Architektura komputerów

Tydzień 11

Wejście - wyjście

Urządzenia zewnętrzne

●

Wyjściowe

–

monitor

–

drukarka

●

Wejściowe

–

klawiatura, mysz

–

dyski, skanery

●

Komunikacyjne

–

karta sieciowa, modem

Urządzenie zewnętrzne

Układy

logiczne

sterowania

Bufor

Przetwornik

Sygnały 

sterowania z 

układu wejścia-

wyjścia

Sygnały stanu 
do układu 
wejścia-
wyjścia

Dane do i z 
układu 
wejścia-
wyjścia

Dane (specyficzne dla 
urządzenia) kierowane 
do i z otoczenia

Funkcje układu 

wejścia-wyjścia

●

sterowanie i taktowanie

●

komunikacja z procesorem

●

komunikacja z urządzeniem

●

buforowanie danych

●

wykrywanie błędów

Sterowanie i taktowanie

●

Układ wejścia–wyjścia musi koordyować 
przepływ informacji między zasobami 
wewnętrznymi a urządzeniami 
zewnętrznymi.

●

Może być potrzebny oddzielny zegar 
taktujący przesyłanie danych do/z 
urządzenia zewnętrznego.

●

Sygnały sterujące sprawdzają i 
ustawiają odpowiedni stan urządzenia.

Komunikacja z procesorem

●

Dekodowanie rozkazów od procesora.

●

Przesyłanie danych (poprzez magistralę 
systemową).

●

Przesyłanie informacji o stanie 
urządzenia.

●

Rozpoznawanie adresu. Każde 
urządzenie wejścia-wyjścia ma swój 
unikalny adres, który go identyfikuje.

Komunikacja z urządzeniem

●

Buforowanie danych. Urządzenia 
wyjściowe z reguły są dużo wolniejsze 
niż pamięć/magistrala systemowa, w 
związku z czym dane muszą być 
przechowane w buforze do momentu, 
kiedy urządzenie będzie w stanie je 
wykorzystać.

●

Wykrywanie błędów. Różne sytuacje 
wyjątkowe muszą być wykryte i 
zasygnalizowane.

Schemat blokowy układu I/O

Rejestry danych

Rejestry stanu/sterowania

Układy

logiczne

interfejsu z

urządzeniem

zewnętrznym

Układy

logiczne

interfejsu z

urządzeniem

zewnętrznym

Układy

logiczne

we-wy

Linie

danych

Linie

adresowe

Linie

sterowania

Dane

Stan

Sterowanie

Dane

Stan

Sterowanie

Interfejs z

magistralą

systemową

Interfejs z

urzędzeniem

zewnętrznym

{

{

Realizacja operacji we-wy

●

Programowane wejście-wyjście: 
wszystkim steruje procesor

●

Wejście-wyjście sterowane 
przerwaniamu: procesor zajmuje się 
obsługą urządzeń, które zgłaszają stan 
przerwaniami.

●

Bezpośredni dostęp do pamięci (DMA): 
dene wymieniane między pamięcią i 
urządzeniem bez pośrednictwa 
procesora.

Programowane 

wejście-

wyjście

Wydaj układowi

we-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

 układu we-wy

Odczytaj słowo w

układzie we-wy

Zapisz słowo

w pamięci

Sprawdź

stan

Wykonane?

Nie
gotowy

Nie

Tak

Gotowy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

Warunek 
błędu

Wejście-

wyjście 

sterowane 

przerwaniami

Wydaj układowi

we-wy rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

 układu we-wy

Odczytaj słowo w

układzie we-wy

Zapisz słowo

w pamięci

Sprawdź

stan

Wykonane?

Warunek 
błędu

Nie

Tak

Gotowy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

CPU

we-wy

Wykonaj inną 
czynność

Przerwanie

Bezpośredni 

dostęp do 

pamięci

Wydaj układowi

DMA rozkaz

odczytu

Odczytaj stan

 układu DMA

CPU

DMA

CPU

DMA

Wykonaj inną 
czynność

Przerwanie

Przetwarzanie przerwań

1.Urządzenie wysyła sygnał przerwania.
2.Procesor kończy wykonywanie bieżącego 

rozkazu.

