Chương 4 - lamhongs.files.wordpress.com€¦ · –ộ nhớ được đánh địa chỉ cho các ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của chúng. –Máy tính thực

Chương 4

Hệ thống máy tính

Kiến Trúc Máy Tính 20/05/13 1

Nội dung

4.1. Cấu trúc máy vi tính

4.2. Liên kết hệ thống

4.3. Hệ thống vào ra


4.1.1 Các thành phần • Mô hình cơ bản của máy tính

– Các mô hình máy tính hiện nay được thiết kế dựa trên kiến trúc Von Neumann.

• Các đặc điểm kiến trúc của Von Neumann:

– Dữ liệu và chương trình chứa trong bộ nhớ đọc nghi.

– Bộ nhớ được đánh địa chỉ cho các ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của chúng.

– Máy tính thực hiện lệnh một cách tuần tự.

Kiến Trúc Máy Tính

20/05/13 3

4.1.1 Các thành phần • Sơ đồ cấu trúc cơ bản


Bộ xử lý trung tâm Hệ thống nhớ

Liên kết hệ thống

Hệ thống vào ra

20/05/13 4

4.1.1 Các thành phần

• Cấu trúc cơ bản

– Bộ xử lý trung tâm (CPU): Điều kiển hoạt động của máy vi tính và xử lý số liệu.

– Hệ thống nhớ: chứa chương trình và dữ liệu đang xử lý.

– Hệ thống liên kết: kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau.

– Hệ thống vào/ra(I/O :Input/Output): trao đổi thông tin giữa bênh trong và bênh ngoài máy tính.


4.1.1 Các thành phần • Mô hình phân lớp


Các dạng úng dụng

Người dùng

Các phần mêm liên quang

Hệ điều hành

Phần cứng

Người lập trình

Người thiết kế HĐH

20/05/13 6


• Bộ xử lý trung tâm – Chức năng:

• Điều khiển hoạt động của máy tính

• Xử lý dữ liệu

– Nguyên tắc hoạt động cơ bản: • CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ

chính.

• Bộ vi xử lý hoạt động theo xung nhịp (Clock) có tần số xác định.

• Tốc độ vi xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp


4.1.1 Các thành phần • Bộ xử lý trung tâm (tt)

– Cấu trúc cơ bản của CPU • Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU):

– điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.

• Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU): – thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic trên các

dữ liệu cụ thể.

• Tập thanh ghi (Register File - RF): – lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.

• Đơn vị nối ghép bus (Bus interface Unit - BIU): – kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và

bus bên ngoài (external bus)



• Bộ nhớ máy vi tính

– Chức năng:

• Lưu trữ chương trình và dữ liệu

– Các thao tác cơ bản:

• Thao tác đọc dữ liệu (Read)

• Thao tác ghi dữ liệu.

– Các thành phần chính

• Bộ nhớ trong (Internal memory)

• Bộ nhớ ngoài (External memory)



• Bộ nhớ trong (Internal memory)

– Chức năng và đặc điểm:

• Chứa thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp

• Tốc độ rất nhanh

• Dung lượng không lơn

• Xử dụng bộ nhớ bán dẫn (RAM, ROM)

– Các loại bộ nhớ:

• Bộ nhớ chính (Main memory)

• Bộ nhớ cache (Cache memory)- bộ nhớ đệm.



• Bộ nhớ chính (Main memory)

– Chứa chương trình và dữ liệu đang được sử dụng bởi CPU

– Bộ nhớ chính được tổ chức thành các ngăn nhớ và được đánh địa chỉ

– Ngăn nhớ thường được tổ thức theo byte

– Nội dung của một ngăn nhớ có thể thay đổi nhưng địa chỉ vật lý của nó đã được đánh là không thay đổi



• Bộ đệm (Cache memory)

– Là bộ nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh.

– Được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính

– Dung lượng nhỏ hơn rất nhiều bộ nhớ chính

– Tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần

– Ngày nay Cache được tính hợp vào trong bộ vi xử lý.

– Bộ nhớ Cache thông thường được chia ra thành 2 mức.

– Cache có thể có hoặc không.



• Bộ nhớ ngoài (External memory) Chức năng và đặc điểm:

• Lưu trữ tài nguyên phần mềm máy tính

• Được kết nối với hệ thống như thiết bị vào ra.

