Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 3: Kiến trúc vào-ra - Nguyễn Kim Khánh

Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Hthng máy tính  
Ni dung hc phn  
„ Chương 1. Gii thiu chung  
„ Chương 2. Kiến trúc bnhớ  
„ Chương 3. Kiến trúc vào-ra  
„ Chương 4. Kiến trúc bxlý  
„ Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến  
Chương 3  
KIN TRÚC HTHNG VÀO-RA  
Nguyn Kim Khánh  
Trưng Đi hc Bách khoa Hà Ni  
8 September 2009  
1
8 September 2009  
2
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Ni dung  
3.1. Tng quan vhthng vào-ra  
1. Gii thiu chung  
3.1. Tng quan vhthng vào-ra  
3.2. Các phương pháp điu khin vào-ra  
3.3. Ni ghép thiết bngoi vi  
„ Chc năng ca hthng vào-ra: Trao  
đổi thông tin gia máy tính vi thế gii  
bên ngoài  
„ Các thao tác cơ bn:  
„
Vào dliu (Input)  
Ra dliu (Output)  
„
„ Các thành phn chính:  
„
Các thiết bngoi vi  
Các mô-đun vào-ra  
„
8 September 2009  
3
8 September 2009  
4
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
1
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Cu trúc cơ bn ca hthng vào-ra  
Tchc bus dùng chung  
Interrupts  
CPU  
Main  
memory  
Cache  
System bus  
I/O controller  
I/O controller  
I/O controller  
Graphics  
display  
Disk  
Disk  
Network  
8 September 2009  
5
8 September 2009  
6
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Tchc bus vào-ra phân cp  
Đặc đim ca vào-ra  
Interrupts  
„ Tn ti đa dng các thiết bngoi vi  
khác nhau v:  
CPU  
Main  
memory  
Cache  
Memory bus  
„
„
„
Nguyên tc hot động  
Tc độ  
Khuôn dng dliu  
Bus  
adapter  
Bus  
adapter  
AGP  
PCI bus  
Intermediate  
buses / ports  
Bus  
adapter  
„ Tt ccác thiết bngoi vi đều chm  
hơn CPU và RAM  
I/O bus  
I/O controller  
I/O controller  
I/O controller  
I/O controller  
CD/DVD  
Æ Cn có các mô-đun vào-ra để ni ghép  
các thiết bngoi vi vi CPU và bnhớ  
chính  
Graphics  
display  
Network  
Disk  
Disk  
8 September 2009  
7
8 September 2009  
8
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
2
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
2. Các thiết bngoi vi  
Mt sthiết bngoi vi  
Input type  
Symbol  
Position  
Identity  
Sensory  
Audio  
Prime examples  
Keyboard, keypad  
Mouse, touchpad  
Barcode reader  
Other examples  
Music note, OCR  
Stick, wheel, glove  
Badge, fingerprint  
Scent, brain signal  
Phone, radio, tape  
Graphic tablet  
Data rate (b/s) Main uses  
10s  
Ubiquitous  
100s  
Ubiquitous  
„ Chc năng: chuyn đổi dliu gia  
100s  
Sales, security  
Control, security  
Ubiquitous  
bên trong và bên ngoài máy tính  
Touch, motion, light  
Microphone  
100s  
1000s  
Image  
Scanner, camera  
Camcorder, DVD  
1000s-106s  
1000s-109s  
Photos, publishing  
Entertainment  
„ Phân loi:  
Video  
VCR, TV cable  
Output type  
Symbol  
Position  
Warning  
Sensory  
Audio  
Prime examples  
LCD line segments  
Stepper motor  
Other examples  
LED, status light  
Robotic motion  
Data rate (b/s) Main uses  
„
„
„
Thiết bngoi vi giao tiếp người-máy:  
Bàn phím, Màn hình, Máy in,...  
