Organizacja i Architektura Komputerw Wykad nr 10 Urzdzenia

Organizacja i Architektura Komputerów Wykład nr 10: Urządzenia wejścia/wyjścia Piotr Bilski

Komunikacja z urządzeniami we/wy • Urządzenie połączone jest z magistrala systemową poprzez moduł we/wy • Prędkości urządzeń i magistrali znacząco się różnią – pośrednik jest potrzebny! • Formaty danych obsługiwane przez komputer są różne od formatów wspieranych przez urządzenie

Schemat modułu we/wy Linie adresowe Linie danych Linie sterowania Moduł wejściawyjścia urządzenie peryferyjne

Urządzenia zewnętrzne • do komunikacji z człowiekiem (np. monitor, drukarka) • do komunikacji z maszyną (np. napęd CD) • do komunikacji zdalnej (np. modem, karta sieciowa)

Schemat urządzenia peryferyjnego Moduł wejścia-wyjścia Sygnały sterujące Sygnały stanu Układy logiczne sterowania Dane do/z modułu we/wy Bufor Przetwornik Dane do/z otoczenia

Prędkości urządzeń peryferyjnych

Moduł wejścia-wyjścia Realizowane funkcje: • • • sterowanie i taktowanie komunikacja z procesorem komunikacja z urządzeniem buforowanie danych wykrywanie błędów

Komunikacja modułu z procesorem • • dekodowanie rozkazu przesyłanie danych przesyłanie informacji o stanie rozpoznawanie adresu

Przykład współpracy procesora i urządzenia peryferyjnego • żądanie ze strony procesora stanu urządzenia • przesłanie informacji o stanie urządzenia przez moduł we/wy • jeśli urządzenie działa, procesor zgłasza żądanie przesłania danych • moduł otrzymuje jednostkę danych z urządzenia zewnętrznego i przesyła do procesora

Schemat modułu wejścia-wyjścia

Rodzaje modułów we/wy • kanał wejścia-wyjścia – bardziej złożony, wykonuje większość pracy związanej z komunikacją i obsługą urządzenia (komputery mainframe) • sterownik urządzenia – prosty, większość funkcji musi wykonywać procesor (komputery osobiste)

Techniki wejścia-wyjścia • programowane wejście-wyjście – duże zaangażowanie procesora • wejście-wyjście sterowane przerwaniami – procesor odciążony • bezpośredni dostęp do pamięci – procesor niepotrzebny

Programowane wejście-wyjście • Procesor przesyła rozkazy wejścia-wyjścia do modułu. Sam musi pilnować, kiedy dane są dostępne • Instrukcje pobierane z pamięci mają swoje odpowiedniki w rozkazach wysyłanych modułowi • Wada: procesor bezczynny przez większość czasu

Rozkazy wejścia-wyjścia • sterowania (charakterystyczne dla poszczególnych urządzeń) • testowania (stan urządzenia i wynik ostatniej operacji) • odczytu • zapisu

Schemat programowanego wejścia-wyjścia CPU we/wy Wysłanie rozkazu odczytu do modułu we/wy CPU Odczyt stanu modułu we/wy Obsługa błędu Stan? Niegotowy Gotowy we/wy CPU we/wy Odczyt słowa z modułu we/wy Zapis słowa w pamięci NIE Wykonanie? TAK Następny rozkaz

Instrukcje wejścia-wyjścia • Problem adresowania urządzeń we/wy: a) odwzorowanie w pamięci b) izolowane wejście-wyjście 200 Load AC 1 200 Start I/O 5 201 Store AC 517 201 Test I/O 5 202 Load AC 517 203 Branch if St=0 201 203 Branch if St=0 202 204 In 5 204 Load AC 516 (a) (b)

Wejście-wyjście sterowane przerwaniami • procesor wysyła żądania do modułu I/O, ale nie czeka na odpowiedź • gdy moduł jest gotowy do komunikacji z procesorem, zgłasza sygnał przerwania • procesor w każdym cyklu rozkazowym sprawdza, czy zgłoszono przerwanie • wada: procesor pośredniczy w komunikacji między peryferiami i pamięcią

Schemat obsługi przerwań CPU we/wy Wysłanie rozkazu tu procesor robi swoje odczytu do modułu przerwanie!!!! Odczyt stanu modułu we/wy CPU Obsługa błędu Stan? Gotowy we/wy CPU we/wy Odczyt słowa z modułu we/wy Zapis słowa w pamięci NIE Wykonanie? TAK Następny rozkaz

Szczegóły przetwarzania przerwania sprzęt oprogramowanie Sterownik urządzenia zgłasza przerwanie Zachowanie pozostałych informacji o stanie procesu Procesor kończy wykonywanie rozkazu Przetwarzanie przerwania Procesor sygnalizuje potwierdzenie przerwania Procesor umieszcza na stosie PSW i PC Procesor Ładuje nową wartość PC (przerwanie) Odtworzenie informacji o stanie procesu Odtworzenie PSW i PC

Problem obsługi wielu urządzeń • • wiele linii przerwań odpytywanie za pomocą oprogramowania odpytywanie za pomocą sprzętu arbitraż za pomocą magistrali (PCI, SCSI) linie przerwań Moduł wejściawyjścia połączenia do urządzeń

