Architektura komputerów

Tydzień 11

Wejście - wyjście

Urządzenia zewnętrzne

●

Wyjściowe

–

monitor

–

drukarka

●

Wejściowe

–

klawiatura, mysz

–

dyski, skanery

●

Komunikacyjne

–

karta sieciowa, modem

Urządzenie zewnętrzne

Układy

logiczne

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

Układy

logiczne

interfejsu z

urządzeniem

zewnętrznym

Układy

logiczne

interfejsu z

urządzeniem

zewnętrznym

Układy

logiczne

we-wy

Linie

danych

Linie

adresowe

Linie

sterowania

Dane

Stan

Sterowanie

Dane

Stan

Sterowanie

Interfejs z

magistralą

systemową

Interfejs z

urzędzeniem

zewnętrznym

{

{

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 układowi

we-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

układu we-wy

Odczytaj słowo w

układzie we-wy

Zapisz słowo

w pamięci

Sprawdź

stan

Wykonane?

Nie
gotowy

Nie

Tak

Gotowy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

Warunek
błędu

Wejście-

wyjście

sterowane

przerwaniami

Wydaj układowi

we-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

układu we-wy

Odczytaj słowo w

układzie we-wy

Zapisz słowo

w pamięci

Sprawdź

stan

Wykonane?

Warunek
błędu

Nie

Tak

Gotowy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

Wykonaj inną
czynność

Przerwanie

Bezpośredni

dostęp do

pamięci

Wydaj układowi

DMA rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

układu DMA

CPU

DMA

CPU

DMA

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

Procesor

Układ

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

Wszystkie układy używają wspólnej magistrali

systemowej.

Pojedyncza magistrala,

zintegrowane DMA z

wejściem-wyjściem

Procesor

Układ

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

we-wy

Układ

DMA

Magistrala wejścia-wyjścia

Procesor

Układ

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

we-wy

Interfejs zewnętrzny

Bufor

Układ we-wy

D

o

m

ag

is

tr

al

i

sy

st

em
o

w

ej

D

o

u

rz

ąd

z

en
ia

z

ew
n

ęt

rz

n

eg

o

Bufor

Układ we-wy

D

o

m

ag

is

tr

al

i

sy

st

em
o

w

ej

D

o

u

rz

ąd

z

en
ia

z

ew
n

ęt

rz

n

eg

o

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.