Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 8: Hệ thống vào/ra – Các phương pháp điều khiển vào/ra

HỆ THỐNG VÀO/ RA – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO/RA – GHÉP NỐI

MÁY TÍNH VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI

VŨ NGỌC THANH SANG

TRỊNH TẤN ĐẠT

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẠI HỌC SÀI GÒN

Email: trinhtandat@sgu.edu.vn

Website: https://sites.google.com/site/ttdat88

HỆ THỐNG VÀO/RA: GIỚI THIỆU CHUNG

• Hệ thống vào/ra (I/O system) là thành phần quan trọng thứ ba (bao gồm CPU và

bộ nhớ) trong hệ thống máy tính.

• Là một phương tiện hiệu quả để nhận đầu vào và cung cấp đầu ra cho hệ thống

máy tính.

• Là một giao diện chứa các logic để kết nối các hàm giữa thiết bị ngoại vi và hệ

thống bus.

• Lưu ý: Nguyên nhân dẫn đến việc các thiết bị ngoại vi không kết nối trực tiếp với

hệ thống bus:

o Truyền tải lượng dữ liệu khác nhau + tốc độ khác nhau + nhiều định dạng.

o Tốc độ truyền tải dữ liệu của thiết bị ngoại vi chậm hơn hoặc nhanh hơn so

với CPU và RAM ➔ khó tương thích, không thực tế.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

HỆ THỐNG VÀO/RA: GIỚI THIỆU CHUNG

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

Mô hình chung của hệ thống vào/ra

THIẾT BỊ NGOẠI VI

• Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính.

• Phân loại:

o Thiết bị ngoại vi giao tiếp người - máy: bàn phím, màn hình, máy in,….

o Thiết bị ngoại vị giap tiếp máy – máy: gồm các thiết bị theo dõi và kiểm tra.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

o Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, Network Interface Card (NIC).

THIẾT BỊ NGOẠI VI - THÀNH PHẦN

• 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 module vào/ra và thiết bị ngoại vi.

• Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của thiết bị ngoại vi đáp ứng theo yêu

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

cầu từ module vào/ra

I/O MODULE: CÁC CHỨC NĂNG

• Các chức năng chính hoặc cần thiết của I/O bao gồm:

o Điều khiển và định giờ (control and timing).

o Giao tiếp giữa các bộ xử lý (processor communication).

o Giao tiếp giữa các thiết bị (device communication).

o Đệm dữ liệu (data buffering).

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

o Nhận biết lỗi (error detection).

CHỨC NĂNG: ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐỊNH GIỜ

• Cần thiết: định vị dòng truyền tải dữ liệu giữa tài nguyên bên trong và các thiết bị ngoại vi.

• Ví dụ: Các bước để điều khiển việc truyền tải dữ liệu từ thiết bị ngoại vi vào bộ xử lý

1. Bộ xử lý sẽ tra hỏi trong I/O để kiểm tra trạng thái của thiết bị kết nối.

I/O trả về trạng thái của thiết bị kết nối.

3. Nếu thiết bị kết nối sẵn sàng hoạt động và truyền tải ➔ Bộ xử lý yêu cầu truyền tải dữ liệu 

Bộ xử lý ra lệnh cho I/O.

I/O nhận một đơn vị dữ liệu (8 bits, 16 bits,…) từ thiết bị ngoại vi.

5. Dữ liệu được truyền tải dữ liệu từ thiết bị ngoại vi vào bộ xử lý.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

CHỨC NĂNG: GIAO TIẾP GIỮA CÁC BỘ XỬ LÝ

• Giải mã lệnh: I/O nhận các lệnh từ bộ xử lý, điển hình là gửi tín hiệu trên bus điều

khiển. Ví dụ: đĩa từ.

• Dữ liệu: Dữ liệu được truyền tải giữa bộ xử lý và I/O thông qua bus dữ liệu.

• Báo cáo trạng thái: vì tốc độ của các thiết bị chậm ➔ Cần quan tâm đến trạng

thái của I/O đang sẵn sàng hay đang bận.

• Nhận dạng địa chỉ: tương tự như việc bộ nhớ có địa chỉ ➔ mỗi thiết bị I/O cũng

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

cần địa chỉ.