3.Procesor sprawdza, czy wystąpiło 

przerwanie. Wysyła do urządzenia sygnał 

potwierdzenia.

4.Procesor przygotowuje się do obsłużenia 

przerwania:

a)zachowuje stan procesora na stosie;
b)ładuje do licznika rozkazów adres programu 

obsługi przerwania.

Przetwarzanie przerwań cd.

5.Procesor przechodzi do fazy pobierania 

następnej instrukcji i ładuje pierwszą 

instrukcję programu obsługi przerwania.

6.Programu obsługi przerwania zachowuje 

zawartość rejestrów procesora.

7.Przetwarzanie przerwania:

a)zbadanie stanu operacji wejścia-wyjścia
b)wysłanie dodatkowych rozkazów lub 

potwierdzeń

8.Odtworzenie stanu zachowanych rejestrów.
9.Powrót do głównego programu: procecsor 

odtwarza zachowany wcześniej stan.

Wady

Wady programowanego i sterowanego 

przerwaniami wejścia-wyjścia:

●

Szybkość transferu ograniczona 
szybkością, z jaką procesor może 
testować i obsługiwać urządzenie.

●

Procesor jest zajęty przesyłaniem 
danych, co zajmuje jego czas, który 
mógłby być przeznaczony na obliczenia 
i przetwarzanie danych.

Działanie DMA

●

Dodatkowy układ DMA przejmuje od 
procesora sterowanie urządzeniami 
wejścia-wyjścia i ma bezpośredni 
dostęp do pamięci.

●

Procesor wydaje rozkazy układowi 
DMA, podając informacje:

–

rodzaj operacji: odczyt lub zapis

–

adres urządzenia wejścia-wyjścia

–

adres pamięci przeznaczonej dla operacji

–

liczbę bajtów (słów) do 

odczytania/zapisania

Pojedyncza magistrala, 

odłączalne DMA

Procesor

Układ 

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

Wszystkie układy używają wspólnej magistrali 

systemowej.

Pojedyncza magistrala, 

zintegrowane DMA z 

wejściem-wyjściem

Procesor

Układ 

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

we-wy

Układ 

DMA

Magistrala wejścia-wyjścia

Procesor

Układ 

DMA

we-wy

we-wy

Pamięć

we-wy

Interfejs zewnętrzny

Bufor

Układ we-wy

D

o

 m

ag

is

tr

al

i 

sy

st

em
o

w

ej

D

o

 u

rz

ąd

z

en
ia

 

z

ew
n

ęt

rz

n

eg

o

Bufor

Układ we-wy

D

o

 m

ag

is

tr

al

i 

sy

st

em
o

w

ej

D

o

 u

rz

ąd

z

en
ia

 

z

ew
n

ęt

rz

n

eg

o

Interfejs szeregowy

Interfejs równoległy

Interfejsy równoległe

●

Port równoległy PC (drukarki)

●

Interfejs IDE (dyski, napędy CD i DVD)

●

Interfejs SCSI (dyski, napędy CD, 
streamery, skanery)

Zalety: duża szybkość transferu przy 

niewielkiej częstotliwości magistrali.

Wady: wiele kabli do przesyłania danych 

zwiększa koszt kabli. Interferencja 
między przewodami ogranicza długość.

Interfejsy szeregowe

●

Port szeregowy RS-232, PS/2 i inne 
(klawiatura, myszka, drobne urządzenia 
wejściowe i wyjściowe)

●

USB (jw. oraz skanery, drukarki i inne)

●

IEEE 1394 firewire (dyski, kamery)

Zalety: niski koszt kabli dzięki małej 

ilości przewodów danych oraz 
zwiększona maksymalna długość.

Wady: w celu uzyskania dużego transferu 

wymagana jest wysoka częstotliwość.