• Dung lượng rất lớn (vài trăm GB)

• Tốc độ chậm

Các loại bộ nhớ ngoài:

• Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm,…

• Bộ nhớ quang: CD, VCD, DVD,…

• Bộ nhớ bán đẫn: flash Disk, memory Card,…



• Hệ thống vào ra (Input/Output system) • Chức năng và đặc điểm:

• Trao đổi thông tin giữa máy tính và thế giới bênh ngoài.

• Thao tác cơ bản: • Vào dữu liệu (in)

• Ra dữ liệu (out)

• Các thành phần chính: • Thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

• Các Module I/O (IO Module)


4.1.1 Các thành phần • Hệ thống vào ra (I/O system) (tt)

– Cấu trúc vào ra cơ bản


BUS máy tính

IO Module

Port I/O

Port I/O

Port I/O

Thiết bị ngoại vi 1



20/05/13 15

4.1.1 Các thành phần • Hệ thống vào ra (I/O system) (tt)

• Thiết bi ngoại vi( Peripherals):

• Chức năng: chuyển đổi thông tin từ bên ngoài thành dữ liệu máy tính và ngược lại

• Các thiết bị ngoại vi cơ bản:

• Thiết bị vào: bàn phí, chuột,..

• Thiết bị ra: máy in, màn hình,..

• Thiết bị nhớ: đĩa từ, quang,..

• Thiết bị truyền thông: Modem,..



• Hệ thống vào ra (I/O system) (tt)

• Modul vào/ra:

• Chức năng: Kết ghép thiết bị ngoại vi với máy tính

• Mỗi Module có 1 hay nhiều cỗng vào ra.

• Mỗi cổng được đánh địa chỉ xác định

Các thiết bị ngoại vi được kết nối với máy tính thông qua các cổng vào ra (VD: COM, USB, VGA,…)


4.1.2. Các thao tác cơ sở

• Thực hiện chương trình là hoạt động cơ bản của Máy vi tính. Máy tính lặp

đi lặp lại quá trình thực hiện lệnh gồm hai bước cơ bản: Nhận Lệnh (Fetch)

Thực hiện lệnh (Excute)

Thực hiện chương trình dừng khi: Mất nguồn

Gặp lệnh dừng

Gặp tình huấn không giải quyết được (lỗi)



• Chu trình lệnh


Bắt đầu (Begin)

Kết thúc (End)

Nhận lệnh

Thực hiện lệnh

20/05/13 19


• Nhận lệnh – Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ

nhớ chính.

– Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận.

– CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.

– Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register)

– Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.


4.1.2. Các thao tác cơ sở • Minh họa quá trình nhận lệnh


CPU

PC

302

IR

Lệnh

Lệnh

Lệnh i

Lệnh

Lệnh

300

301

302

303

304

Trước khi nhận lệnh i

CPU

PC

303

Lệnh i

IR

Lệnh

Lệnh

Lệnh i

Lệnh i+1

Lệnh

300

301

302

303

304

Sau khi nhận lệnh i

20/05/13 21


• Thực hiện lệnh – Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều

khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu.

– Các kiểu thao tác của lệnh:

• Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính

• Trao đổi dữ liệu giữa CPU và module vào-ra

• Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu

• Điều khiển rẽ nhánh

• Kết hợp các thao tác trên



8 bước thực hiện lệnh của CPU 1. Lấy lệnh kế tiếp từ bộ nhớ vào thanh ghi lệnh IR. 2. Thay đổi bộ đếm chương trình PC để trỏ tới lệnh tiếp sau

nữa. 3. Xác định loại của lệnh vừa lấy (làm gì?). 4. Nếu lệnh sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định xem

nó ở đâu. 5. Lấy dữ liệu (nếu có) vào thanh ghi của CPU. 6. Thi hành lệnh. 7. Cất kết quả vào nơi cần lưu trữ. 8. Trở lại bước 1 để làm lệnh kế.



• Ngắt (Interrupt) – Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương

trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt.

– Các loại ngắt:

• Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0 …

• Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM

• Ngắt do môđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.



• Hoạt động ngắt – Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt. – Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương

trình hiện tại. – Nếu có tín hiệu ngắt:

• Tạm dừng chương trình đang thực hiện • Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị

ngắt) • Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt • Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt • Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh

và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng.


4.1.2. Các thao tác cơ sở • Chu trình lệnh ngắt


4.1.2. Các thao tác cơ sở • Hoạt động ngắt (tt)


4.1.2. Các thao tác cơ sở • Xử lý tính hiệu ngắt

– Cấm ngắt: Bộ xử lý bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý ngắt

– Các ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được thực hiện xong.