CHỨC NĂNG: GIAO TIẾP GIỮA CÁC THIẾT BỊ

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

Sơ đồ khối của thiết bị ngoại vi

CHỨC NĂNG: ĐỆM DỮ LIỆU

• Cần thiết: đảm bảo tốc độ truyền tải nhanh và tương thích giữa bộ xử lý và thiết

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

bị ngoại vi. Ví dụ như hình trên.

CHỨC NĂNG: NHẬN BIẾT LỖI

• I/O chịu trách nhiệm cho việc nhận biết lỗi và gửi báo cáo các lỗi về cho bộ xử lý.

• Một lớp các lỗi liên quan đến máy móc và trục trặc điện được gửi từ thiết bị sẽ

qua I/O gửi về bộ xử lý.

• Một lớp khác bao gồm các lỗi không chủ ý thay đổi các mẫu bit (trong việc truyền

tải dữ liệu từ thiết bị đến I/O). Lỗi này có thể kiểm tra bằng cách thêm các bit

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

chẵn, lẻ.

CẤU TRÚC CỦA I/O MODULE

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

Sơ đồ khối của I/O MODULE

CÁC THÀNH PHẦN CỦA I/O MODULE

• Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu trong quá trình trao đổi.

• Các cổng I/O (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 I/O.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• Khối logic điều khiển: điều khiển I/O module.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHỈ HÓA CỔNG I/O

• I/O riêng biệt (Isolated I/O hay mapped I/O):

o Cổng I/O được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ I/O.

o CPU trao đổi dữ liệu với cổng I/O thông qua các lệnh I/O chuyên dụng

(IN, OUT).

o Chỉ có thể thực hiện trên các hệ thống có quản lý không gian địa chỉ I/O riêng

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

biệt.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHỈ HÓA CỔNG I/O

• I/O theo bản đồ bộ nhớ (Memory mapped I/O):

o Cổng I/O được đánh địa chỉ theo không gian địa chỉ bộ nhớ.

o I/O giống như đọc/ghi bộ nhớ.

o CPU trao đổi dữ liệu với cổng I/O thông qua các lệnh truy nhập dữ liệu bộ

nhớ.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

o Có thể thực hiện trên mọi hệ thống.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN I/O

• Bằng chương trình (Programmed I/O).

• Bằng chương trình Ngắt (Interrupt Driven I/O).

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• Truy nhập bộ nhớ trực tiếp (Direct Memory Access – DMA).

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN I/O

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

Ba phương pháp điều khiển I/O

PROGRAMMED I/O – TỔNG QUAN

• I/O Module thi hành các hành động được yêu cầu từ bộ xử lý (khi bộ xử lý thực

thi chương trình và bắt gặp lệnh của I/O) và thiết lập các bits phù hợp trong thanh

ghi trạng thái I/O.

• I/O module sẽ không gửi tín hiệu thông báo và ngắt bộ xử lý. Thay vào đó, bộ xử

lý sẽ là thành phần kiểm tra trạng thái của I/O cho đến khi hành động đó thành

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

công.

PROGRAMMED I/O – CÁC TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN

• Tín hiệu điều khiển (control): kích hoạt thiết bị ngoại vi.

• Tín hiệu kiểm tra (test): kiểm tra trạng thái của I/O module và thiết bị ngoại vi.

• Tín hiệu điều khiển đọc (read): yêu cầu I/O module nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại

vi và đưa vào thanh ghi đệm dữ liệu, rồi CPU nhận dữ liệu đó.

• Tín hiệu điều khiển ghi (write): yêu cầu I/O momdule lấy dữ liệu trên bus dữ liệu

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

đưa đến thanh ghi đệm dữ liệu và chuển đến thiết bị ngoại vi.

PROGRAMMED I/O – CÁC LỆNH I/O

• I/O riêng biệt: Sử dụng các lệnh vào ra chuyên dụng:

o IN

o OUT.

• I/O theo bản đồ bộ nhớ:

o Sử dụng các câu lệnh trao đổi dữ liệu với bộ nhớ.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

PROGRAMMED I/O – HOẠT ĐỘNG

• CPU yêu cầu thao tác I/O.

