- Лекция 20. Ввод\Вывод
Система ввода-вывода — это комплекс обмена информацией с внешними устройствами.
К системе ввода-вывода можно отнести и способы подключения к системной шине различного оборудования, и процедуры взаимодействия процессора с этим оборудованием, и команды процессора, предназначенные для обмена данными с внешними устройствами.
Системы ввода-вывода различают по способам подключения к процессору.
Рис. 1. Отдельная шина системы ввода-вывода.
- Плюсы: система ввода-вывода отделена от основной памяти и для нее может быть соблюдена своя специфика, например меньшие скорости, определенный интерфейс работы, который больше подходит под данные системы.
- Минусы: много точек подключения, меньшая надежность, большие габариты и т.д.
Рис. 2. Система ввода-вывода с отдельной шиной управления.
- Плюсы: специализация под систему ввода-вывода (т.к. управление осуществляется по другой линии), используются отдельные инструкции для работы с вводом-выводом.
Архитектура x86 использует данный тип подсистемы ввода-вывода.
Рис. 3. Единая шина для системы ввода-вывода и памяти.
- Плюсы: в случае совместного адресного пространства мы имеем гибкий размер системы ввода-вывода (то есть мы можем уменьшить количество памяти и увеличить количество систем ввода-вывода или наоборот).
- Минусы: поскольку для доступа к регистрам модулей ввода-вывода используется та же шина, что и для доступа к памяти, процессор использует в обоих случаях одни и те же инструкции, что отрицательно сказывается на читаемости ассемблерного кода.
Архитектуры RISC-V и MIPS используют данный тип подсистемы ввода-вывода.
Адресное пространство — совокупность всех допустимых адресов каких-либо объектов вычислительной системы.
Системы ввода-вывода различают по организации адресного пространства.
Рис. 4. Системы с выделенным адресным пространством.
В выделенном адресном пространстве ячейки памяти отделены от модулей ввода-вывода. То есть процессор имеет 2 шины. Одна направлена для памяти, другая для ввода-вывода.
Пример системы с выделенным адресным пространством приведен на рис. 1.
Рис. 5. Системы с совмещенным (совместным) адресным пространством.
В совместном адресном пространстве есть только один набор адресов. Обращаясь по одним адресам мы попадаем в память, а по другим в управляющие регистры, которые ассоциированы с периферийными устройствами (т.е устройствами ввода-вывода, те которые подключаются к системе и связывают её с внешним миром).
Пример системы с совместным адресным пространством приведен на рис. 3.
При выделенном адресном пространстве можно разрабатывать систему ввода-вывода отдельно от памяти. В случае совместного этого не получится потому, что система ввода-вывода и память должны удовлетворять одним и тем же требованиям по связи (т.е. передачи информации).
Рис. 6. Совместное адресное пространство с дешифратором адреса.
Все периферийные устройства можно свести к трём категориям:
- Для общения с пользователем (принтеры, мониторы и др.)
- Для общения с вычислительной машиной (внешние устройства, которые отдают или получают информацию от внешнего мира через различные датчики, а также системы хранения информации)
- Для связи с удаленными устройствами (передача информации на большие расстояния)
Обобщенно любое периферийное устройство можно представить в виде:
Рис. 7. Периферийное устройство.
Периферийное устройство как-то взаимодействует с внешней средой. (Например датчик температуры. На преобразователь приходит температура, каким-то образом преобразуется и отправляется в буферную память в виде нолики и единички, которые характеризуют среду.)
Буферная память и логика управления связана с модулями ввода-вывода условными сигналами (условные так как для связи с модулями ввода-вывода используется 'малый' интерфейс).
Модуль ввода-вывода по данному интерфейсу генерирует различные сигналы управления для периферийного устройства, 'говоря' что нужно делать, и при этом собирает сигналы состояния, чтобы понимать в каком состоянии находится устройство (может быть у него какие-то проблемы или ошибки, закончило ли оно преобразование информации (например можно узнать храниться ли что-то в буферной памяти и можно ли это забирать)).
Основные функции модулей ввода-вывода:
- Локализация данных (выделение некоторого адресного пространства внутри которого процессор может через модуль ввода-вывода управлять периферийными устройствами).