10s  
Ubiquitous  
100s  
Ubiquitous  
Buzzer, bell, siren  
Braille text  
Flashing light  
A few  
100s  
Safety, security  
Personal assistance  
Ubiquitous  
Thiết bngoi vi giao tiếp máy-máy: gm  
các thiết btheo dõi và kim tra  
Scent, brain stimulus  
Voice synthesizer  
Plotter, microfilm  
Film/video recorder  
Speaker, audiotape  
Monitor, printer  
1000s  
1000s  
1000s-109s  
Image  
Ubiquitous  
Video  
Monitor, TV screen  
Entertainment  
Thiết bngoi vi truyn thông: Modem,  
Network Interface Card (NIC)  
Two-way I/O Prime examples  
Other examples  
CD, tape, archive  
Cable, DSL, ATM  
Data rate (b/s) Main uses  
Mass storage  
Network  
Hard/floppy disk  
Modem, fax, LAN  
106s  
1000s-109s  
Ubiquitous  
Ubiquitous  
8 September 2009  
9
8 September 2009  
10  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Cu trúc chung ca thiết bngoi vi  
Các thành phn ca thiết bngoi vi  
„ Bchuyn đổi tín hiu: chuyn đổi dữ  
liu gia bên ngoài và bên trong máy  
tính  
„ Bộ đệm dliu: đệm dliu khi truyn  
gia mô-đun vào-ra và thiết bngoi vi  
„ Khi logic điu khin: điu khin hot  
động ca thiết bngoi vi đáp ng theo  
yêu cu tmô-đun vào-ra  
8 September 2009  
11  
8 September 2009  
12  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
3
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
3. Mô-đun vào-ra  
„ Chc năng ca mô-đun vào-ra:  
Cu trúc chung ca mô-đun vào-ra  
„
Điu khin và định thi  
„
Trao đổi thông tin vi CPU hoc bnhớ  
chính  
„
„
Trao đổi thông tin vi thiết bngoi vi  
Đệm gia bên trong máy tính vi thiết bị  
ngoi vi  
„
Phát hin li ca thiết bngoi vi  
8 September 2009  
13  
8 September 2009  
14  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Các thành phn ca mô-đun vào-ra  
4. Địa chhóa cng vào-ra  
a. Không gian địa chca bxlý  
„ Thanh ghi đệm dliu: đệm dliu  
trong quá trình trao đổi  
„ Các cng vào-ra (I/O Port): kết ni vi  
thiết bngoi vi, mi cng có mt địa chỉ  
xác định  
„ Thanh ghi trng thái/điu khin: lưu giữ  
thông tin trng thái/điu khin cho các  
cng vào-ra  
„ Khi logic điu khin: điu khin mô-  
đun vào-ra  
8 September 2009  
15  
8 September 2009  
16  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
4
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Không gian địa chca bxlý (tiếp)  
Không gian địa chca bxlý (tiếp)  
„ Mt sbxlý qun lý hai không gian địa chỉ  
tách bit:  
„ Mt sbxlý chqun lý duy nht mt  
không gian địa ch:  
„
„
„
Không gian địa chbnh: 2N địa chỉ  
Không gian địa chvào-ra: 2N1 địa chỉ  
„
không gian địa chbnh: 2N địa chỉ  
Có tín hiu điu khin phân bit truy nhp không  
gian địa chỉ  
„ Ví d: Các bxlý 680x0 (Motorola)  
„
Tp lnh có các lnh vào-ra chuyên dng  
„ Ví d: Pentium (Intel)  
„
„
„
„
không gian địa chbnh= 232 byte = 4GB  
không gian địa chvào-ra = 216 byte = 64KB  
Tín hiu điu khin  
Lnh vào-ra chuyên dnN, OUT  
8 September 2009  
17  
8 September 2009  
18  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
b. Các phương pháp địa chhoá cng vào-ra  
Vào-ra riêng bit  
„ Cng vào-ra được đánh địa chtheo  
không gian địa chvào-ra  
„ Vào-ra riêng bit  
(Isolated IO hay IO mapped IO)  
„ Vào-ra theo bn đbnhớ  
(Memory mapped IO)  
„ CPU trao đổi dliu vi cng vào-ra  
thông qua các lnh vào-ra chuyên dng  
(IN, OUT)  
„ Chcó ththc hin trên các hthng có  
qun lý không gian địa chvào-ra riêng  
bit  
8 September 2009  
19  
8 September 2009  
20  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
5
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