• I/O module thực hiện thao tác.

• I/O module thiết lập các bước trạng thái.

• CPU kiểm tra các bits trạng thái:

• Nếu chưa sẵn sàng thì quay lại kiểm tra.

o Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ liệu với I/O

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

module.

PROGRAMMED I/O – ĐẶC ĐIỂM

• I/O do ý muốn của người lập trình

• CPU trực tiếp điều khiển I/P

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• CPU đợi I/O module → tiêu tốn thời gian của CPU

INTERRUPT I/O

• 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.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

INTERRUPT I/O – HOẠT ĐỘNG VÀO DỮ LIỆU (NHÌN TỪ I/O MODULE)

• I/O module nhận tín hiệu điều khiển đọc từ CPU.

• I/O module nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi, trong khi đó

CPU sẽ thật hiện việc khác.

• Khi đã có dữ liệu, I/O module sẽ phát tín hiệu ngắt CPU.

• CPU yêu cầu dữ liệu ➔ I/O module chuyển dữ liệu đến

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

CPU.

INTERRUPT I/O – HOẠT ĐỘNG VÀO DỮ LIỆU (NHÌN TỪ CPU)

• Phát tín hiệu điều khiển đọc.

• Làm việc khác.

• Cuối mỗi chu trình lệnh, kiểm tra tín hiệu ngắt.

• Nếu bị ngắt:

o Cất ngữ cảnh (nội dung các thanh ghi).

o Thực hiện chương trình con ngắt để vào dữ liệu.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

o Khôi phục ngữ cảnh của chương trình đang thực hiện.

INTERRUPT I/O – XỬ LÝ NGẮT (INTERRUPT PROCESSING)

Thiết bị phát tín hiệu ngắt đến bộ xử lý.

2. Bộ xử lý sẽ ưu tiên thực thi xong lệnh hiện tại

trước khi phản hồi tín hiệu ngắt.

3. Bộ xử lý kiểm tra ngắt, phát hiện ra một tín hiệu

ngắt ➔ bộ xử lý sẽ gửi tín hiệu xác nhận tới thiết

bị gửi tín hiệu ngắt. Tín hiệu xác nhận cho phép

thiết bị loại bỏ tín hiệu ngắt đã gửi.

Xử lý ngắt cơ bản

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

INTERRUPT I/O – XỬ LÝ NGẮT (INTERRUPT PROCESSING)

4. Bộ xử lý sẽ chuẩn bị để chuyển quyền điều khiển

cho quy trình ngắt. Trước tiên, bộ xử lý cần lưu lại

thông tin chương trình để có thể khôi phục lại tại

thời điểm bắt đầu ngắt, bao gồm: trạng thái bộ xử

lý (được chứa trong thanh ghi gọi

là program

status word (psw)), vị trí của lệnh thực thi tiếp

theo (lưu trong PC) → Tất cả thông tin này có thể

được đẩy vào hệ thống điều khiển stack.

Xử lý ngắt cơ bản

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

INTERRUPT I/O – XỬ LÝ NGẮT (INTERRUPT PROCESSING)

5. Bộ xử lý lấy vị trí đầu vào của chương trình xử lý ngắt

sẽ đáp ứng với ngắt chuẩn bị thực thi từ PC. Tùy theo

kiến trúc máy tính, thiết kế hệ điều hành:

• Chương trình đơn;

• Chương trình đơn cho từng loại ngắt;

• Chương trình đơn cho từng thiết bị và từng loại ngắt.

5. (cont): Nếu có nhiều quy trình xử lý ngắt ➔ bộ xử lý sẽ xác định quy

trình nào phù hợp. Thông tin này có thể được thêm vào khi gửi tín hiệu

ngắt đầu tiên hoặc bộ xử lý có thể yêu cầu từ thiết bị gửi tín hiệu ngắt.

Xử lý ngắt cơ bản

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

INTERRUPT I/O – XỬ LÝ NGẮT (INTERRUPT PROCESSING)

PC và PSW của chươn trình ngắt được lưu vào hệ

thống stack. Ngoài ra, các thanh ghi bộ xử lý cũng

cần được lưu vì các thanh ghi này có thể được dùng cho xử lý ngắt ➔trình xử lý ngắt bắt đầu sau

khi lưu.

