Architektura Komputerów/Wykład 14: Wejście-wyjście

---

---

---

Port wejściowy lub wyjściowy jest w modelu programowym widziany tak samo lub podobnie, jak lokacja pamięci. W większości architektur porty są odwzorowane w przestrzeni adresowej pamięci. W niektórych architekturach, np. w x86, porty urządzeń zewnętrznych są dostępne w oddzielnej przestrzeni adresowej, na której operują specjalne instrukcje procesora – tzw. instrukcje wejścia-wyjścia.

---

Rysunek przedstawia schemat – model logiczny pojedynczej komórki pamięci, który nie ma bezpośredniego odwzorowania w sprzętowej realizacji układów pamięci. Adres wystawiony przez procesor służy do wygenerowania sygnału wyboru konkretnej komórki pamięci. Zapis danej polega na wytworzeniu na podstawie sygnału wyboru komórki i sygnału zapisu sygnału zapisu do wybranej komórki, który powoduje zapamiętanie bieżącego stanu szyny danych w rejestrze typu D. Przy odczycie danych sygnał wyboru komórki ziloczynowany z sygnałem żądania odczytu powoduje otwarcie bufora trójstanowego (wzmacniacza), a tym samym podanie stanu zapamiętanego w komórce na szynę danych. Przy nieaktywnym stanie sygnału włączającego bufor jest wyłączony i nie steruje szyny.

---

Aby uzyskać port wejściowy i wyjściowy, wystarczy zrealizować tylko część komórki pamięci, a brakującą część zastąpić wyjściem lub wejściem sygnału zewnętrznego. Rysunek przedstawia port wyjściowy i wejściowy, uzyskane z „przecięcia” pokazanej wcześniej komórki pamięci. Wyjście elementu pamiętającego steruje diodą świecącą jako urządzeniem wyjściowym. Wejście jest połączone z przyciskiem. Odczyt danej z portu wejściowego zwraca stan wciśnięcia przycisku.

---

---

W praktyce komputer steruje na ogół znacznie bardziej złożonymi urządzeniami zewnętrznymi. Przykładem średnio skomplikowanego urządzenia może być drukarka wyposażona w interfejs Centronics. Drukarka jest połączona z komputerem kablem, przesyłającym 17 sygnałów.

---

Sygnały nStrobe, Busy i Ack służą do synchronizacji transmisji danych po liniach Data. Sygnały Perror, Select i nFault sygnalizują komputerowi stan drukarki. Sygnał nInit służy do inicjowania drukarki przez komputer. Sygnały nSelectIn i nAutoFd służą do sterowania trybem pracy drukarki.

---

Diagram ilustruje sekwencję zdarzeń podczas typowej transmisji danych. Przyjęto, że drukarka jest w stanie normalnej pracy (brak błędów) i jedyna interakcja z komputerem dotyczy przesyłania danych do wydrukowania. Protokół Centronics wymaga ważności danych tylko podczas aktywnego (niskiego) stanu sygnału nStrobe.

---

Sterownik interfejsu Centronics zajmuje trzy jednobajtowe lokacje w przestrzeni adresowej procesora. Poszczególne sygnały z komputera do drukarki są wyprowadzone z poszczególnych bitów rejestru sterowania, a sygnały z drukarki do komputera wchodzą na kolejne bity portu stanu drukarki.

---

W porównaniu ze współpracą procesora z pamięcią transmisja danych do i z urządzeń zewnętrznych jest o tyle bardziej skomplikowana, że nie może zachodzić w dowolnym momencie, lecz jedynie wtedy, kiedy urządzenie jest gotowe do przyjęcia danej lub do udostępnienia danej komputerowi. Do synchronizacji z urządzeniem służą sygnały synchronizacji transmisji – w przypadku drukarki są to linie Busy, nAck i nStrobe. Istnieją trzy metody synchronizacji, o zróżnicowanych kosztach implementacji i wydajności.

---

Metoda aktywnego oczekiwania nie wymaga żadnych nakładów sprzętowych. Cała synchronizacja transmisji jest osiągana na drodze programowej, poprzez testowania stanu sygnałów gotowości i ustawianie sygnałów sterujących transmisją danych. Przedstawiona procedura programowej obsługi drukarki zapewnia transmisję pojedynczych bajtów do drukarki. Porty sterownika drukarki są oznaczone nazwami symbolicznymi (wielkie litery) i traktowane prze kompilator jak zmienne w programie. Szczegółowy sposób ich deklaracji zależy od kompilatora. Należy zauważyć, że na poziomie języka C muszą to być obiekty klasy volatile.

---

---

Obsługa z użyciem przerwań korzysta z mechanizmu sytuacji wyjątkowych – zdarzeń obsługiwanych przez system operacyjny. Szczegółowa realizacja tego mechanizmu w systemie operacyjnym jest dużo bardziej złożona, niż przedstawia to opisany schemat.

---

Główną zaletą obsługi przy użyciu przerwań jest możliwość zajęcia się przez procesor wykonywaniem innych czynności podczas oczekiwania na gotowość urządzeń, co jest niezbędne w systemach wieloprocesowych. Jeśli urządzenie transmituje dane szybko, a co za tym idzie – często zgłasza przerwania, może się okazać, że procesor traci dużo czasu na przełączanie kontekstu wynikające z obsługi przerwań oraz na czynności systemowe wynikające ze zmian stanu urządzeń, w tym m.in. zmiany stanu procesów oczekujących na te urządzenia. Obsługa z użyciem przerwań może się w tym przypadku stać bardziej czasochłonna, niż aktywne oczekiwanie.

---

Najbardziej efektywnym i najdroższym sposobem obsługi urządzeń zewnętrznych jest bezpośredni dostęp do pamięci. Wymaga on sprzętowej realizacji specjalnego modułu – sterownika bezpośredniego dostępu do pamięci.

---

Przy korzystaniu z bezpośredniego dostępu do pamięci przerwanie jest zgłaszane do procesora po przetransmitowaniu całego bloku danych. Narzut czasowy na obsługę programową transmisji jest więc bardzo mały.

---

Przy współczesnych implementacjach sterowników urządzeń w postaci układów wielkoscalonych, koszty realizacji sterownika DMA są bardzo niskie. Jest to więc preferowana metoda współpracy z szybkimi urządzeniami zewnętrznymi, stosowana szeroko również w komputerach osobistych.