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)
 Chức năng: trao đổi dữ liệu giữa máy 
tính với bên ngoài
 Kết nối với máy tính qua module vào/ra 
(module I/O)
 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: màn hình, máy in,...
 Máy đọc được: ổ cứng, cảm biến, băng từ,...
 Truyền thông: 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 với module I/O:
 Tín hiệu điều khiển - Control signal: xác định chức năng mà thiết bị sẽ
thực hiện: 
 READ: yêu cầu thiết bị gửi dữ liệu vào module I/O (INPUT)
 WRITE: yều cầu thiết bị nhận dữ liệu từ module I/O (OUTPUT)
 Các tín hiệu điều khiển đặc biệt
 Dữ liệu – Data: một tập các bit được gửi đến hoặc đi từ module I/O. 
 Tín hiệu trạng thái - Status signal: cho biết trạng thái của thiết bị. Ví dụ: 
 READY: thiết bị sẵn sàng cho việc truyền dữ liệu.
 NOT-READY: không sẵn sàng 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.
 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 
chuyển 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 chuyển 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 và báo cáo lỗi
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
+
Ví dụ
Bộ xử lý 680x0 của Motorola : quản lý một không 
gian địa chỉ chung cho cả bộ nhớ và I/O.
Bộ xử lý Intel Pentium:
 Không gian địa chỉ bộ nhớ = 232 địa chỉ
 Không gian địa chỉ vào-ra = 216 địa chỉ
 Tín hiệu điều khiển: M/IO
 Lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT
+ 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 thời gian xử lý
 I/O điều khiển ngắt
 Bộ vi xử lý ra lệnh I/O sau đó tiếp tục thi hành các lệnh tiếp theo trong
chương trình.
 Khi module I/O hoàn thành công việc, nó sẽ gửi tín hiệu yêu cầu ngắt đến
VXL.
 Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)
 Module I/O và bộ nhớ chính trực tiếp trao đổi dữ liệu mà không có sự 
tham gia của bộ vi xử lý
+Các kỹ thuật I/O
+ a. Kỹ thuật I/O chương trình
Khi cần thực hiện một tác vụ vào/ra:
 VXL thực thi một chương trình và gửi lệnh đến module I/O 
tương ứng
 Module I/O nhận yêu cầu, thiết lập các bit trạng thái trên thanh 
ghi trạng thái
 CPU định kỳ kiểm tra trạng thái của module I/O
 Chưa sẵn sàng thì tiếp tục định kỳ kiểm tra
 Đã sẵn sàng, thiết lập việc truyền dl đến module I/O
+ a. Các lệnh I/O – I/O command (từ 
VXL đến module I/O)
Để thực thi một lệnh vào/ra, VXL thực hiện công việc sau:
- Đặt địa chỉ lên bus địa chỉ: định ra module I/O và TBNV cụ thể
- Đưa các mệnh lệnh vào/ra: Thiết lập các đường điều khiển trong bus 
điều khiển. Có 4 loại mệnh lệnh vào/ra:
1) Control: kích hoạt một thiết bị ngoại vi và chỉ định nó phải làm gì
2) Test: kiểm tra các điều kiện trạng thái liên quan đến một module I/O và 
các thiết bị ngoại vi: TBNV bật hay tắt, hoạt động I/O đang thực hiện đã 
xong chưa, có lỗi gì
3) Read: yêu cầu đọc dữ liệu từ TBNV vào VXL
- Module I/O lấy dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và đặt nó vào bộ đệm bên trong đặt dữ 
liệu vào bus cho CPU
4) Write: yêu cầu ghi dữ liệu ra TBNV
- Module I/O lấy dữ liệu từ bus dữ liệu rồi chuyển dữ liệu đó đến thiết bị ngoại vi
+Ví dụ: Hoạt 
động đọc 
(READ) từ thiết 
bị ngoại vi vào 
RAM
+
b. I/O điều khiển ngắt 
Vấn đề với I/O chương trình là bộ xử lý phải đợi một thời 
gian dài để module I/O sẵn sàng cho việc nhận hoặc 
truyền dữ liệu
Giải pháp thay thế là bộ vi xử lý ra lệnh I/O cho module, 
sau đó thực hiện các việc khác. 