– Các ngắt được thực hiện tuần tự nếu cùng thứ tự ưu tiên

– Các ngắt trong máy tính được định nghĩa mức độ ưu tiên khác nhau

– Ngắt có mức ưu tiên thấp có thể bị ngắt bởi ngắt có ưu tiên cao hơn. Vì vậy có thể xảy ra tình trạng ngắt lồng nhau



• Hoạt động vào ra

– Là hoạt động tra đổi dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi với bên trong máy tính

– Các kiểu hoạt động I/O: CPU tra đổi dữ liệu với module vào ra. Module vào ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ



4.2.1. Khái niệm chung về Bus

4.2.2. Cấu trúc đơn Bus

4.2.3. Phân cấp Bus trong máy tính



• Luồng thông tin trong máy tính

Các module trong máy tính:

CPU

Module nhớ

Module vào/ra

Cần liên kết với nhau


4.2. Liên kết hệ thống • Kết nối module nhớ


Module nhớ

Địa chỉ

Dữ liệu

Dữ liệu hoặc lênh

Tín hiệu điều kiển đọc

Tín hiệu điều kiển ghi

20/05/13 32


• Kết nối module nhớ (tt) – Địa chỉ đưa đến để xác định ngăn nhớ

– Dữ liệu được đưa đến khi ghi

– Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không phân biệt lệnh và dữ liệu)

– Nhận các tín hiệu điều kiển:

• Điều khiển đọc

• Điều kiển ghi


4.2. Liên kết hệ thống • Kết nối module vào-ra


Module vào ra

Dữ liệu từ bênh trong

Dữ liệu từ thiết bị ngoại vi

Tín hiệu điều kiển đọc

Tín hiệu điều kiển ghi

Địa chỉ

Dữ liệu đến thiết bị ngoại vi

Dữ liệu đến bênh trong

Các tín hiệu điều kiển TBNV

Các tín hiệu điều kiển ngắt

20/05/13 34

4.2. Liên kết hệ thống • Kết nối module vào-ra (tt)

– Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra

– Ra dữ liệu(Output)

• Nhân dữ liệu từ CPU hoặc từ bộ nhớ chính

• Đưa dữ liêu ra thiết bị ngoại vi

– Vào dữ liệu (Input)

• Nhẫn dữ liệu từ thiết bị ngoại vi

• Đưa dữ liệu và CPU hoặc bộ nhơ chính

– Nhận các tính hiệu điều kiển từ CPU

– Phát các tín hiệu điều kiển đến thiết bị ngoại vi

– Phát các tín hiệu ngắt đến CPU


4.2. Liên kết hệ thống • Kết nối CPU


CPU

Lệnh

Dữ liệu

Các tín hiệu điều

kiển ngắt

Dữ liệu

Địa chỉ

Các tín hiệu điều

kiển bộ nhớ và

vào - ra

20/05/13 36


• Kết nối CPU (tt) – Phát địa chỉ đến các module nhơ hay các

module vào ra

– Đọc lệnh và dữ liệu

– Đưa dữ liệu ra (sau khi xử lý)

– Phát tín hiệu điều kiển đến các module nhớ và các module vào-ra

– Nhận các tín hiệu ngắt


4.2.1 Khái niệm chung về BUS

• Hệ thống liên kết (bus) là tập hợp các đường kết nối giữa các thành phần của máy tính.

• Được dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính với nhau.

• Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu).



• Phân loại BUS

người ta phân loại theo 3 cách sau:

– Theo tổ chức phần cứng.

– Theo nghi thức truyền thông (bus đồng bộ và bus không đồng bộ).

– Theo loại tín hiệu truyền trên bus(bus địa chỉ, bus dữ liệu, bus điều khiển)



• Phân loại theo tổ chức phần cứng

– Trong thế giới máy tính có rất nhiều loại bus khác nhau được sử dụng.

– Các loại bus này nói chung là không tương thích với nhau.

– Sau đây là một số loại bus được dùng phổ biến


Tên BUS Lĩnh vực áp dụng

IPM PC, PC/ AT Máy tính IBM PC, IBM/PC/AT

Multibus I Một số hệ thống có VXL 8086, 8088

Multibus II Một số hệ thống có VXL 80386

Versabus Một số hệ thống dùng VXL Motorola

20/05/13 40


• Phân loại theo truyền thông

– Bus đồng bộ là bus:

• Có đường tín hiệu clock

• Có sự kiện trên bus được xác định bởi xung nhịp clock

– Bus không đồng bộ

• Không có đường tín hiệu Clock

• Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo.


