché

hanno bande passanti elevate (di gran lunga superiori al doppino telefonico). Le fibre ottiche sono pressoché immuni da interferenze.

problema: costo elevato.

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Trasferimento Dati

• Il trasferimento dati su brevi distanze può essere parallelo.Sincrono

Esiste una linea dedicata al segnale globale di sincronismo: CLOCK GLOBALE

Asincrono La sincronizzazione si basa su opportune regole e

linee di sincronizzazione

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Trasferimento DatiParallelo Asincrono

• Il problema è:Assicurarsi che il ricevente abbia effettivamente

ricevuto il dato prima che il trasmittente lo tolga dal bus

e che il ricevente non lo legga due volte !

• Si usa il metodo interlocking:Tenere alti i segnali fino a che non si riceve una

risposta da parte dell'altro modulo. Due segnali: READY: Segnala al ricevente la presenza dal dato ACCEPT: Segnala la trasmittente che il dato è stato

ricevuto

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• Per la gestione del bus si usano delle tecniche di arbitraggio:

un solo master che seleziona il ricevente.

Trasmittente Ricevente

BUS

READY

ACCEPT

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• HALF-INTERLOCKED:Possibile errore:

Il trasmittente perde il segnale di ACCEPTa) Il trasmittente rimane bloccato in attesa di un

segnale di ACCEPT che non arriverà mai.

b) Il ricevente vede READY alto e campiona gli lo stesso dato una seconda volta!!!

READY

ACCEPT

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• FULLY-INTERLOCKED:

READY

ACCEPT

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Trasferimento DatiParallelo Sincrono

• La velocità di trasferimento deve adeguarsi alla unità più lenta.

Trasmittente Ricevente

BUS

CLOCK

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Trasferimento Dati Parallelo

PIO (Parallel Input/Output) 8255A Intel• E' un dispositivo programmabile con 24 linee di

I/O. Nel modo più semplice può essere programmato per avere 3 porte indipendenti di I/O da 8 bit ciascuna. La CPU può leggere o scrivere su na qualunque delle 3 porte (bit di selezione A0-A1, solitamente i più significativi del bus indirizzi)

L'8255A prevede dei pin per il trasferimento asincrono.

PIO8255 A

CSA0-A1

WRRD

RESETD0:D7

8 bit

8 bit

8 bit

porta A

porta B

porta C

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Trasferimento Dati Seriale

CPU mem

scheda di I/O

UART

modem

RS 232 C

modemTerminale

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Elementi di comunicazione:• UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

L'intervallo di tempo tra due caratteri non è fissato sebbene l'intervallo di tempo tra due bit che formano il carattere lo siano

es: battitura da tastiera: la distanza tra due caratteri non è uniforme

p i s t dtempo

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• USART (U Synchronous ART)

E' una unità predisposta per funzionare con modi di trasmissione seriale sia sincrona che asincrona.

• Sia le UART che le USART sono programmabili cioè richiedono una fase di inizializzazioneI due tipi di interfaccia altro non sono che sofisticati

convertitori PARALLELO-SERIALE (e viceversa)

p i s t d tempo

Sincrona

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• Trasmissione asincrona:problema: come può il ricevitore riconoscere il primo bit

del carattere?

Formato del dato trasmesso:

. . . .

bit di start 1 bit di stop1 e 1/2 bit di stop

2 bit di stop

tempo

start 1 1 0 1 0 0 1 stop1 stop2

esempio: dato=110100, bit parità pari, 2 bit di stop

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formato del dato trasmesso:Un bit di start (0): la linea è mantenuta

normalmente a 1Dato: formato dal codice del carattere seguito

eventualmente dal bit di parità.Uno, uno e mezzo, due bit di stop (1):

separazione minima tra due dati. Due bit di stop migliorano l'affidabilità della trasmissione.

• velocità di trasmissione:110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

57600, 115200 bit per secondo (bps o baud)

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• ipotetico registro di programmazione di una unità di trasmissione seriale asincrona:

dimensione dato trasmesso:0 8 bit1 9 bit

parità:00 parità pari01 nessuna parità10 nessuna parità11 parità dispari

bit di stop00 uno01 uno e mezzo10 due

velocità di trasmissione

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• ricezione:Sia il ricevitore che il trasmettitore devono

essere configurati nello stesso modo......Il ricevitore campiona la linea ad una frequenza molto superiore a quella di trasmissione. Riconosciuto il bit di start (fronte di discesa) posiziona il campionamento a metà dei successivi bit; in questo modo la ricezione è insensibile ad eventuali piccole variazioni tra la frequenza di lavoro del trasmettitore e quella del ricevitore.

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• esempio:

linea

ricevitore

start 1 1 0 0 0 stop stop

parità pari

1 1 0 0 0

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• Trasmissione sincrona:E' molto complessa ed utilizza, in generale, un codice

autosincronizzante oppure protocolli che permettono la sincronizzazione a inizio trasmissione.Nella trasmissione sincrona la necessità di un bit di inizio e fine viene eliminata.

codice auto-sincronizzante Manchester

0: identificato da una transizione da 0 a 11: identificato da una transizione da 1 a 0

0 0 0 01 1 1

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• Trasmissione di dati tra due modem:SIMPLEX

la linea permette la trasmissione solo in una direzione

HALF-DUPLEX Una linea di questo tipo permette la trasmissione in

entrambe le direzioni ma a ogni istante la direzione è unica.

FULL-DUPLEX E' equivalente ad una coppia di linee simplex:

trasmissione simultanea in entrambe le direzioni.

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INTERFACCIA RS 232-CLo standard RS 232-C definisce tutti gli aspetti

relativi alla realizzazione fisica, cioè gli aspetti che permettono di connettere materialmente due dispositivi e che permettono loro di scambiare dati.

4 caratteristiche devono essere definite in uno standard di comunicazione fisica:

a) caratteristiche elettriche dei segnali

b) caratteristiche funzionali (dati, controllo, sincronizzazione)

c) caratteristiche meccaniche

d) protocollo di comunicazione

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a) caratteristiche elettriche1 logico: +3 V - +12V 0 logico: -3 V - -12V

b) caratteristiche funzionali25 pin:

2 linee di terra (uno di segnale, l'altro di macchina) 2 linee di trasferimento dati: una per direzione controllo modem 5 non usate

linee di terra: AA: terra di protezione AB: terra di segnale (di riferimento)

linee di trasferimento dati: BA: Trasmissione BB: Ricezione

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Linee controllo modem: CA: Request to Send. Comunica l'intenzione di trasmettere

un dato. Viene tenuta a 1 durante la trasmissione CB: Clear to Send. Comunica la trasmittente che può

iniziare la trasmissione dati. CE: Ring Indicator. Comunica il segnale di chiamata

AA BA BB AB

1

25

CA CB

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Collegamento diretto tra due calcolatori

AA

AB

BB

BA

AA

AB

BB

BA

Protocollo usato: XON/XOFF

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• Protocollo di comunicazione (elementare)a) Protocollo RST/CTS (Request To Send/ Clear To Send)

La trasmissione viene richiesta ed effetuata solo quando il ricevente l'accetta (usa CA e CB della RS 232-C)

b) Protocollo XON/XOFFNon sono usate le linee RST e CTS. Vengono usati due caratteri speciali, XON e XOFF. Il ricevente blocca la trasmissione spedendo un XOFF e la riattiva con un XON.

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