Khi module I/O sẵn sàng trao đổi dữ liệu với VXL, nó sẽ 
gửi tín hiệu ngắt đến VXL
Bộ xử lý thực hiện việc truyền dữ liệu và tiếp tục quá trình 
xử lý trước đó
+
Cơ chế làm việc
 VXL đưa ra lệnh READ.
 Sau đó thực hiện các công việc
khác (vd: trong trường hợp có
nhiều CT đang chạy tại một thời
điểm)
 Sau mỗi chu kỳ lệnh, VXL sẽ
kiểm tra xem có tín hiệu yêu
cầu ngắt được gửi tới
 Nếu có, VXL lưu trữ nội dung 
đang thực hiện và xử lý ngắt
 VXL nhận dữ liệu từ bus lưu trữ
vào bộ nhớ và tiếp tục chương
trình
 Nhận lệnh READ từ VXL
 Đọc dữ liệu vào từ TBNV tương 
ứng
 Khi dữ liệu được đưa vào thanh 
ghi dữ liệu, module gửi tín hiệu 
yêu cầu ngắt đến VXL và chờ 
đợi tín hiệu yêu cầu dữ liệu từ 
VXL.
 Khi có tín hiệu đó, module đặt 
dữ liệu vào bus và sẵn sàng để 
thực hiện các hoạt động I/O 
khác
Từ phía VXL Từ phía module I/O
+
Cơ chế xử lý ngắt
 Thiết bị phát tín hiệu ngắt cho 
bộ xử lý
 Bộ xử lý hoàn thành lệnh hiện 
tại Kiểm tra thấy có y/c ngắt 
 gửi ACK báo đã nhận ngắt.
 Chuyển sang chế độ phục vụ 
ngắt: lưu trữ nội dung các 
thanh ghi vào vùng ngăn xếp 
của RAM (hình trang sau)
 Tải trình điều khiển ngắt: đặt 
địa chỉ đầu tiên của trình này 
vào thanh ghi PC thực hiện 
hoạt động vào/ra
 Sau khi thực hiện xong hoạt động 
vào/ra, CPU khôi phục lại công 
việc đang thực hiện
 Nạp lại nội dung từ vùng ngăn 
xếp vào các thanh ghi: PSW, PC
 Khôi phục lại luồng điều khiển
VXL nhận được yêu cầu ngắt VXL thực hiện xong yêu cầu ngắt
+a. Quá trình 
chuyển sang 
chế độ phục 
vụ ngắt
b. Khôi phục 
lại luồng 
điều khiển 
sau khi thực 
hiên yêu cầu 
ngắt xong
Hai vấn đề phát sinh
Hai vấn đề thiết kế phát sinh khi thực hiện I/O điều 
khiển ngắt:
1. Nhận diện thiết bị: Bởi vì sẽ có nhiều module I/O, khi có 
một yêu cầu ngắt gửi tới, bộ vi xử lý sẽ xác định thiết bị 
đưa ra yêu cầu ngắt bằng cách nào?
2. Xác định ưu tiên. Nếu xảy ra nhiều ngắt cùng một thời 
điểm, VXL lựa chọn ngắt nào để xử lý?
+ 1. Nhận diện thiết bị
 Nhiều đường ngắt
 Sử dụng nhiều đường ngắt giữa VXL và các module I/O dễ 
dàng xác định thiết bị
 Không thực tế do kỹ thuật này làm tăng số đường bus và các chân 
của VXL. Thêm vào đó, vẫn phải có nhiều module I/O nối với một 
đường vẫn cần một trong ba kỹ thuật còn lại
Bốn loại kỹ thuật chung được sử dụng phổ biến:
+  Thăm dò phần mềm 
 Khi bộ xử lý phát hiện ra một ngắt, nó thực thi một phần mềm 
thăm dò:
 Thực hiện lệnh thăm dò (vd: lệnh TEST I/O) tới từng 
module I/O (thông qua địa chỉ) Module I/O sẽ trả lời nếu 
nó đưa ra y/c ngắt.