4.2.1 Khái niệm chung về BUS • Phân loại theo truyền thông


Clock (xung nhịp):

T0 - chu kz xung nhịp

Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0

Mỗi thao tác của bộ xử lý cần kT0

T0 càng nhỏ bộ xử lý chạy càng nhanh

Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 2GHz

Ta có f0 = 2 GHz = 2x109Hz

T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns.

20/05/13 42


• Phân loại theo tín hiệu đường truyền



• Bus địa chỉ – Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay

cổng vào-ra (chỉ định nguồn hay đích của dữ liệu có trên đường truyền dữ liệu hay chỉ định các cổng nhập xuất).

– Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống.

– Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit: AN-1, AN-2, ... A2, A1, A0

dung lượng bộ nhớ cực đại là 2N byte (còn gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ) – Ví dụ: Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa chỉ 32 bit

không gian địa chỉ là 232 byte = 4 GB.


20/05/13 44


• Bus dữ liệu – Chức năng:

• Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU

• Vận chuyển dữ liệu giữa CPU, các môđun nhớ và môđun vào-ra.

– Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời.

• M bit: DM-1, DM-2, … D2, D1, D0

• M thường là 8, 16, 32, 64, 128 bit

– Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ liệu là 64 bit.



• Bus điều khiển

– Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển

– Các loại tín hiệu điều khiển:

• Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển môđun nhớ và môđun vào-ra

• Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun vào-ra gửi đến yêu cầu CPU.


20/05/13 46



– Một số tín hiệu điều khiển:

• Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu

• Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định

• I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào-ra có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu

• I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định.


20/05/13 47


• Bus điều khiển – Một số tín hiệu điều khiển (tt):

• Interrupt Request(INTR): tính hiệu từ bộ điều kiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU đễ trao đổi vào-ra. Tính hiệu INTR có thể bị che.

• Interrtupt Acknowledge (INTA): tín hiệu phát ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra

• Non Markable Interrupt(NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến CPU

• Reset: tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính




– Một số tín hiệu điều khiển (tt):

• Bus request (BRQ) hay là Hold tín hiệu từ module điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus.

• Bus Grant(BGT): hay là Hold Acknowledge (HLDA): tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận quyền sử dụng bus

• Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển nhượng bus.

• Unlock: tín hiệu mở khóa cho xin chuyển nhượng bus


4.2.2 Cấu trúc đơn BUS

• Đặc điểm cả cấu trúc đơn BUS

– Bus hệ thống chỉ phục vụ được một yêu cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm

– Bus hệ thống phải có tốc độ bằng tốc độ bus của module nhanh nhất trong hệ thống

– Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus(các tín hiệu) của bộ vử lý Các module nhớ và các module vào-ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý

– Vì vậy cần phải phân cấp bus đa bus


20/05/13 50

4.2.3 Phân cấp BUS


Phân cấp bus trong máy tính:

Bus của bộ xử lý

Bus của bộ nhớ chính

Các bus vào ra

Các phân cấp bus này khác nhau về tốc độ

Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể.

20/05/13 51



20/05/13 52



20/05/13 53

Cấu trúc Pentium II điển hình


20/05/13 54

Cấu trúc Pentium 4


20/05/13 55

Phân xử BUS • Có nhiều hơn một module điều khiển Bus(vd: CPU,

DMA controller…), nhưng tại một thời điểm chỉ duy nhất một module có thể điều kiển bus cần phân xử bus.

• Sự phân xử bus có thể là tập trung hoặc phân tán

– Phân xử tập trung: có một thiết bị phần cứng điều khiển sự truy nhập bus:

• Được gọi là Bộ điều kiển bus(Bus controller) hay Trọng tài Bus (Arbiter)

• Có thể nằm trên CPU hoặc tách riêng

– Phân xử phân tán: mỗi module có thể điều khiển bus, nhưng có sự điều khiển logic trên tất cả module


20/05/13 56

Các BUS điển hình trong PC

• Trong kiến trúc Dual Independent Bus (DIB - hai tuyến bus độc lập), bus hệ thống dùng chung được tách thành: – Frontside Bus (FSB - tuyến bus trước): nhịp cầu quan

trọng nối bộ xử lý với bộ nhớ chính và tuyến bus ngoại vi.

