Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Thiết bị ngoại vi

+ Chương 7
Thiết bị ngoại vi
+
Chương 7. Thiết bị ngoại vi
7.1 Các thiết bị ngoại vi
7.2 Module vào/ra
7.3 Các kỹ thuật I/O
a. I/O chương trình
b. Điều khiển ngắt vào/ra
c. Truy xuất bộ nhớ trực tiếp
7.4 Các bộ xử lý và kênh vào/ra
+
7.1 Thiết bị ngoại vi
 Một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống máy tính: CPU, 
bộ nhớ và thiết bị ngoại vi (thông qua module I/O)
 Giúp trao đổi dữ liệu với bên ngoài
 Kết nối với máy tính qua module vào/ra (module I/O)
 Truyền các thông tin điều khiển, dữ liệu và địa chỉ giữa CPU và thiết 
bị ngoại vi
 Có ba loại
 Con người đọc được: các thiết bị ngoại vi dành cho người dùng 
máy tính như màn hình, máy in,...
 Máy đọc được: các thiết bị gắn vào máy tính thực hiện một số chức 
năng giao tiếp (lấy thông tin,...): ổ cứng, cảm biến, băng từ,...
 Truyền thông: sử dụng truyền thông tin đi xa: modem, card mạng,...
+Mô hình tổng 
quát của I/O 
Module
+ a. Sơ đồ khối thiết bị ngoại vi
+ a. Sơ đồ khối thiết bị ngoài (tiếp)
 Giao diện (interface) với module I/O:
 Tín hiệu điều khiển - Control signal: xác định chức năng mà thiết bị 
sẽ thực hiện. Ví dụ: gửi dữ liệu đến module I/O (INPUT hoặc READ), 
nhận dữ liệu từ module I/O (OUTPUT hoặc WRITE), thông tin trạng 
thái, hoặc hoặc thực hiện một số chức năng điều khiển đặc biệt đến 
thiết bị (ví dụ, đặt head của đĩa cứng lên một vị trí nào đó)
 Dữ liệu – Data: một tập các bit được gửi đi hoặc nhận về từ module 
I/O. 
 Tín hiệu trạng thái - Status signal: chỉ ra trạng thái của thiết bị. Ví dụ: 
READY/NOT-READY cho biết rằng khi nào thiết bị sẵn sàng cho việc 
truyền dữ liệu.
 Logic điều khiển – Control logic: nhận các tín hiệu điều khiển từ 
module I/O, điều khiển hoạt động của thiết bị.
 Bộ chuyển đổi - Transducer: chuyển đổi dữ liệu (đang ở dạng t/h 
điện) sang các dạng khác (vd: điểm ảnh trên màn hình,...) và ngược 
lại. Ngoài ra, bộ đệm (buffer) để lưu trữ tạm dữ liệu đang được 
chuyển giao giữa module I/O và môi trường bên ngoài; kích thước bộ 
đệm thường từ 8 đến 16 bit.