3.2. Các phương pháp điu khin vào-ra  
Vào-ra theo bn đồ bnhớ  
„ Cng vào-ra được đánh địa chtheo  
không gian địa chbnhớ  
„ Vào-ra bng chương trình  
(Programmed IO)  
„ Vào-ra ging như đọc/ghi bnhớ  
„ CPU trao đổi dliu vi cng vào-ra  
thông qua các lnh truy nhp dliu bộ  
nhớ  
„ Vào-ra điu khin bng ngt  
(Interrupt Driven IO)  
„ Truy nhp bnhtrc tiếp - DMA  
„ Có ththc hin trên mi hthng  
(Direct Memory Access)  
8 September 2009  
21  
8 September 2009  
22  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
1. Vào-ra bng chương trình  
Các tín hiu điu khin vào-ra  
„ Tín hiu điu khin (Control): kích hot thiết  
bngoi vi  
„ Tín hiu kim tra (Test): kim tra trng thái  
ca mô-đun vào-ra và thiết bngoi vi  
„ Tín hiu điu khin đọc (Read): yêu cu mô-  
đun vào-ra nhn dliu tthiết bngoi vi  
đưa vào thanh ghi đệm dliu, ri CPU  
nhn dliu đó  
„ Nguyên tc chung: CPU điu khin trc  
tiếp vào-ra bng chương trình Æ cn  
phi lp trình vào-ra.  
„ Tín hiu điu khin ghi (Write): yêu cu mô-  
đun vào-ra ly dliu trên bus dliu đưa  
đến thanh ghi đệm dliu ri chuyn ra thiết  
bngoi vi  
8 September 2009  
23  
8 September 2009  
24  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
6
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Các lnh vào-ra  
Lưu đồ đon chương trình vào-ra  
„ Vi vào-ra riêng bit: sdng các lnh  
vào-ra chuyên dng (IN, OUT).  
„ Vi vào-ra theo bn đồ bnh: sử  
dng các lnh trao đổi dliu vi bộ  
nhớ để trao đổi dliu vi cng vào-ra.  
8 September 2009  
25  
8 September 2009  
26  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Hot động ca vào-ra bng chương trình  
Đặc đim  
„ CPU yêu cu thao tác vào-ra  
„ Mô-đun vào-ra thc hin thao tác  
„ Vào-ra do ý mun ca người lp trình  
„ CPU trc tiếp điu khin vào-ra  
„ Mô-đun vào-ra thiết lp các bit trng  
thái  
„ CPU đợi mô-đun vào-ra Æ tiêu tn thi  
gian ca CPU  
„ CPU kim tra các bit trng thái:  
„
Nếu chưa sn sàng thì quay li kim tra  
„
Nếu sn sàng thì chuyn sang trao đổi dữ  
liu vi mô-đun vào-ra  
8 September 2009  
27  
8 September 2009  
28  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
7
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
2. Vào-ra điu khin bng ngt  
„ Nguyên tc chung:  
Chuyn điu khin đến chương trình con ngt  
„
CPU không phi đợi trng thái sn sàng  
ca mô-đun vào-ra, CPU thc hin mt  
chương trình nào đó  
„
„
„
Khi mô-đun vào-ra sn sàng thì nó phát tín  
hiu ngt CPU  
CPU thc hin chương trình con vào-ra  
tương ng để trao đổi dliu  
CPU trli tiếp tc thc hin chương trình  
đang bngt  
8 September 2009  
29  
8 September 2009  
30  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Hot động vào dliu: nhìn tCPU  
Hot động vào dliu: nhìn tmô-đun vào-ra  
„ Mô-đun vào-ra nhn tín hiu điu khin  
đọc tCPU  
„ Phát tín hiu điu khin đọc  
„ Làm vic khác  
„ Mô-đun vào-ra nhn dliu tthiết bị  
ngoi vi, trong khi đó CPU làm vic  
khác  
„ Cui mi chu trình lnh, kim tra tín  
hiu ngt  
„ Nếu bngt:  
„
Ct ngcnh (ni dung các thanh ghi)  
Thc hin chương trình con ngt để vào  
dliu  
Khôi phc ngcnh ca chương trình  
đang thc hin  
„ Khi đã có dliu Æ mô-đun vào-ra phát  
tín hiu ngt CPU  
„
„ CPU yêu cu dliu  
„
„ Mô-đun vào-ra chuyn dliu đến CPU  
8 September 2009  
31  
8 September 2009  
32  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
8
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Các vn đề ny sinh khi thiết kế  
Các phương pháp ni ghép ngt  
„ Làm thế nào để xác định được mô-đun  
vào-ra nào phát tín hiu ngt ?  
