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

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Hệ thống máy tính

Nội dung học phần

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ

Chương 3. Kiến trúc vào-ra

Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý

Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến

Chương 3

KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VÀO-RA

Nguyễn Kim Khánh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

1

8 September 2009

2

NKK-HUT

Nội dung

3.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra

1. Giới thiệu chung

3.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra

3.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

3.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi

Chức năng của hệ thống vào-ra: Trao

đổi thông tin giữa máy tính với thế giới

bên ngoài

Các thao tác cơ bản:

Vào dữ liệu (Input)

Ra dữ liệu (Output)

Các thành phần chính:

Các thiết bị ngoại vi

Các mô-đun vào-ra

8 September 2009

3

8 September 2009

4

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

1

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra

Tổ chức bus dùng chung

Interrupts

CPU

Main

memory

Cache

System bus

I/O controller

Graphics

display

Disk

Network

8 September 2009

5

8 September 2009

6

NKK-HUT

Tổ chức bus vào-ra phân cấp

Đặc điểm của vào-ra

Interrupts

Tồn tại đa dạng các thiết bị ngoại vi

khác nhau về:

CPU

Main

memory

Cache

Memory bus

Nguyên tắc hoạt động

Tốc độ

Khuôn dạng dữ liệu

Bus

adapter

Bus

adapter

AGP

PCI bus

Intermediate

buses / ports

Bus

adapter

Tất cả các thiết bị ngoại vi đều chậm

hơn CPU và RAM

I/O bus

I/O controller

CD/DVD

Æ Cần có các mô-đun vào-ra để nối ghép

các thiết bị ngoại vi với CPU và bộ nhớ

chính

Graphics

display

Network

Disk

8 September 2009

7

8 September 2009

8

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

2

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

2. Các thiết bị ngoại vi

Một số thiết bị ngoại 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

Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa

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 loại:

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 bị ngoại 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 bị ngoại vi giao tiếp máy-máy: gồm

các thiết bị theo dõi và kiểm tra

Scent, brain stimulus

Voice synthesizer

Plotter, microfilm

Film/video recorder

Speaker, audiotape

Monitor, printer

1000s

1000s-10⁹s

Image

Ubiquitous

Video

Monitor, TV screen

Entertainment

Thiết bị ngoại vi truyền 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

8 September 2009

9

8 September 2009

10

NKK-HUT

Cấu trúc chung của thiết bị ngoại vi

Các thành phần của thiết bị ngoại vi

Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi dữ

liệu giữa bên ngoài và bên trong máy

tính

Bộ đệm dữ liệu: đệm dữ liệu khi truyền

giữa mô-đun vào-ra và thiết bị ngoại vi

Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt

động của thiết bị ngoại vi đáp ứng theo

yêu cầu từ mô-đun vào-ra

8 September 2009

11

8 September 2009

12

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

3

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

3. Mô-đun vào-ra

Chức năng của mô-đun vào-ra:

Cấu trúc chung của mô-đun vào-ra

Điều khiển và định thời

Trao đổi thông tin với CPU hoặc bộ nhớ

chính

Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi

Đệm giữa bên trong máy tính với thiết bị

ngoại vi

Phát hiện lỗi của thiết bị ngoại vi

8 September 2009

13

8 September 2009

14

NKK-HUT

Các thành phần của mô-đun vào-ra

4. Địa chỉ hóa cổng vào-ra

a. Không gian địa chỉ của bộ xử lý

Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu

trong quá trình trao đổi

Các cổng vào-ra (I/O Port): kết nối với

thiết bị ngoại vi, mỗi cổng có một địa chỉ

xác định

Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu giữ

thông tin trạng thái/điều khiển cho các

cổng vào-ra

Khối logic điều khiển: điều khiển mô-

đun vào-ra

8 September 2009

15

8 September 2009

16

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

4

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Không gian địa chỉ của bộ xử lý (tiếp)

Một số bộ xử lý quản lý hai không gian địa chỉ

tách biệt:

Một số bộ xử lý chỉ quản lý duy nhất một

không gian địa chỉ:

Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2^Nđịa chỉ

Không gian địa chỉ vào-ra: 2^N1địa chỉ

không gian địa chỉ bộ nhớ: 2^Nđịa chỉ

Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không

gian địa chỉ

Ví dụ: Các bộ xử lý 680x0 (Motorola)

Tập lệnh có các lệnh vào-ra chuyên dụng

Ví dụ: Pentium (Intel)

không gian địa chỉ bộ nhớ = 2³²byte = 4GB

không gian địa chỉ vào-ra = 2¹⁶byte = 64KB

Tín hiệu điều khiển

Lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT

8 September 2009

17

8 September 2009

18

NKK-HUT

b. Các phương pháp địa chỉ hoá cổng vào-ra

Vào-ra riêng biệt

Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo

không gian địa chỉ vào-ra

Vào-ra riêng biệt

(Isolated IO hay IO mapped IO)

Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ

(Memory mapped IO)

CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra

thông qua các lệnh vào-ra chuyên dụng

(IN, OUT)

Chỉ có thể thực hiện trên các hệ thống có

quản lý không gian địa chỉ vào-ra riêng

biệt

8 September 2009

19

8 September 2009

20

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

5

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

3.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ

Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo

không gian địa chỉ bộ nhớ

Vào-ra bằng chương trình

(Programmed IO)

Vào-ra giống như đọc/ghi bộ nhớ

CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra

thông qua các lệnh truy nhập dữ liệu bộ

nhớ

Vào-ra điều khiển bằng ngắt

(Interrupt Driven IO)

Truy nhập bộ nhớ trực tiếp - DMA

Có thể thực hiện trên mọi hệ thống

(Direct Memory Access)

8 September 2009

21

8 September 2009

22

NKK-HUT

1. Vào-ra bằng chương trình

Các tín hiệu điều khiển vào-ra

Tín hiệu điều khiển (Control): kích hoạt thiết

bị ngoại vi

Tín hiệu kiểm tra (Test): kiểm tra trạng thái

của mô-đun vào-ra và thiết bị ngoại vi

Tín hiệu điều khiển đọc (Read): yêu cầu mô-

đun vào-ra nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi

và đưa vào thanh ghi đệm dữ liệu, rồi CPU

nhận dữ liệu đó

Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực

tiếp vào-ra bằng chương trình Æ cần

phải lập trình vào-ra.

Tín hiệu điều khiển ghi (Write): yêu cầu mô-

đun vào-ra lấy dữ liệu trên bus dữ liệu đưa

đến thanh ghi đệm dữ liệu rồi chuyển ra thiết

bị ngoại vi

8 September 2009

23

8 September 2009

24

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

6

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Các lệnh vào-ra

Lưu đồ đoạn chương trình vào-ra

Với vào-ra riêng biệt: sử dụng các lệnh

vào-ra chuyên dụng (IN, OUT).

Với vào-ra theo bản đồ bộ nhớ: sử

dụng các lệnh trao đổi dữ liệu với bộ

nhớ để trao đổi dữ liệu với cổng vào-ra.

8 September 2009

25

8 September 2009

26

NKK-HUT

Hoạt động của vào-ra bằng chương trình

Đặc điểm

CPU yêu cầu thao tác vào-ra

Mô-đun vào-ra thực hiện thao tác

Vào-ra do ý muốn của người lập trình

CPU trực tiếp điều khiển vào-ra

Mô-đun vào-ra thiết lập các bit trạng

thái

CPU đợi mô-đun vào-ra Æ tiêu tốn thời

gian của CPU

CPU kiểm tra các bit trạng thái:

Nếu chưa sẵn sàng thì quay lại kiểm tra

Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ

liệu với mô-đun vào-ra

8 September 2009

27

8 September 2009

28

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

7

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

2. Vào-ra điều khiển bằng ngắt

Nguyên tắc chung:

Chuyển điều khiển đến chương trình con ngắt

CPU không phải đợi trạng thái sẵn sàng

của mô-đun vào-ra, CPU thực hiện một

chương trình nào đó

Khi mô-đun vào-ra sẵn sàng thì nó phát tín

hiệu ngắt CPU

CPU thực hiện chương trình con vào-ra

tương ứng để trao đổi dữ liệu

CPU trở lại tiếp tục thực hiện chương trình

đang bị ngắt

8 September 2009

29

8 September 2009

30

NKK-HUT

Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ CPU

Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ mô-đun vào-ra

Mô-đun vào-ra nhận tín hiệu điều khiển

đọc từ CPU

Phát tín hiệu điều khiển đọc

Làm việc khác

Mô-đun vào-ra nhận dữ liệu từ thiết bị

ngoại vi, trong khi đó CPU làm việc

khác

Cuối mỗi chu trình lệnh, kiểm tra tín

hiệu ngắt

Nếu bị ngắt:

Cất ngữ cảnh (nội dung các thanh ghi)

Thực hiện chương trình con ngắt để vào

dữ liệu

Khôi phục ngữ cảnh của chương trình

đang thực hiện

Khi đã có dữ liệu Æ mô-đun vào-ra phát

tín hiệu ngắt CPU

CPU yêu cầu dữ liệu

Mô-đun vào-ra chuyển dữ liệu đến CPU

8 September 2009

31

8 September 2009

32

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

8

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Các vấn đề nảy sinh khi thiết kế

Các phương pháp nối ghép ngắt

Làm thế nào để xác định được mô-đun

vào-ra nào phát tín hiệu ngắt ?

Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt

Hỏi vòng bằng phần mềm (Software

CPU làm như thế nào khi có nhiều yêu

cầu ngắt cùng xẩy ra ?

Poll)

Hỏi vòng bằng phần cứng (Daisy Chain

or Hardware Poll)

Sử dụng bộ điều khiển ngắt (PIC)

8 September 2009

33

8 September 2009

34

NKK-HUT

Nhiều đường yêu cầu ngắt

Hỏi vòng bằng phần mềm

CPU thực hiện phần mềm hỏi lần lượt từng

mô-đun vào-ra

Chậm

Thứ tự các mô-đun được hỏi vòng chính là

thứ tự ưu tiên

Mỗi mô-đun vào-ra được nối với một đường yêu cầu

ngắt

CPU phải có nhiều đường tín hiệu yêu cầu ngắt

Hạn chế số lượng mô-đun vào-ra

Các đường ngắt được qui định mức ưu tiên

8 September 2009

35

8 September 2009

36

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

9

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Hỏi vòng bằng phần cứng

Kiểm tra vòng bằng phần cứng (tiếp)

CPU phát tín hiệu chấp nhận ngắt

(INTA) đến mô-đun vào-ra đầu tiên

Nếu mô-đun vào-ra đó không gây ra

ngắt thì nó gửi tín hiệu đến mô-đun kế

tiếp cho đến khi xác định được mô-đun

gây ngắt

Thứ tự các mô-đun vào-ra kết nối trong

chuỗi xác định thứ tự ưu tiên

8 September 2009

37

8 September 2009

38

NKK-HUT

Bộ điều khiển ngắt lập trình được

Đặc điểm của vào-ra điều khiển bằng ngắt

Có sự kết hợp giữa phần cứng và phần

mềm

Phần cứng: gây ngắt CPU

Phần mềm: trao đổi dữ liệu

CPU trực tiếp điều khiển vào-ra

CPU không phải đợi mô-đun vào-ra Æ

hiệu quả sử dụng CPU tốt hơn

PIC – Programmable Interrupt Controller

PIC có nhiều đường vào yêu cầu ngắt có qui

định mức ưu tiên

PIC chọn một yêu cầu ngắt không bị cấm có

mức ưu tiên cao nhất gửi tới CPU

8 September 2009

39

8 September 2009

40

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

10

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

3. DMA (Direct Memory Access)

Sơ đồ cấu trúc của DMAC

Vào-ra bằng chương trình và bằng ngắt

do CPU trực tiếp điều khiển:

Chiếm thời gian của CPU

Tốc độ truyền bị hạn chế vì phải chuyển

qua CPU

Để khắc phục dùng DMA

Thêm mô-đun phần cứng trên bus Æ

DMAC (Controller)

DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa mô-

đun vào-ra với bộ nhớ chính

8 September 2009

41

8 September 2009

42

NKK-HUT

Các thành phần của DMAC

Hoạt động DMA

CPU “nói” cho DMAC

Vào hay Ra dữ liệu

Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ liệu trao đổi

Thanh ghi địa chỉ: chứa địa chỉ ngăn

nhớ dữ liệu

Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ liệu cần

trao đổi

Logic điều khiển: điều khiển hoạt động

của DMAC

Địa chỉ thiết bị vào-ra (cổng vào-ra tương ứng)

Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu Æ nạp vào

thanh ghi địa chỉ

Số từ dữ liệu cần truyền Æ nạp vào bộ đếm dữ liệu

CPU làm việc khác

DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu

Sau khi truyền được một từ dữ liệu thì:

nội dung thanh ghi địa chỉ tăng

nội dung bộ đếm dữ liệu giảm

Khi bộ đếm dữ liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt

CPU để báo kết thúc DMA

44

8 September 2009

43

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

11

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Các kiểu thực hiện DMA

Cấu hình DMA (1)

DMA truyền theo khối (Block-transfer DMA):

DMAC sử dụng bus để truyền xong cả khối

dữ liệu

DMA lấy chu kỳ (Cycle Stealing DMA): DMAC

cưỡng bức CPU treo tạm thời từng chu kỳ

bus, DMAC chiếm bus thực hiện truyền một

từ dữ liệu.

Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng

bus hai lần

Giữa mô-đun vào-ra với DMAC

Giữa DMAC với bộ nhớ

DMA trong suốt (Transparent DMA): DMAC

nhận biết những chu kỳ nào CPU không sử

dụng bus thì chiếm bus để trao đổi một từ dữ

liệu.

8 September 2009

45

8 September 2009

46

NKK-HUT

Cấu hình DMA (2)

Cấu hình DMA (3)

DMAC điều khiển một hoặc vài mô-đun vào-ra

Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng

bus một lần

Bus vào-ra tách rời hỗ trợ tất cả các thiết bị cho phép DMA

Mỗi lần trao đổi một dữ liệu, DMAC sử dụng bus một lần

Giữa DMAC với bộ nhớ

8 September 2009

47

8 September 2009

48

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

12

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Đặc điểm của DMA

4. Kênh vào-ra hay là bộ xử lý vào-ra

Việc điều khiển vào-ra được thực hiện

bởi một bộ xử lý vào-ra chuyên dụng

CPU không tham gia trong quá trình

trao đổi dữ liệu

Bộ xử lý vào-ra hoạt động theo chương

trình của riêng nó

DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa

bộ nhớ chính với mô-đun vào-ra (hoàn

toàn bằng phần cứng)Æ tốc độ nhanh

Chương trình của bộ xử lý vào-ra có thể

nằm trong bộ nhớ chính hoặc nằm

trong một bộ nhớ riêng

Phù hợp với các yêu cầu trao đổi mảng

dữ liệu có kích thước lớn

Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý

8 September 2009

49

8 September 2009

50

NKK-HUT

Nối ghép song song

3.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi

1. Các kiểu nối ghép vào-ra

Nối ghép song song

Nối ghép nối tiếp

Truyền nhiều bit song song

Tốc độ nhanh

Cần nhiều đường truyền dữ liệu

8 September 2009

51

8 September 2009

52

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

13

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Nối ghép nối tiếp

2. Các cấu hình nối ghép

Điểm tới điểm (Point to Point)

Thông qua một cổng vào-ra nối ghép với một

thiết bị ngoại vi

Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint)

Thông qua một cổng vào-ra cho phép nối

ghép được với nhiều thiết bị ngoại vi

Ví dụ:

Truyền lần lượt từng bit

Cần có bộ chuyển đổi từ dữ liệu song song sang

nối tiếp hoặc/và ngược lại

Tốc độ chậm hơn

Cần ít đường truyền dữ liệu

SCSI (Small Computer System Interface): 7 hoặc

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

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

14

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