Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống vào-ra

Chương 6

HỆ THỐNG VÀO-RA

Nội dung chương 6

6.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra

6.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

6.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi

6.4. Các cổng vào-ra thông dụng trên PC

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.2

6.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra

1. Giới thiệu chung

 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 môđun vào-ra

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.3

Đặc điểm của vào-ra

 Tồn tại đa dạng các thiết bị ngoại vi (TBNV)

khác nhau về:

 Nguyên tắc hoạt động

 Tốc độ

 Khuôn dạng dữ liệu

 Tất cả các TBNV đều chậm hơn CPU và RAM

 Cần có các môđun vào-ra để nối ghép các

TBNV với CPU và bộ nhớ chính

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.4

2. Các TBNV

 Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên

trong và bên ngoài máy tính

 Phân loại:

 TBNV giao tiếp người-máy: chuột, bàn phím,

màn hình, máy in,…

 TBNV giao tiếp máy-máy: gồm các thiết bị

theo dõi và kiểm tra

 TBNV truyền thông:

 modem (modulator/demodulator),

 Network Interface Card (NIC, card mạng)

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.5

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.6

Cấu trúc chung của TBNV

đệm dữ liệu khi

truyền giữa

môđun vào-ra

và TBNV

chuyển đổi dữ liệu giữa bên

ngoài và bên trong máy tính

Dữ liệu đến/từ

môđun vào-ra

Bộ chuyển

đổi tín hiệu

(Transducer)

bên ngoài

Bộ đệm

dữ liệu

điều khiển hoạt

động của TBNV

Đáp ứng theo yêu

cầu từ môđun

vào-ra

Tín hiệu

điều khiển

Khối logic điều khiển

Tín hiệu

trạng thái

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.7

3. Môđun vào-ra

 Chức năng:

 Điều khiển và định thời

 Trao đổi thông tin với CPU

 Trao đổi thông tin với TBNV

 Đệm giữa bên trong máy tính với TBNV

 Phát hiện lỗi của TBNV

Môđun

vào-ra

TBNV

CPU

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.8

Cấu trúc chung của môđun vào-ra

Dữ liệu

Các đường

dữ liệu

Thanh

ghi

đệm

Cổng

nối

ghép

vào-ra

Bus dữ liệu bên trong

Điều khiển

đệm dữ liệu

trong quá trình

trao đổi

dữ liệu

Trạng thái

kết nối với TBNV,

mỗi cổng có một

địa chỉ xác định

lưu giữ thông tin

trạng thái/điều

khiển cho các cổng

Thanh ghi

trạng thái/điều khiển

Dữ liệu

vào-ra

Cổng

nối

ghép

vào-ra

Các đường

Điều khiển

địa chỉ

Khối logic

điều khiển

Trạng thái

Các đường

điều khiển

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.9

4. Các phương pháp địa chỉ hóa cổng

vào-ra

a. Không gian địa chỉ của bộ xử lý

Không gian

N bit

địa chỉ bộ nhớ

 Một số bộ xử lý chỉ quản lý

một không gian địa chỉ

duy nhất, gọi là không

gian địa chỉ bộ nhớ.

000...000

000...001

000...010

000...011

000...100

000...101

.

 N bit địa chỉ  có 2^Nđịa chỉ

 Ví dụ: các bộ xử lý 680x0

của Motorola

.

111...111

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.10

Không gian địa chỉ của bộ xử lý (tiếp)

 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

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.11

Hai không gian địa chỉ tách biệt của bộ xử lý

Không gian

địa chỉ bộ nhớ

Không gian

địa chỉ vào-ra

N bit

1

000...000

000...001

000...010

000...011

000...100

000...101

00...00

00...01

00...10

00...11

.

11...11

.

111...111

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.12

Hai không gian địa chỉ tách biệt của bộ xử lý (tiếp)

 Đặc điểm của bộ xử lý có hai không gian địa chỉ:

 Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không

gian địa chỉ bộ nhớ hay không gian địa chỉ vào-ra

 Tập lệnh có các lệnh vào-ra chuyên dụng (IN, OUT)

 Ví dụ: Các bộ xử lý 80x86 và Pentium (Intel)

 Pentium

 Không gian địa chỉ bộ nhớ = 2³²byte = 4 GB

 Không gian địa chỉ vào-ra = 2¹⁶byte = 64 KB

 Tín hiệu điều khiển:

M/IO

 Hai lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.13

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

 Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ

(Memory mapped IO)

 Vào-ra riêng biệt

(Isolated IO hay IO mapped IO)

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.14

Bảng so sánh 2 loại Vào-ra theo bản đồ bộ nhớ và riêng biệt

 Cổng vào-ra được đánh

địa chỉ theo không gian

địa chỉ bộ nhớ

 Cổng vào-ra được đánh địa

chỉ theo không gian địa chỉ

vào-ra riêng biệt

 Vào-ra giống như đọc/ghi

 CPU trao đổi dữ liệu với

cổng vào-ra thông qua các

lệnh vào-ra chuyên dụng

(IN, OUT)

bộ nhớ

 CPU trao đổi dữ liệu với

cổng vào-ra thông qua

các lệnh truy nhập dữ

liệu bộ nhớ

 Chỉ có thể thực hiện trên các

hệ thống có không gian địa

chỉ vào-ra riêng biệt

 Có thể thực hiện trên mọi

hệ thống

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.15

Nội dung chương 6

6.1. Tổng quan về hệ thống vào-ra

6.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

6.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi

6.4. Các cổng vào-ra thông dụng trên PC

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.16

6.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

 Vào-ra bằng chương trình

(Programmed IO)

 Vào-ra điều khiển bằng ngắt

(Interrupt Driven IO)

 Truy nhập bộ nhớ trực tiếp – DMA

(Direct Memory Access)

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.17

1. Vào-ra bằng chương trình

 Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp

vào-ra bằng chương trình

 Kiểm tra trạng thái của TBNV

 Phát tín hiệu điều khiển đọc/ghi

 Trao đổi dữ liệu

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.18

Lưu đồ chương trình

Đọc trạng thái của

môđun vào-ra

Môđun vào-ra

có sẵn sàng?

N

Y

Trao đổi dữ liệu với

môđun vào-ra

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.19

Hoạt động của vào-ra bằng chương trình

 CPU yêu cầu thao tác vào-ra

 Môđun vào-ra thực hiện thao tác

 Môđun vào-ra thiết lập các bit trạng thái

 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 môđun vào-ra

Bài giảng Kiến trúc máy tính

6.20

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống vào-ra - Vũ Thị Lưu