„ Sdng nhiu đường yêu cu ngt  
„ Hi vòng bng phn mm (Software  
„ CPU làm như thế nào khi có nhiu yêu  
cu ngt cùng xy ra ?  
Poll)  
„ Hi vòng bng phn cng (Daisy Chain  
or Hardware Poll)  
„ Sdng bộ điu khin ngt (PIC)  
8 September 2009  
33  
8 September 2009  
34  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Nhiu đường yêu cu ngt  
Hi vòng bng phn mm  
CPU thc hin phn mm hi ln lượt tng  
mô-đun vào-ra  
„ Chm  
„ Thtcác mô-đun được hi vòng chính là  
thtự ưu tiên  
„
Mmô-đun vào-ra được ni vi mt đường yêu cu  
ngt  
„
„
„
CPU phi có nhiu đường tín hiu yêu cu ngt  
Hn chế slượng mô-đun vào-ra  
Các đường ngt được qui định mc ưu tiên  
8 September 2009  
35  
8 September 2009  
36  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
9
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Hi vòng bng phn cng  
Kim tra vòng bng phn cng (tiếp)  
„ CPU phát tín hiu chp nhn ngt  
(INTA) đến mô-đun vào-ra đầu tiên  
„ Nếu mô-đun vào-ra đó không gây ra  
ngt thì nó gi tín hiu đến mô-đun kế  
tiếp cho đến khi xác định được mô-đun  
gây ngt  
„ Thtcác mô-đun vào-ra kết ni trong  
chui xác định thtự ưu tiên  
8 September 2009  
37  
8 September 2009  
38  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Bộ điu khin ngt lp trình được  
Đặc đim ca vào-ra điu khin bng ngt  
„ Có skết hp gia phn cng và phn  
mm  
„
Phn cng: gây ngt CPU  
Phn mm: trao đổi dliu  
„
„ CPU trc tiếp điu khin vào-ra  
„ CPU không phi đợi mô-đun vào-ra Æ  
hiu qusdng CPU tt hơn  
„ PIC – Programmable Interrupt Controller  
„ PIC có nhiu đường vào yêu cu ngt có qui  
định mc ưu tiên  
„ PIC chn mt yêu cu ngt không bcm có  
mc ưu tiên cao nht gi ti CPU  
8 September 2009  
39  
8 September 2009  
40  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
10  
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
3. DMA (Direct Memory Access)  
Sơ đồ cu trúc ca DMAC  
„ Vào-ra bng chương trình và bng ngt  
do CPU trc tiếp điu khin:  
„
Chiếm thi gian ca CPU  
„
Tc độ truyn bhn chế vì phi chuyn  
qua CPU  
„ Để khc phc dùng DMA  
„
Thêm mô-đun phn cng trên bus Æ  
DMAC (Controller)  
„
DMAC điu khin trao đổi dliu gia mô-  
đun vào-ra vi bnhchính  
8 September 2009  
41  
8 September 2009  
42  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Các thành phn ca DMAC  
Hot động DMA  
„ CPU “nói” cho DMAC  
„
„
„
Vào hay Ra dliu  
„ Thanh ghi dliu: cha dliu trao đổi  
„ Thanh ghi địa ch: cha địa chngăn  
nhdliu  
„ Bộ đếm dliu: cha stdliu cn  
trao đổi  
„ Logic điu khin: điu khin hot động  
ca DMAC  
Địa chthiết bvào-ra (cng vào-ra tương ng)  
Địa chỉ đầu ca mng nhcha dliu Æ np vào  
thanh ghi địa chỉ  
„
Stdliu cn truyn Æ np vào bộ đếm dliu  
„ CPU làm vic khác  
„ DMAC điu khin trao đổi dliu  
„ Sau khi truyn được mt tdliu thì:  
„
ni dung thanh ghi địa chtăng  
„
ni dung bộ đếm dliu gim  
„ Khi bộ đếm dliu = 0, DMAC gi tín hiu ngt  
CPU để báo kết thúc DMA  
44  
8 September 2009  
43  
8 September 2009  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
11  
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Các kiu thc hin DMA  
Cu hình DMA (1)  
„ DMA truyn theo khi (Block-transfer DMA):  
DMAC sdng bus để truyn xong ckhi  
dliu  
„ DMA ly chu k(Cycle Stealing DMA): DMAC  
cưỡng bc CPU treo tm thi tng chu kỳ  
bus, DMAC chiếm bus thc hin truyn mt  
tdliu.  
