Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Đầu vào/Đầu ra

1

+

Chương 7

Đầu vào/Đầu ra

2

+

Tổng quan về hệ thống Vào/ra

 Chức năng của hệ thống vào-ra: Trao đổi thông tin giữa máy tính với

thế giới bên ngoài

 Thành phần chính:

 Các thiết bị ngoại vi

 Các mô-đun I/O

 Tại sao không kết nối thiết bị ngoại vi trực tiếp với hệ thống bus?

 Có rất nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau

 Truyền lượng dữ liệu khác nhau

 Tốc độ truyền dữ liệu khác nhau

 Ở định dạng khác nhau

 Tốc độ truyền của thiết bị ngoại vi chậm hơn tốc độ của CPU và RAM

 Cần các mô-đun I/O

 Không chỉ là dây kết nối để nối một thiết bị vào bus hệ thống.

 Còn chứa logic để thực hiện truyền thông giữa thiết bị ngoại vi và bus

+

Mô hình tổng

quát của I/O

Module

4

+

NỘI DUNG

7.1 Các thiết bị ngoại vi

Bàn phím / Màn hình & Ổ đĩa

7.2 Mô-đun I/O

Chức năng & Cấu trúc I/O

7.3 Các kỹ thuật I/O

a. I/O bằng chương trình

b. I/O điều khiển bằng gián đoạn

c. Truy cập bộ nhớ trực tiếp

7.4 Bộ xử lý và Kênh I/O

5

+

1. Thiết bị ngoại vi

Thiết bị vào

. Bàn phím

. Thiết bị vào quang

– Đầu đọc thẻ

 Thiết bị ngoại vi

 Một thiết bị bên ngoài kết

– Đầu đọc mã vạch

– Đầu đọc số hoá

– Đầu đọc điểm quang

nối tới mô đun I/O

 Cung cấp phương tiện trao

đổi dữ liệu giữa môi trường

bên ngoài và máy tính

• Các thiết bị vào từ tính

– Đầu đọc băng từ, đĩa từ

• Thiết bị vào màn hình

 Nối tới máy tính bằng một

liên kết đến mô-đun I/O

– Màn hình chạm

 Liên kết được sử dụng để

trao đổi thông tin điều

khiển, trạng thái và dữ liệu

giữa mô đun I/O và thiết bị

ngoại vi

– Chuột

Thiết bị ra

. Máy đục lỗ thẻ

. Màn hình

. Máy in

. Âm thanh

6

+

1. Thiết bị ngoại vi

Phân thành 3 loại:

 Giao tiếp người-máy: Người đọc được

– Thích hợp cho người dùng máy tính

– Màn hình, bàn phím, máy in

 Giao tiếp máy-máy: Máy đọc được

– Thích hợp cho giao tiếp với thiết bị

– Hệ thống đĩa và băng từ, cảm biến và bộ truyền động

 Truyền thông

– Thích hợp để liên lạc với các thiết bị từ xa

– Modem, Card mạng (NIC)

+

Sơ đồ khối thiết bị ngoại vi

 Giao diện mô đun I/O

gồm tín hiệu điều

khiển, dữ liệu và

trạng thái

 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 I/O 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 I/O

Công cụ tương tác người - máy

8

+

phổ biến nhất

Người dùng cung cấp đầu vào

Bàn phím/Màn hình

thông qua bàn phím

Màn hình hiển thị dữ liệu được

cung cấp bởi máy tính

Bảng chữ cái tham khảo

quốc tế (IRA)

Mã bàn phím

 Đơn vị trao đổi cơ bản là ký tự

 Gắn với mỗi kỹ tự là một mã

 Mã nhị phân 7-bit

 Khi người dùng bấm một phím, một

tín hiệu điện được tạo ra bởi bộ biến

đổi trong bàn phím và được dịch

 có thể biểu diễn 128 ký tự

sang mẫu bit của mã IRA tương ứng

 Hai loại ký tự:

 In được

 Mẫu bit này được truyền đến mô-

đun I/O trong máy tính

 Các ký tự chữ cái, số và ký tự đặc

biệt có thể được in trên giấy hoặc

hiển thị trên màn hình

 Trên đầu ra, các ký tự mã IRA được

truyền đến một thiết bị ngoại vi từ

mô-đun I/O

 Điều khiển

 Điều khiển việc in/hiển thị các ký

 Bộ biến đổi giải mã và gửi các tín

hiệu điện cần thiết đến thiết bị đầu

ra để hiển thị ký tự được chỉ định

hoặc thực hiện chức năng điều

khiển yêu cầu

tự

 Các ký tự điều khiển khác liên

quan đến các thủ tục truyền tin

9

2. Module I/O

Chức năng của Module I/O:

. Điều khiển và định thời

. Phối hợp luồng lưu lượng truy cập giữa tài nguyên bên trong và

thiết bị ngoại vi

. Trao đổi thông tin với bộ xử lý

. Gồm giải mã lệnh, dữ liệu, báo cáo trạng thái, nhận dạng địa chỉ

. Trao đổi thông tin với thiết bị

. Gồm các lệnh, thông tin trạng thái và dữ liệu

. Đệm dữ liệu

. Thực hiện các hoạt động đệm cần thiết để cân bằng tốc độ thiết

bị và bộ nhớ

. Phát hiện lỗi

. Phát hiện và báo cáo lỗi truyền

10

Các bước I/O

. CPU hỏi module I/O để kiểm tra trạng thái thiết bị I/O

được gắn vào

. Môđun I/O trả về trạng thái thiết bị

. Nếu thiết bị đã sẵn sàng, CPU yêu cầu truyền dữ liệu

bằng cách gửi một lệnh tới mô đun I / O

. Môđun I/O nhận dữ liệu từ thiết bị

. I/O module truyền dữ liệu đến CPU

11

Cấu trúc Module I/O

12

+

Các thành phần của mô-đun vào-ra

 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 cómột 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

13

+

Địa chỉ hoá cổng vào-ra

Không gian địa chỉ của bộ xử lý

14

+

Không gian địa chỉ của bộ xử lý

 Một số bộ xử lý chỉ quản lý duy nhất một không gian địa chỉ:

 không gian địa chỉ bộ nhớ: 2^Nđịa chỉ

 Ví dụ: Các bộ xử lý 680x0 (Motorola)

 Một số bộ xử lý quản lý hai không gian địa chỉ tách biệt:

 „ Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2^Nđịa chỉ

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

 „ Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy cập không gian địa chỉ

 „ Tập lệnh có các lệnh vào-ra chuyên dụng \

 „ Vídụ: Pentium (Intel)

15

+

Các phương pháp ánh xạ địa chỉ vào-ra

 I/O ánh xạ bộ nhớ

 Thiết bị và bộ nhớ chia sẻ một không gian địa chỉ

 Cổng vào-ra đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ bộ nhớ

 Không có mệnh lệnh đặc biệt cho I/O

 CPU dùng chung lệnh máy để truy cập cả bộ nhớ và thiết bị I/O

 bus cần có một dòng đọc riêng và một dòng ghi riêng

 I/O - bộ nhớ tách biệt

 Không gian địa chỉ riêng biệt

 Cổng vào-ra được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ vào-ra

 Cần có dòng chọn I/O hoặc bộ nhớ

 Mệnh lệnh đặc biệt cho I/O

16

I/O ánh

xạ bộ nhớ

và

I/O - bộ

nhớ tách

biệt

17

+

3. Các kỹ thuật vào/ra

 I/O bằng chương trình (Programmed IO)

 I/O điều khiển bằng gián đoạn (Interrupt Driven IO)

 Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)

18

+

a. I/O bằng chương trình

 Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp vào-ra bằng

chương trình  cần phải lập trình vào-ra.

 Vào-ra do ý muốn của người lập trình

 „ Dữ liệu được trao đổi giữa CPU và mô đun I/O

 CPU thi hành một chương trình cho phép nó trực tiếp

điều hành các hoạt động I/O

 Khi CPU ra lệnh, nó phải đợi cho đến khi hoạt động I/O

hoàn tất

 CPU chạy nhanh hơn mô-đun I/O sẽ gây lãng phí thời

gian xử lý

19

+

Mệnh lệnh I/O (Command)

 Để thực hiện 1 lệnh liên quan đến vào/ra, CPU đưa ra địa

chỉ: xác định module I/O và thiết bị

 CPU đưa ra mệnh lệnh: 4 loại mệnh lệnh I/O

1) Control - Dùng để kích hoạt một thiết bị ngoại vi và chỉ định

nó phải làm gì. (VD: quay đĩa)

2) Test - kiểm tra các điều kiện trạng thái liên quan đến mô-đun

I/O và các thiết bị ngoại vi (VD: nguồn? Lỗi?)

3) Read - Cho phép mô-đun I/O lấy dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và

đặt nó vào bộ đệm bên trong

4) Write - Cho phép mô-đun I/O lấy dữ liệu từ bus dữ liệu rồi

chuyển dữ liệu đó đến thiết bị ngoại vi

20

+

Hoạt động I/O bằng chương trình

 CPU yêu cầu hoạt động vào/ra: ra mệnh lệnh cho module

I/O mong muốn

 Môđun I/O thực hiện yêu cầu

 Môđun I/O đặt bit trạng thái

 Môđun I/O không thông báo trực tiếp cho CPU / không

gián đoạn CPU

 CPU kiểm tra định kỳ bit trạng thái

 Nếu chưa sẵn sàng thì CPU có thể đợi hoặc quay lại sau

 Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ liệu với mô-đun

vào-ra

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Đầu vào/Đầu ra - Nguyễn Hằng Phương