 Hoặc thực hiện lệnh đọc thanh ghi trạng thái của từng 
module để phát hiện module y/c ngắt
 Nhược điểm: Tốn thời gian
+
 Chuỗi Daisy (thăm dò phần cứng, vector)
 Tất cả các module I/O sử dụng chung một đường yêu cầu ngắt 
(INTR)
 Đường nhận biết ngắt (INTA) được nối chuỗi qua các module
 Khi VXL nhận được y/c ngắt, nó sẽ gửi lại một tín hiệu ACK qua 
đường INTA 
 T/h này truyền qua các module I/O đến khi gặp module y/c ngắt. 
Module này trả lời bằng cách đặt một word lên bus dữ liệu:
được gọi là vector ngắt (chứa thông tin địa chỉ của module I/O 
hoặc mã nhận dạng thiết bị khác).
 VXL sử dụng vector này trỏ tới trình phục vụ ngắt tương ứng 
của thiết bị ngắt vector
+
 Phân xử bus (cũng sử dụng vector ngắt)
 Sử dụng cơ chế cho phép một module I/O chiếm quyền sử 
dụng bus rồi mới gửi yêu cầu ngắt
 Khi bộ xử lý phát hiện ra ngắt, nó trả lời trên đường ACK.
 Module I/O đặt vector ngắt của nó lên các đường dữ liệu
 VXL sử dụng vector này trỏ tới trình phục vụ ngắt tương ứng 
của TB
+
2. Xác định ưu tiên
Các phương pháp nhận diện thiết bị đồng thời cho 
phép xác định độ ưu tiên của các TB khi có nhiều 
yêu cầu ngắt cũng một thời điểm:
 Nhiều đường ngắt: VXL sẽ chọn đường có độ ưu tiên 
cao hơn để xử lý trước
 Thăm dò phần mềm: thứ tự thăm dò các thiết bị được 
sắp xếp theo độ ưu tiên
 Chuỗi daisy: tương tự thăm dò phần mềm
 Phân xử bus: cơ chế phân xử bus đã có phân xử theo 
độ ưu tiên
+
Ví dụ
 Kiến trúc dòng 
máy sử dụng 
chip Intel 
80386: thực 
hiện việc điều 
khiển ngắt 
thông qua vi 
điều khiển Intel 
82C59A
+
c. Truy cập bộ nhớ trực tiếp - DMA
Nhược điểm của I/O chương trình và I/O điều khiển ngắt: 
VXL thay gia vào hầu hết chu trình truyền/nhận dữ liệu 
giữa TBNV và BN
1) Tốc độ truyền I/O bị giới hạn bởi tốc độ kiểm tra và 
phục vụ thiết bị của bộ xử lý
2) Bộ xử lý gắn với việc quản lý truyền I/O; Một số chỉ lệnh 
phải được thực hiện cho mỗi lần truyền I/O 
Khi khối lượng dữ liệu lớn được di chuyển, một kỹ 
thuật hiệu quả hơn là truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)
+
+
+
+
+
+
+
+
+ Chức năng DMA
 DMA bao gồm một module bổ sung trên hệ thống bus. 
 Module DMA có khả năng thực hiện việc điều khiển việc truyền/nhận dữ liệu 
thay cho VXL
 Module DMA chỉ sử dụng bus khi VXL không cần đến nó hoặc buộc VXL 
phải tạm ngừng hoạt động để chiếm bus. Kỹ thuật thứ hai là phổ biến hơn.