- Управление и синхронизация (модуль ввода-вывода с одной стороны подключен 'большим' интерфейсом к высокоскоростной шине, к которой также подключены память и процессор, а с другой стороны 'малым' интерфейсом к медленным устройствам (к периферии), у которых могут быть специфические сигналы управления и синхронизации).
- Обмен информацией
- Распознавание команд
- Пересылка данных (от периферии в процессор либо в память и обратно)
- Извещение о состоянии (извещение процессора о состоянии периферийных устройств)
- Буферизация данных
- Обнаружение ошибок (и извещение об этом процессора)
К одному модулю ввода-вывода может быть подключено много периферийных устройств, может быть много самих модулей ввода-вывода. В таком случае старшая часть адреса, которую выставляет процессор, указывает на конкретный модуль ввода-вывода, следующие несколько бит информации указывают на конкретное периферийное устройство, внутри этого модуля ввода-вывода, а последние биты указывают на конкретный регистр конкретного устройства.
Рис. 8. Структура модуля ввода-вывода.
Модуль ввода-вывода — это прослойка между шиной и периферийными устройствами, у которой с одной стороны реализован контроллер 'большого' интерфейса, с другой стороны контроллеры 'малых' интерфейсов, а в середине некая логика управления, с помощью которой процессор может обмениваться информацией между интерфейсами.
Системы ввода-вывода различают по методу управления вводом-выводом.
- Плюсы: простота.
- Минусы: процессор постоянно занимает шину; процессор не делает ничего полезного, он занят ожиданием устройства ввода, которое может генерировать информацию миллионы тактов процессора.
Процессор получает данные от периферийного устройства по следующей схеме:
Рис. 9. Алгоритм ввода-вывода с опросом.
- Плюсы: процессор не ждет периферия сгенерирует новую информации.
- Минусы: процессору приходится перекидывать информацию в основную память через себя.
Метод состоит из двух частей:
- Инициализация прерывания (сообщить модулю ввода-вывода, что мы ждем информацию от какого-то периферийного устройства, после чего разрешаем прерывания от этого модуля ввода-вывода).
- Обработка прерывания (процесс просыпается и начинает читать из регистра состояний модули ввода-вывода).
Рис. 10. Алгоритм ввода-вывода с прерываниями.
- Плюсы: процессор не занимается пересылкой данных.
- Минусы: сложность реализации в высокопроизводительных системах с виртуальной и кэш памятью.
Контроллер прямого доступа к памяти — это устройство, которое берет на себя задачу переброски информации из периферийных устройств в основную память либо наоборот из основной памяти в периферийное устройство в обход процессора.
Рис. 11. Схема с контроллером прямого доступа к памяти.
Получение доступа к шине КПДП:
- Периферийное устройство по специальной линии делает запрос контроллеру прямого доступа к памяти о том, что нужно передать данные в основную память.
- КПДП формирует сигнал Запрос ПДП, который отправляется в центральный процессор.
- ЦП видит запрос прямого доступа к памяти, отключается от системной шины и формирует сигнал Подтверждения ПДП
- КПДП выполняет пересылку данных.
Либо из центрального процессора, либо из периферийного устройства (в зависимости от конфигурации системы) КПДП получит адрес, с которого начнется запись в основную память (в случае переброски информации из периферийных устройств в основную память).
Передача данных из периферийного устройства в основную память:
- КПДП запрашивает данные у периферийного устройства;
- Периферийное устройство передает информацию в регистр данных;
- КПДП выставляет адрес основной памяти;
- КПДП передает информацию из регистра данных в основную память;
- Уменьшается значение счетчика данных;
- Увеличивается адрес;
- Пока не закончился счетчик к пункту 1.
В одном устройстве может быть несколько DMA, если есть несколько шин.
DMA могут работать в разных режимах (режимы отличаются тем, насколько долго захватывают шину, то есть останавливают передачу информации между другими блоками системы):
- Взрывной режим (Burst mod) — контроллер захватывает шину пока не закончит свои дела;
- Прозрачный режим — контроллер осуществляет пересылку информации только тогда, когда никто другой не занимает шину;
- Делать по одно посылке за раз и отпускать шину на арбитраж.
Рис. 12. Конфигурации ПДП.