Ví dụ: Chương trình người dùng bị ngắt sau lệnh tại vị trí N.

➔ Các thông tin sau đó sẽ được đẩy vào stack. Con trỏ

stack sẽ được cập nhập trên đỉnh stack, PC sẽ được cập

nhật để trỏ tới điểm bắt đầu quy trình ngắt.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

Ngắt xuất hiện sau lệnh thực thi tại vị trí N

INTERRUPT I/O – XỬ LÝ NGẮT (INTERRUPT PROCESSING)

Tiếp tục thực thi ngắt. Trong quá trình này, xử lý

ngắt có thể gửi các lệnh hoặc xác nhận bổ sung

tới I/O.

Khi xử lý ngắt kết thúc, các giá trị trong thanh ghi

đã lưu được lấy ra từ stack và được khôi phục

trong thanh ghi.

9. Bước cuối cùng: khôi phục giá trị của PSW và PC

từ stack ➔ lệnh thực thi tiếp theo sẽ là lệnh

trước chương trình ngắt.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

INTERRUPT I/O – CÁC VẤN ĐỀ NẢY SINH KHI THIẾT KẾ

• Làm thế nào để xác định được mô-đun vào-ra nào phát tín hiệu ngắt ?

• CPU làm như thế nào khi có nhiều yêu cầu ngắt cùng xảy ra ?

➔Các phương pháp nối ghép ngắt:

• Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt.

• Hỏi vòng bằng phần mềm (Software Poll).

• Hỏi vòng bằng phần cứng (Daisy Chain/Hardware Poll, vectored).

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• Bus arbitration (vectored)

INTERRUPT I/O – SỬ DỤNG NHIỀU ĐƯỜNG YÊU CẦU NGẮT

• 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

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

ưu tiên.

INTERRUPT I/O – SOFTWARE POLL

• CPU thực hiện phần mềm hỏi lần lượt từng mô-đun vào-ra.

• Chậm.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• Thứ tự các mô-đun được hỏi vòng chính là thứ tự ưu tiên.

INTERRUPT I/O – DAISY CHAIN/ HARDWARE POLL

• 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

INTERRUPT I/O – BUS ARBITRATION

• Đầu tiền, I/O module cần lấy quyền điều khiển bus trước khi bus gửi dòng yêu

cầu ngắt ➔ Chỉ có một module có thể gửi dòng yêu cầu ngắt trong cùng thời gian.

• Khi bộ xử lý phát hiện ngắt, bộ xử lý sẽ phản hồi trên dòng ngắt đã xác nhận.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

• Module yêu cầu đặt các vector trên các dòng dữ liệu.

TRUY CẬP BỘ NHỚ TRỰC TIẾP (DIRECT MEMORY ACCESS – DMA)

• Programmed I/O và Interrupt I/O:

o Chiếm thời gian của CPU.

o Tốc độ truyền bị hạn chế vì phải chuyển qua CPU.

• Để khắc phục dùng DMA

o Thêm hardware module trên bus → DMAC (Controller)

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

o DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa I/O module với bộ nhớ chính

DMA - SƠ ĐỒ CẤU TRÚC

• 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

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính

DMAC.

DMA – HOẠT ĐỘNG

• Khi bộ xử lý cần đọc hay ghi một khối dữ liệu ➔ Gửi yêu cầu tới DMA với những thông

tin sau:

o Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ liệu trao đổi. o Thanh ghi địa chỉ: chứa địa chỉ ngăn nhớ dữ liệu . o Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ liệu cần trao đổi. o Logic điều khiển: điều khiển hoạt động của DMA.

• Trong khi chờ, bộ xử lý sẽ tiếp tục công việc khác.

• DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu

• Sau khi truyền được một từ dữ liệu thì:

o nội dung thanh ghi địa chỉ tăng o nội dung bộ đếm dữ liệu giảm

• Khi bộ đếm dữ liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt CPU để báo kết thúc DMA

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn

Kiến Trúc Máy Tính