Architektura komputerów

Tydzień 11

Wejście - wyjście

Urządzenia zewnętrzne

● Wyjściowe– monitor– drukarka

● Wejściowe– klawiatura, mysz– dyski, skanery

● Komunikacyjne– karta sieciowa, modem

Urządzenie zewnętrzne

Układylogiczne

sterowania

Bufor

Przetwornik

Sygnały sterowania z

układu wejścia-wyjścia

Sygnały stanu do układu wejścia-wyjścia

Dane do i z układu wejścia-wyjścia

Dane (specyficzne dla urządzenia) kierowane do i z otoczenia

Funkcje układu wejścia-wyjścia

● sterowanie i taktowanie● komunikacja z procesorem● komunikacja z urządzeniem● buforowanie danych● wykrywanie błędów

Sterowanie i taktowanie

● Układ wejścia–wyjścia musi koordyować przepływ informacji między zasobami wewnętrznymi a urządzeniami zewnętrznymi.

● Może być potrzebny oddzielny zegar taktujący przesyłanie danych do/z urządzenia zewnętrznego.

● Sygnały sterujące sprawdzają i ustawiają odpowiedni stan urządzenia.

Komunikacja z procesorem

● Dekodowanie rozkazów od procesora.● Przesyłanie danych (poprzez magistralę

systemową).● Przesyłanie informacji o stanie

urządzenia.● Rozpoznawanie adresu. Każde

urządzenie wejścia-wyjścia ma swój unikalny adres, który go identyfikuje.

Komunikacja z urządzeniem

● Buforowanie danych. Urządzenia wyjściowe z reguły są dużo wolniejsze niż pamięć/magistrala systemowa, w związku z czym dane muszą być przechowane w buforze do momentu, kiedy urządzenie będzie w stanie je wykorzystać.

● Wykrywanie błędów. Różne sytuacje wyjątkowe muszą być wykryte i zasygnalizowane.

Schemat blokowy układu I/O

Rejestry danych

Rejestry stanu/sterowania

Układylogiczne

interfejsu zurządzeniemzewnętrznym

Układylogiczne

interfejsu zurządzeniemzewnętrznym

Układylogicznewe-wy

Liniedanych

Linieadresowe

Liniesterowania

Dane

Stan

Sterowanie

Dane

Stan

Sterowanie

Interfejs zmagistraląsystemową

Interfejs zurzędzeniemzewnętrznym{{

Realizacja operacji we-wy

● Programowane wejście-wyjście: wszystkim steruje procesor

● Wejście-wyjście sterowane przerwaniamu: procesor zajmuje się obsługą urządzeń, które zgłaszają stan przerwaniami.

● Bezpośredni dostęp do pamięci (DMA): dene wymieniane między pamięcią i urządzeniem bez pośrednictwa procesora.

Programowane wejście-wyjście

Wydaj układowiwe-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan układu we-wy

Odczytaj słowo wukładzie we-wy

Zapisz słowow pamięci

Sprawdźstan

Wykonane?

Niegotowy

Nie

Tak

Gotowy

CPU we-wy

CPU we-wy

CPUwe-wy

CPUwe-wy

CPUwe-wy

Warunek błędu

Wejście-wyjście

sterowane przerwaniami

Wydaj układowiwe-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan układu we-wy

Odczytaj słowo wukładzie we-wy

Zapisz słowow pamięci

Sprawdźstan

Wykonane?

Warunek błędu

Nie

Tak

Gotowy

CPU we-wy

CPU we-wy

CPUwe-wy

CPUwe-wy

CPUwe-wy

Wykonaj inną czynność

Przerwanie

Bezpośredni dostęp do pamięci

Wydaj układowiDMA rozkaz

odczytu

Odczytaj stan układu DMA

CPU DMA

CPUDMA

Wykonaj inną czynność

Przerwanie

Przetwarzanie przerwań

1.Urządzenie wysyła sygnał przerwania.

2.Procesor kończy wykonywanie bieżącego rozkazu.

3.Procesor sprawdza, czy wystąpiło przerwanie. Wysyła do urządzenia sygnał potwierdzenia.

4.Procesor przygotowuje się do obsłużenia przerwania:

a)zachowuje stan procesora na stosie;

b)ładuje do licznika rozkazów adres programu obsługi przerwania.

Przetwarzanie przerwań cd.

5.Procesor przechodzi do fazy pobierania następnej instrukcji i ładuje pierwszą instrukcję programu obsługi przerwania.

6.Programu obsługi przerwania zachowuje zawartość rejestrów procesora.

7.Przetwarzanie przerwania:a)zbadanie stanu operacji wejścia-wyjścia

b)wysłanie dodatkowych rozkazów lub potwierdzeń

8.Odtworzenie stanu zachowanych rejestrów.

9.Powrót do głównego programu: procecsor odtwarza zachowany wcześniej stan.

Wady

Wady programowanego i sterowanego przerwaniami wejścia-wyjścia:

● Szybkość transferu ograniczona szybkością, z jaką procesor może testować i obsługiwać urządzenie.

● Procesor jest zajęty przesyłaniem danych, co zajmuje jego czas, który mógłby być przeznaczony na obliczenia i przetwarzanie danych.

Działanie DMA

● Dodatkowy układ DMA przejmuje od procesora sterowanie urządzeniami wejścia-wyjścia i ma bezpośredni dostęp do pamięci.

● Procesor wydaje rozkazy układowi DMA, podając informacje:– rodzaj operacji: odczyt lub zapis– adres urządzenia wejścia-wyjścia– adres pamięci przeznaczonej dla operacji– liczbę bajtów (słów) do

odczytania/zapisania

Pojedyncza magistrala, odłączalne DMA

ProcesorUkład DMA

we-wy we-wy Pamięć

Wszystkie układy używają wspólnej magistrali systemowej.

Pojedyncza magistrala, zintegrowane DMA z wejściem-wyjściem

ProcesorUkład DMA

we-wy we-wy

Pamięć

we-wy

Układ DMA

Magistrala wejścia-wyjścia

ProcesorUkład DMA

we-wy we-wy

Pamięć

we-wy

Interfejs zewnętrzny

Bufor

Układ we-wy

Do

magistrali

systemo

wej

Do u

rząd

zen

ia zew

nętrz

nego

Bufor

Układ we-wy

Do

magistrali

systemow

ej

Do u

rząd

zen

ia zew

nętrz

nego

Interfejs szeregowy Interfejs równoległy

Interfejsy równoległe

● Port równoległy PC (drukarki)● Interfejs IDE (dyski, napędy CD i DVD)● Interfejs SCSI (dyski, napędy CD,

streamery, skanery)

Zalety: duża szybkość transferu przy niewielkiej częstotliwości magistrali.

Wady: wiele kabli do przesyłania danych zwiększa koszt kabli. Interferencja między przewodami ogranicza długość.

Interfejsy szeregowe

● Port szeregowy RS-232, PS/2 i inne (klawiatura, myszka, drobne urządzenia wejściowe i wyjściowe)

● USB (jw. oraz skanery, drukarki i inne)● IEEE 1394 firewire (dyski, kamery)

Zalety: niski koszt kabli dzięki małej ilości przewodów danych oraz zwiększona maksymalna długość.

Wady: w celu uzyskania dużego transferu wymagana jest wysoka częstotliwość.