Quá trình đọc/ghi dữ liệu sử dụng DMA
 Khi cần đọc/ghi dữ liệu, VXL gửi đến module DMA các thông tin sau:
 Yêu cầu đọc/ghi: đường điều khiển
 Địa chỉ TBNV: đường dữ liệu
 Vị trí bộ nhớ bắt đầu để lưu trữ dữ liệu: đường dữ liệu và lưu trữ trên 
thanh ghi địa chỉ
 Số lượng word được đọc/ghi: đường dữ liệu, lưu trữ trên thanh ghi data 
count
 VXL thực hiện công việc khác, DMA thực hiện việc truyền giữa BN và 
TBNV
 Sau khi hoàn thành, DMA gửi tín hiệu ngắt cho VXL
 VXL chỉ tham gia vào thời điểm bắt đầu và kết thúc việc truyền tin
+Sơ đồ module 
DMA điển hình
+ Chu kỳ DMA
DMA
 Khi có yêu cầu bus từ DMA, VXL phải tạm thời “treo” để 
nhường bus cho DMA. 
 Do không phải là ngắt nên VXL chỉ tạm dừng trong một chu kỳ 
bus
 DMA cũng làm cho VXL bị chậm hơn, tuy nhiên, khi truyền một 
lượng lớn dữ liệu thì DMA hiệu quả hơn nhiều so với 2 kỹ thuật 
còn lại
+
c. Cấu hình DMA
 Cấu hình DMA: tất cả các module chia sẻ chung bus hệ thống
 Module DMA điều khiển việc truyền dữ liệu giữa I/O và memory trong 
hai chu kỳ bus
 Cấu hình có chi phí thấp nhưng rõ ràng không hiệu quả
+ DMA giao tiếp với I/O không qua bus hệ thống: giảm được chu kỳ bus
 DMA chỉ chiếm bus hệ thống khi cần trao đổi dữ liệu với bộ nhớ 
chính
+
d. Bộ điều khiển DMA Intel 8237
8237 DMA 
Cách sử dụng Bus Hệ thống
+
d. Bộ điều khiển DMA Fly-By
Bảng 7.2 
Thanh ghi 
Intel 
8237A
E/D = enable/disable TC = terminal count
+ 6. VXL và các kênh I/O
1. CPU trực tiếp điều khiển một thiết bị ngoại vi.
2. Thêm vào Một bộ điều khiển hoặc module I/O. CPU sử dụng I/O lập 
trình, không có ngắt.
3. Cấu hình tương tự như bước 2, nhưng có sử dụng ngắt. CPU không 
phải tốn nhiều thời gian chờ đợi một hoạt động I/O được thực hiện, do 
đó tăng hiệu quả.
4. Module I/O được truy cập trực tiếp tới bộ nhớ qua DMA. Nó có thể di 
chuyển một khối dữ liệu đến/từ bộ nhớ mà không liên quan đến CPU, 
ngoại trừ khi bắt đầu và kết thúc quá trình truyền.
5. Module I/O được tăng cường để trở thành một bộ xử lý theo quyền 
riêng của nó, với một tập hợp chỉ lệnh dành riêng cho I/O
6. Module I/O có bộ nhớ cục bộ riêng và trên thực tế là một máy tính theo 
quyền riêng của nó. Với kiến trúc này, có thể kiểm soát một tập hợp lớn 
các thiết bị I/O với sự tham gia tối thiểu của CPU.
a. Sự phát triển của chức năng I/O qua các thời kỳ
I/O channel
+Kiến trúc 
I/O channel
+
Review Questions
1. Liệt kê ba loại thiết bị ngoại vi (thiết bị ngoài).
2. IRA - International Reference Alphabet là gì?
3. Các chức năng chính của module I/O là gì?
4. Trình bày ba kỹ thuật để thực hiện I/O.
5. Sự khác nhau giữa I/O ánh xạ bộ nhớ và I/O riêng biệt là 
gì?
6. Khi một ngắt được gửi đến VXL, bộ xử lý xác định thiết bị 
đã yêu cầu ngắt như thế nào?
7. Trong khi một module DMA chiếm quyền điều khiển bus
VXL làm gì?