– Backside Bus (BSB - tuyến bus sau): tập trung chuyển tải dữ liệu giữa bộ xử lý với bộ đệm thứ cấp.

Tăng hiệu năng xử lý nhờ cho phép bộ xử lý truy xuất đồng thời trên cả hai kênh giao tiếp quan trọng.


20/05/13 57


• Bus ngoại vi có nhiều dạng khác nhau và dần dần chuyên biệt hóa theo yêu cầu của ứng dụng. – ISA Bus thuộc loại lâu đời nhất và đã bị thay thế hoàn

toàn từ giữa năm 2000.

– PCI Bus được giới thiệu lần đầu trong hệ thống Pentium vào năm 1993.

– AGP là chuẩn bus được thiết kế để đáp ứng yêu cầu băng thông của xử lý đồ họa.

– PCI Express mới nhất có khá nhiều ưu điểm



• Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất.

• Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các module RAM).

• AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng tốc: nối ghép card màn hình tăng tốc.

• PCI bus (Peripheral Component Interconnection) : nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh.

• USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng

• IDE (Integrated Driver Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD, DVD.


20/05/13 59

4.3 Hệ thống vào ra

• Tổng quan về hệ thống vào-ra

• Các phương pháp điều khiển vào-ra

• Nối ghép thiết bị ngoại vi

• Các cổng vào ra thông dụng trên PC


4.3 Tổng quan về hệ thống vào-ra

• Đặc điểm của thiết bị ngoại vi – Tồn tại đa dạng các thiết bị ngoại vi khác nhau về:

• Tốc độ • Khuôn dạng dữ liệu

– Tất cả các thiết bị ngoại vi đều chậm hơn CPU và RAM

Cần có các mô-đun vào/ra để nối ghép các thiết bị ngoại vi với CPU và bộ nhớ chính


20/05/13 61


• Hệ thống vào ra:

– Trao đổi thông tin giữa máy tính và thế giới bên ngoài, bao gồm:

• Các modul vào ra (mạch ghép nối IO): ghép nối giữa CPU và bộ nhớ các TBNV.

• Các TBNV: mạch ghép nối vào ra tổ chức thành các cổng vào ra sao cho mỗi cổng có một địa chỉ xác định


4.3 Tổng quan về hệ thống vào-ra • Chức năng:

– Chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính

• Phân loại:

– Thiết bị ngoại vi giao tiếp người-máy:

• Bàn phím, Màn hình, Máy in,...

– Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy-máy:

• Gồm các thiết bị theo dõi và kiểm tra

– Thiết bị ngoại vi truyền thông:

• Modem, Network Interface Card (NIC)


4.3 Tổng quan về hệ thống vào-ra • Cấu trúc:


Đệm dữ liệu Chuyển đổi thông tin

Logic điều kiển

dữ liệu nhị phân

dữ liệu từ môi trường

ngoài

Module vào ra

20/05/13 64

4.3 Tổng quan về hệ thống vào-ra • Logic điều kiển:

– Nhận tín hiệu điều kiển của CPU

– Phát tín hiệu điều kiển TBNV

– Phát tín hiệu trạng thái báo cho CPU biết trạng thái của TBNV

• Đệm dữ liệu:

– Chứa tạm thời dữ liệu trao đổi giữa TBNV và Modul vào ra.

• Chuyển đổi tín hiệu:

– Chuyển tín hiệu ở dạng phi điện năng thành tín hiệu điện năng



• Modul vào ra – Cấu trúc


Thanh ghi dữ liệu

Thanh ghi điều kiển và trạng thái

Logic điều kiển

Cổng IO

Cổng IO

Dữ liệu

Điều kiển

trạng thái

Dữ liệu

Điều kiển

trạng thái

Dữ liệu

Địa chỉ

điều kiển

20/05/13 66


• Chức năng:

– Điều kiển và định thời gian cho quá trình trao đổi

– Trao đổi thông tin với CPU

– Trao đổi thông tin với TBNV

– Đệm dữ liệu

– Phát hiện lỗi



• 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: 2N địa chỉ

• Ví dụ: một số bộ xử lý của Motorola



• Một số bộ xử lý quản lý hai không gian địa chỉ tách biệt: – Không gian địa chỉ bộ nhớ: 2N địa chỉ – Không gian địa chỉ vào/ra: 2N1 địa chỉ – Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không

gian địa chỉ – Tập lệnh có các lệnh vào/ra chuyên dụng

• Ví dụ: Pentium (Intel) – Không gian địa chỉ bộ nhớ = 232 byte = 4GB – Không gian địa chỉ vào/ra = 216 byte = 64KB – Lệnh vào/ra chuyên dụng: IN, OUT