+
b. Bàn phím/Màn hình
 Ký tự
 Gắn với mỗi ký tự là một mã
 Mỗi ký tự được biểu diễn bởi một mã 
nhị phân 7-bit : biểu diễn 128 ký tự
 Hai loại ký tự: 
 In được
 Các ký tự chữ cái, số và ký tự đặc 
biệt có thể được in trên giấy hoặc 
hiển thị trên màn hình
 Điều khiển
 Điều khiển việc in/hiển thị các ký tự
 VD: carriage return
 Các ký tự điều khiển khác liên quan 
đến các thủ tục truyền tin
 Khi người dùng bấm một phím, một tín 
hiệu điện tử được tạo ra bởi một bộ 
biến đổi trong bàn phím và dịch sang 
mẫu bit của mã IRA tương ứng
 Mẫu bit này được truyền đến mô-đun 
I/O trong máy tính
 Trên đầu ra, các ký tự mã IRA được 
truyền đến một thiết bị ngoại vi từ 
module I/O
 Bộ biến đổi giải mã và gửi các tín hiệu 
điện tử yêu cầu đến thiết bị đầu ra để 
hiển thị ký tự được chỉ định hoặc thực 
hiện chức năng điều khiển yêu cầu
Bảng chữ cái tham khảo 
quốc tế (IRA)
Mã bàn phím
Công cụ tương tác máy tính/
người dùng phổ biến nhất 
Người dùng cung cấp đầu vào 
thông qua bàn phím
Màn hình hiển thị dữ liệu được 
cung cấp bởi máy tính
Đơn vị chuyển đổi cơ bản là ký 
tự
7.2 Module I/O
a. Chức năng
Các chức năng chính của một module I/O gồm:
 Điều khiển và định thời: phối hợp luồng lưu lượng truy cập giữa 
thành phần thiết bị bên trong (main memory, bus) và thiết bị 
ngoại vi
 Trao đổi thông tin với VXL: gồm giải mã lệnh, dữ liệu, báo cáo 
trạng thái (trạng thái của thiết bị I/O có sẵn sàng hay không), 
nhận dạng địa chỉ (địa chỉ các cổng mà TBNV được nối vào)
 Trao đổi thông tin với TBNV: 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 TBNV và bộ nhớ
 Phát hiện lỗi: phát hiện và báo cáo lỗi truyền
b. Cấu trúc Module I/O
+ b. Cấu trúc Module I/O (tiếp)
Các module I/O thay đổi khác nhau theo sự phức tạp và số lượng các thiết bị 
ngoài mà nó điều khiển. Cấu trúc chung nhất:
- Dữ liệu được truyền đến và đi từ module được đệm qua một hoặc nhiều thanh 
ghi dữ liệu (data register). 
- Thanh ghi trạng thái/ điều khiển (status/control register): lưu trữ thông tin 
trạng thái của thiết bị hoặc thông tin điều khiển của bộ VXL
- Khối logic điều khiển - I/O logic: tương tác với VXL qua một tập các đường 
điều khiển (control line). VXL sử dụng các đường điều khiển để ra lệnh cho 
module I/O. Module I/O cũng có thể sử dụng một số đường điều khiển để gửi 
các tín hiệu phân xử bus hoặc tín hiệu trạng thái. 
- Module cũng có khả năng nhận diện và sinh ra các địa chỉ với mỗi thiết bị được 
nối đến nó (địa chỉ cổng). Mỗi module I/O có một (nếu chỉ nối với một TBNV) 
hoặc một tập địa chỉ (nếu module nối với nhiều TBNV) 
- Cổng nối ghép vào/ra (External Device Interface Logic): giao tiếp với thiết 
bị ngoại vi
+
c. Địa chỉ cổng vào/ra
 Cũng giống như bộ nhớ, cácTBNV được gắn vào module I/O 
qua các cổng. Để CPU giao tiếp được với các TBNV, các cổng 
này phải được gán một giá trị địa chỉ
+
Không gian địa chỉ I/O
 Có hai phương thức thực hiện không gian địa chỉ cho các TBNV:
 I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O): 
 Bộ nhớ và TBNV chia sẻ chung không gian địa chỉ. VXL coi 
các thanh ghi dữ liệu và trạng thái như các ô nhớ và sử 
dụng cùng các lệnh để truy cập cả bộ nhớ và thiết bị ngoại 
vi
 Chỉ sử dụng một đường đọc và ghi, do đó bus phải sắp 
xếp giữa việc đọc/ghi bộ nhớ và vào/ra TBNV
 I/O riêng biệt (isolated I/O):
 Sử dụng một đường command line để xác định: địa chỉ BN 
hay địa chỉ TBNV
 Toàn bộ dải địa chỉ dùng cho cả hai. VD: 10 đường địa chỉ 
cho phép đánh địa chỉ 1024 ô nhớ và 1024 TBNV
 Tập các chỉ lệnh đến BN và TBNV khác nhau
+ 7.3. Các kỹ thuật vào/ra
Hoạt động của module I/O theo 3 kỹ thuật sau:
 I/O chương trình
 CPU thực thi một chương trình trực tiếp điều khiển các hoạt động vào/ra
 Khi bộ xử lý ra lệnh, nó phải đợi cho đến khi hoạt động vào/ra hoàn tất
 Bộ xử lý chạy nhanh hơn module I/O sẽ gây lãng phí thờ