Architektura komputerów
Tydzień 11
Wejście - wyjście
Urządzenia zewnętrzne

Wyjściowe

monitor

drukarka

Wejściowe

klawiatura, mysz

dyski, skanery

Komunikacyjne

karta sieciowa, modem
Urządzenie zewnętrzne
Sygnały Sygnały stanu Dane do i z
sterowania z do układu układu
układu wejścia- wejścia- wejścia-
wyjścia wyjścia wyjścia
Bufor
Układy
logiczne
sterowania
Przetwornik
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
Interfejs z Interfejs z
magistralą urzędzeniem
systemową zewnętrznym
Dane
Linie
Rejestry danych
Układy
danych
Stan
logiczne
interfejsu z
Rejestry stanu/sterowania
Sterowanie
urządzeniem
zewnętrznym
Dane
Linie
Układy
adresowe
logiczne
Stan
Układy
Linie interfejsu z
logiczne
urządzeniem
sterowania Sterowanie
we-wy
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.
Wydaj układowi
we-wy rozkaz
CPU we-wy
Programowane
odczytu
wejście-
Odczytaj stan
we-wy CPU
układu we-wy
wyjście
Nie
Warunek
gotowy
błędu
Sprawdz

stan
Gotowy
Odczytaj słowo w
we-wy CPU
układzie we-wy
Zapisz słowo
CPU we-wy
w pamięci
Nie
we-wy CPU
Wykonane?
Tak
CPU we-wy
Wydaj układowi
Wejście-
we-wy rozkaz
Wykonaj inną
odczytu
czynność
wyjście
Przerwanie
Odczytaj stan
sterowane
układu we-wy
we-wy CPU
przerwaniami
Warunek
błędu
Sprawdz

stan
Gotowy
Odczytaj słowo w
we-wy CPU
układzie we-wy
Zapisz słowo
CPU we-wy
w pamięci
Nie
we-wy CPU
Wykonane?
Tak
Bezpośredni
dostęp do
pamięci
CPU DMA
Wydaj układowi
DMA rozkaz
Wykonaj inną
odczytu
czynność
Przerwanie
Odczytaj stan
układu DMA
DMA CPU
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
Układ
Procesor we-wy we-wy Pamięć
DMA
Wszystkie układy używają wspólnej magistrali
systemowej.
Pojedyncza magistrala,
zintegrowane DMA z
wejściem-wyjściem
Układ Układ
Procesor Pamięć
DMA DMA
we-wy we-wy we-wy
Magistrala wejścia-wyjścia
Układ
Procesor Pamięć
DMA
we-wy we-wy we-wy
Interfejs zewnętrzny
Układ we-wy
Układ we-wy
Bufor
Bufor
Interfejs szeregowy Interfejs równoległy
zewnętrznego
Do urządzenia
zewnętrznego
Do urządzenia
systemowej
Do magistrali
systemowej
Do magistrali
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.