„ Mi ln trao đổi mt dliu, DMAC sdng  
bus hai ln  
„
Gia mô-đun vào-ra vi DMAC  
Gia DMAC vi bnhớ  
„ DMA trong sut (Transparent DMA): DMAC  
nhn biết nhng chu knào CPU không sử  
dng bus thì chiếm bus để trao đổi mt tdữ  
liu.  
„
8 September 2009  
45  
8 September 2009  
46  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Cu hình DMA (2)  
Cu hình DMA (3)  
„ DMAC điu khin mt hoc vài mô-đun vào-ra  
„ Mi ln trao đổi mt dliu, DMAC sdng  
bus mt ln  
„
„
Bus vào-ra tách ri htrtt ccác thiết bcho phép DMA  
Mi ln trao đổi mt dliu, DMAC sdng bus mt ln  
„
Gia DMAC vi bnhớ  
„
Gia DMAC vi bnhớ  
8 September 2009  
47  
8 September 2009  
48  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
12  
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Đặc đim ca DMA  
4. Kênh vào-ra hay là bxlý vào-ra  
„ Vic điu khin vào-ra được thc hin  
bi mt bxlý vào-ra chuyên dng  
„ CPU không tham gia trong quá trình  
trao đổi dliu  
„ Bxlý vào-ra hot động theo chương  
trình ca riêng nó  
„ DMAC điu khin trao đổi dliu gia  
bnhchính vi mô-đun vào-ra (hoàn  
toàn bng phn cng)Æ tc độ nhanh  
„ Chương trình ca bxlý vào-ra có thể  
nm trong bnhchính hoc nm  
trong mt bnhriêng  
„ Phù hp vi các yêu cu trao đổi mng  
dliu có kích thước ln  
„ Hot động theo kiến trúc đa xlý  
8 September 2009  
49  
8 September 2009  
50  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Ni ghép song song  
3.3. Ni ghép thiết bngoi vi  
1. Các kiu ni ghép vào-ra  
„ Ni ghép song song  
„ Ni ghép ni tiếp  
„
„
„
Truyn nhiu bit song song  
Tc độ nhanh  
Cn nhiu đường truyn dliu  
8 September 2009  
51  
8 September 2009  
52  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
13  
Bài ging Hthng máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Ni ghép ni tiếp  
2. Các cu hình ni ghép  
„ Đim ti đim (Point to Point)  
„
Thông qua mt cng vào-ra ni ghép vi mt  
thiết bngoi vi  
„ Đim ti đa đim (Point to Multipoint)  
„
Thông qua mt cng vào-ra cho phép ni  
ghép được vi nhiu thiết bngoi vi  
„
Ví d:  
„
„
Truyn ln lượt tng bit  
Cn có bchuyn đổi tdliu song song sang  
ni tiếp hoc/và ngược li  
Tc độ chm hơn  
Cn ít đường truyn dliu  
„
SCSI (Small Computer System Interface): 7 hoc  
15 thiết bị  
„
„
USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị  
IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị  
„
„
8 September 2009  
53  
8 September 2009  
54  
NKK-HUT  
Hết chương 3  
8 September 2009  
55  
Nguyn Kim Khánh - ĐHBKHN  
14  
pdf 14 trang yennguyen 13/04/2022 4020
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 3: Kiến trúc vào-ra - Nguyễn Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_may_tinh_chuong_3_kien_truc_vao_ra_nguyen.pdf