- Подключен к шине как устройство;
- Выполняет роль модуля ввода-вывода для подключенного к нему набора периферийных устройств;
- КПДП подключается с одной стороны по выделенной шине к периферийным устройствам, а с другой к системной шине.
Канальная система ввода-вывода — это не просто прямой доступ к памяти, в ней есть специализированный процессор, который используется для того, чтобы связываться с периферийными устройствами.
Рис. 13. Схема канальной системы ввода вывода.
Канал(процессор) ввода-вывода — это контроллер прямого доступа к памяти, выполненный в виде специализированного процессора, которому можно давать сложные запросы и эти запросы будут обрабатываться программно.
Канал ввода-вывода имеет свою локальную память. Процессор ввода-вывода обращается за своими программами, которые осуществляют ввод-вывод, в основную память.
Каналы и процессоры ввода-вывода используются для подключения большого количества периферийных устройств. Благодаря им центральный процессор более эффективно тратит свое время.
RAID (Redundant Array of Independent Disks) — избыточный массив независимых дисков.
Это объединение нескольких винчестеров, так чтобы повысить надежность хранения информации. Существуют разные способы объединения винчестеров в группу.
Рис. 14. Классификация Паттерсона и Хеннесси.
- RAID 0: не повышает надежность, объединяет диски с целью более быстрого доступа к ним.
- RAID 1: информация клонируется на другие диски.
- RAID 2: создается избыточность, для того чтобы можно было восстановить данные.
- RAID 3: складываются по модулю 2 новое значение на одном из дисков и не изменившиеся значения на остальных трех дисках и записываются на избыточный диск. Получившееся значение называется битом четности (битом паритета).
- RAID 4: складываются по модулю 2 бит четности, новое и старое значения элемента на одном из дисков и записываются на избыточный диск. Получается новый бит четности.
Рис. 15. Расчет бита четности при обновлении данных в RAID 3 и RAID 4.
- RAID 5: биты четности раскиданы по всем дискам, что позволяет добавлять новые значения параллельно.
Рис. 16. Распределение битов четности в RAID 4 и RAID 5.
- RAID 6: RAID 5, у которого вдвое увеличено количество избыточных контрольных дисков, то есть 2 диска, в которых хранятся паритеты, что повышает надежность.
JTAG — это четырехпроводной интерфейс, с помощью которого можно проверить правильно ли работает устройство. Его часто иcпользуют для отладки процессорной системы.
Граничное сканирование (Boundary Scan) — это способ тестирования микросхемы. Он заключается в том, что между каждой ножкой и ядром помещается ячейка памяти, эти ячейки соединяются как сдвиговый регистр. С помощью управляющих сигналов и сдвигового регистра мы можем считать информацию с ножек или выставить сигналы в ячейки памяти, что позволяет нам проверить работу всех выводов микросхемы, не подключаясь к ним. (Например, нам нужно узнать значение на определенной ножке. Мы сообщаем контроллеру JTAG, что нужно сохранить информацию с нее в ячейку памяти. Когда ячейка получит текущее состояние этого вывода, с помощью сдвигового регистра выдвигаем эту информацию на выход, где считываем ее).
Рис. 17. Схема JTAG.
TMS — управление.
TDI и TDO — входной и выходной сигналы.
TCK — сигнал тактирования.
Рис. 18. Сканирующая цепочка.
Рис. 19. Ячейка памяти.
Input Mux и Output Mux — мультиплексоры.
Data_In и Data_Out — вход и выход данных ножки.
Scan In и Scan Out — вход и выход сканирующей цепочки.
Shift Register — один из триггеров сдвигового регистра (прикидываемся значениями с ножки).
Сигналами ShiftDR, Mode и др. управляют сигналы TMS и TCK. Они управляют не напрямую, а подключены к автомату состояний, который работает таким образом:
Рис. 20. FSM (Finit State Machine) — конечный автомат (автомат состояний).
где DR — Data Register, IR — Instruction Register
Автомат состояний используется для того, чтобы по-байтово битик за битиком загрузить в регистр нужную информацию.
Рис. 21. Структура JTAG.
TAP Controller устроен как автомат состояний. Он формирует сигналы для JTAG.
- Ссылка на видеозапись лекции.