Odpytywanie łańcuchowe terminator magistrali Moduł 1 Moduł 2 • moduł sygnalizuje zgłoszenie przerwania wystawiając na szynie danych wektor

Sterownik przerwań Intel 82 C 59 A Sterownik podrzędny 82 C 59 procesor 386 INTR INTA Sterownik 82 C 59 IR 0 IR 1 INT IR 2 IR 3 IR 4 IR 5 IR 6 IR 7 Urządzenie nr 1 Urządzenie nr 2 Sterownik podrzędny 82 C 59 IR 0 IR 1 INT IR 2 IR 3 IR 4 IR 5 IR 6 IR 7

Tryby przerwań w 82 C 59 A • w pełni zagnieżdżony (z priorytetami) • rotacyjny • maskowalny

System przerwań magistrali ISA • dwa układy 8259 w łańcuchu • połączenie z układami odbywa się poprzez kanał IRQ 2 • Kanał IRQ 9 służy do przekierowywania żądań na IRQ 2 • 15 linii przerwań do łańcucha

Programowalny interfejs urządzeń peryferyjnych Intel 82 C 55 A • moduł we/wy używany przez procesor 80386 • układ jest programowalny za pomocą rejestru sterowania (uniwersalność) • 40 linii sygnałowych: – 24 linie wejścia-wyjścia – 8 linii (bitów) danych – 2 linie adresowe

Schemat układu 82 C 55 A

Bezpośredni dostęp do pamięci • Direct Memory Access (DMA) • pozwala przesyłać szybko duże ilości danych z/do pamięci bez ingerencji procesora • metoda szybsza od sterowania przerwaniami

Schemat modułu DMA Licznik danych Linie adresowe DMA REQ DMA ACK INTR READ WRITE Rejestr danych Rejestr adresowy Układy logiczne sterowania • moduł pamięci „udaje” procesor (kradzież cyklu)

Działanie DMA • informacje żądane przez procesor od kontrolera DMA: – – zapis, czy odczyt adres urządzenia peryferyjnego adres początkowej komórki pamięci do odczytu/zapisu liczba słów do odczytu/zapisu • procesor wykonuje kolejne rozkazy programu • kontroler DMA steruje przepływem informacji pomiędzy peryferiami a pamięcią • gdy zadanie jest zakończone, kontroler zgłasza przerwanie

Punkty kontrolne DMA Cykl rozkazu Pobranie Dekodowa Pobranie Wykonanie Zapisanie rozkazu argumentów rozkazu wyniku punkty kontrolne DMA Przerwanie procesu punkt kontrolny przerwania

Konfiguracje DMA • pojedyncza magistrala dla wszystkich modułów, sterowanie programowe wejściemwyjściem • pojedyncza magistrala, zintegrowane DMA • magistrala wejścia-wyjścia – osobna, tylko dla peryferiów, moduł DMA pełni rolę mostka

Pojedyncza magistrala, odłączane DMA • zawieszenie procesora następuje dwukrotnie w czasie komunikacji z urządzeniem peryferyjnym • magistrala również użyta dwukrotnie

Pojedyncza magistrala, zintegrowane DMA • kontroler DMA może wspierać więcej, niż jedno urządzenie • transfer wymaga jednokrotnego dostępu do magistrali, podobnie jest z zawieszeniem procesora

Magistrala wejścia-wyjścia • jednokrotny dostęp do magistrali (DMA do pamięci) • procesor zawieszany tylko raz

Kanały wejścia-wyjścia • • są to wyspecjalizowane moduły I/O, zdolne do wykonywania programów z pamięci bez udziału CPU dwa rodzaje kanałów: a) wybiórczy b) multiplekserowy

Rodzaje interfejsów zewnętrznych • interfejs równoległy – wiele linii, szybkie urządzenia (np. dyski twarde) • interfejs szeregowy – jedna linia, wolne urządzenia (np. drukarki) • łącze dwupunktowe • łącze wielopunktowe • moduł I/O musi mieć bufor do przechowywania danych z/do urządzenia peryferyjnego

Magistrala szeregowa Fire. Wire • standard IEEE-1394 • pojedyncza linia danych nie wymaga ekranowania • urządzenia ułożone w konfiguracji łańcuchowej, lub drzewiastej, do jednego portu można dołączyć 63 urządzenia • aktywne podłączanie urządzeń (hot plugging)

Konfiguracja Fire. Wire • brak terminatorów!!

Warstwy protokołów Fire. Wire • warstwa fizyczna – definiuje arbitraż, ponowną synchronizację danych, kodowanie-dekodowanie, stan połączenia, złącza, poziom sygnału • warstwa łącza – transmisja danych (nadawanie i odbieranie pakietów, sterowanie cyklem) • warstwa transakcyjna – odczyt i zapis, blokowanie

Magistrala Infini. Band • szybka magistrala do systemów serwerowych • moduł wejścia-wyjścia może być poza serwerem • możliwe jest stosowanie przewodów miedzianych i światłowodów • przełączniki magistrali mogą obsłużyć do 64 000 komputerów