• Địa chỉ hóa cổng vào ra:

– Địa chỉ hóa tác biệt (vào ra trực tiếp): không gian địa chỉ cổng độc lập với không gian địa chỉ nhớ

– Địa chỉ hóa theo bản đồ bộ nhớ: không gian địa chỉ cổng vào ra nằm trong không gian địa chỉ bộ nhớ


20/05/13 71


• Vào/ra riêng biệt – Cổng vào/ra được đánh địa chỉ theo không gian

địa chỉ vào/ra riêng, tách biệt với không gian địa chỉ của bộ nhớ

– CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào/ra thông qua các lệnh vào/ra chuyên dụng (IN, OUT)

– Chỉ có thể thực hiện trên các hệ thống có quản lý không gian địa chỉ vào/ra riêng biệt


20/05/13 72

4.3 Tổng quan về hệ thông vào-ra

• Vào/ra theo bản đồ bộ nhớ – Cổng vào/ra và bộ nhớ có chung không gian địa

chỉ

– Vào/ra giống như đọc/ghi bộ nhớ

– CPU trao đổi dữ liệu với cổng vào/ra thông qua các lệnh truy nhập dữ liệu bộ nhớ

– Có thể thực hiện trên mọi hệ thống


20/05/13 73


• Người lập trình có thể can thiệp vào nội dung của các cổng và thanh nghi điều kiển trạng thái

• Nội dung thanh ghi trạng thái sẽ quyết định chế độ làm việc của các cổng


4.3.2. Các phương pháp điều khiển vào-ra

• Vào/ra bằng chương trình (Programmed IO) • Vào/ra điều khiển bằng ngắt (Interrupt Driven IO) • Vào/ra bằng cách truy nhập bộ nhớ trực tiếp – DMA

(Direct Memory Access)



• Vào/ra bằng chương trình (Programmed IO)

– Là phương pháp vào/ra đơn giản nhất

– Sử dụng trong các hệ vi xử lý cần giá thành thấp

– CPU điều khiển trực tiếp vào/ra bằng chương trình cần phải lập trình vào/ra

– Nguyên tắc chung:

• CPU thực hiện một vòng lặp để kiểm tra trạng thái sẵn sàng làm việc của thiết bị ngoại vi trước khi thực hiện vào/ra dữ liệu



• Các tín hiệu điều khiển vào/ra – Tín hiệu điều khiển (Control): tác động tới TBNV và yêu

cầu những việc TBNV phải làm – Tín hiệu kiểm tra (Test): kiểm tra trạng thái của module

vào/ra và thiết bị ngoại vi – Tín hiệu điều khiển đọc (Read): yêu cầu module vào/ra

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 module vào/ra lấy dữ liệu trên bus dữ liệu đưa đến thanh ghi đệm dữ liệu rồi chuyển ra thiết bị ngoại vi



• Các lệnh vào/ra

– Với vào/ra riêng biệt: sử dụng các lệnh vào/ra chuyên dụng (IN, OUT)

– Với vào/ra theo bản đồ bộ nhớ: sử dụng các lệnh trao đổi dữ liệu với bộ nhớ.



• Hoạt động của vào/ra bằng chương trình – CPU yêu cầu thao tác vào/ra

– Mô-đun vào/ra thực hiện thao tác

– Mô-đun 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 mô-đun vào/ra



• Đặc điểm

– Vào/ra do ý muốn của người lập trình

– CPU trực tiếp điều khiển vào/ra

– CPU đợi mô-đun vào/ra tiêu tốn thời gian của CPU



• Vào ra điều kiển bằng ngắt • Nguyên tắc chung:

– 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



• Chuyển điều khiển đến chương trình con ngắt



• Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ CPU – CPU phát tín hiệu điều khiển đọc – CPU làm việc khác – Cuối mỗi chu trình lệnh, CPU kiểm tra tín hiệu

ngắt – Nếu bị ngắt:

• Cất ngữ cảnh • Thực hiện chương trình con ngắt để vào dữ liệu • Khôi phục ngữ cảnh của chương trình đang

thực hiện



• Hoạt động vào dữ liệu: nhìn từ mô-đun vào/ra

– Mô-đun vào/ra nhận tín hiệu điều khiển đọc (Read) từ CPU

– Mô-đun vào/ra nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi, trong khi đó CPU làm việc khác

– Khi đã có dữ liệu, mô-đun vào/ra phát tín hiệu ngắt CPU

– CPU yêu cầu dữ liệu, mô-đun vào-ra chuyển dữ liệu đến CPU



• Đặc điểm của vào/ra điều khiển bằng ngắt

– CPU trực tiếp điều khiển vào/ra

– CPU không phải đợi mô-đun vào/ra hiệu quả sử dụng CPU tốt hơn



• DMA (Direct Memory Access) – Vào/ra bằng chương trình và bằng ngắt do CPU

trực tiếp điều khiển: • Chiếm thời gian của CPU • Tốc độ truyền bị hạn chế vì phải chuyển qua

CPU – Để khắc phục dùng DMA

• Thêm mô-đun phần cứng trên bus DMAC (Controller)

• DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa môđun vào/ra với bộ nhớ chính


20/05/13 86


• Sơ đồ cấu trúc của DMAC



• Hoạt động DMA – CPU “nói” cho DMAC

• Vào hay Ra dữ liệu • Địa chỉ thiết bị vào-ra (cổng vào-ra tương ứng) • Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu nạp vào thanh ghi

địa chỉ • Số từ dữ liệu cần truyền nạp vào bộ đếm dữ liệu

– CPU làm việc khác – DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu – Sau khi truyền được một từ dữ liệu thì:

• Nội dung thanh ghi địa chỉ tăng • Nội dung bộ đếm dữ liệu giảm

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



• Đặc điểm của DMA

– CPU không tham gia trong quá trình trao đổi dữ liệu

– DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa bộ nhớ chính với mô-đun vào-ra (hoàn toàn bằng phần cứng) tốc độ nhanh

– Phù hợp với các yêu cầu trao đổi mảng dữ liệu có kích thước lớn


4.3.3 Ghép nối máy tính với TBNV

• Các kiểu nối ghép vào/ra

– Nối ghép song song

– Nối ghép nối tiếp


4.3 Ghép nối máy tính với TBNV

• Ghép nối song song

– Nguyên tắc: các cửa vào ra được ghép nói trực tiếp với bộ xử lí, ghép nối song song điều kiển bằng chương trình(PPI: programable peripheral inteface)



• Nối ghép song song



• Nối ghép song song

– Đặc điểm

• Truyền nhiều bit song song

• Tốc độ nhanh

• Cần nhiều đường truyền dữ liệu



• Nối ghép nối tiếp



• Nối ghép nối tiếp

– Đặc điểm • Truyền lần lượt từng bit

• Cần có bộ chuyển đổi từ dữ liệu song song sang nối tiếp và ngược lại

• Tốc độ chậm hơn

• Cần ít đường truyền dữ liệu



• Các cấu hình nối ghép – Điểm tới điểm (Point to Point)

• Thông qua một cổng vào/ra nối ghép với một thiết bị ngoại vi

– Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint) • Thông qua một cổng vào/ra cho phép nối ghép

được với nhiều thiết bị ngoại vi • Ví dụ: • SCSI (Small Computer System Interface): 7 hoặc 15 thiết bị • USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị • IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị


4.3.4 Các cổng vào ra thông dụng trên PC

– Các cổng PS/2: nối ghép bàn phím và chuột

– Cổng nối ghép màn hình

– Cổng LPT (Line Printer): nối ghép với máy in, là cổng song song (Parallel Port) – 25 chân

– Cổng COM (Communication): nối ghép với MODEM, là cổng nối tiếp (Serial Port) - 9 hoặc 25 chân

– Cổng USB (Universal Serial Bus): Cổng nối tiếp đa năng, cho phép nối ghép tối đa 127 thiết bị, nhờ các USB Hub


4.3.4 Các cổng vào ra thông dụng trên PC

– HDMI(High-Definition Multimedia Interface)

– DVI (Digital Visual Interface)


Một số hình ảnh về cổng I/O














Chương 4 - lamhongs.files.wordpress.com€¦ · –ộ nhớ được đánh địa chỉ cho các ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của chúng. –Máy tính thực

Documents