Vstupně/výstupní operace

Vstupně/výstupní operace, vyvolání a obsluha přerušení, přímý přístup do paměti. Registry periferií, mapování periferií do paměti a do vstupně výstupního prostoru

Úvod

Jedná se o přenos dat mezi periferním zařízením či vnější pamětí a počítačem. Směr přenosu je definován z hlediska počítače, takže vstupní operace je čtení z periferie, zatímco výstupní operací je zaslání dat do periferie.

Periferní zařízení dělíme na 3 typy:

  • Vstupní: zařízení pouze zasílá data do počítače, například senzor
  • Výstupní: zařízení pouze přijímá data od počítače, například monitor
  • Vstupně/Výstupní: zařízení jak přijímá, tak zasílá data. Například síťová karta nebo externí disk

Přenos dat probíhá skrze vstupně-výstupní rozhraní (I/O interface), klasicky řečeno port.

Každé vstupně-výstupní rozhraní má svoji adresu, které se říká Vstupně/výstupní port. K této adrese je přiřazen hardwarový registr vstupně-výstupního rozhraní nebo samotné zařízení, které je na toto rozhraní připojené -> adresa buď odkazuje na hardwarový registr, nebo na samotné zařízení.

Počítač může mít tuto adresu uloženou na dvou různých místech

  • v adresním prostoru paměti
    • procesor s nimi může pracovat jako s klasickou pamětí
    • mluvíme pak o adresově mapovaných portech
    • adresy, které se zde nacházejí se sem dostali pomocí mapování periferií do paměti
  • v odděleném adresním prostoru
    • jsou procesoru přístupné pomocí speciálních instrukcí IN a OUT
    • mluvíme pak o izolovaných portech
    • adresy, které se zde nacházejí se sem dostali pomocí mapování periferií do vstupně výstupního prostoru

Periferní zařízení se vždy připojuje k hardwarovému rozhraní. Součástí tohoto rozhraní je několik hardwarových registrů, jejichž adresy má počítač uložené v jednom ze dvou prostorů zmíněných výše. Hardwarové registry se také nazývají registry periferií.

Procesor komunikuje se vstupně/výstupními zařízeními pomocí hardwarových registrů jež jsou dostupné pomocí sběrnice daného rozhraní.

Výstupní hardwarové registry

Vstupní zařízení mají navíc výstupní hardwarové registry, pro synchronizaci, časování apod. Registry mohou mít velikost 1B a mohou sloužit jako vyrovnávací paměť daného HW (hardware cache), neboť v sobě udrží data do doby. než jsou předána CPU, RAM či naopak zpracována samotnou periferií.

Ovladače

Jednotlivá hardwarová rozhraní jsou ovládány pomocí ovladačů (například Realtek Audio pro zvukový výstup).

  • ovladače pro hardwarové rozhraní lze nalézt na stránce výrobce základové desky

Stejně tak mají periferní zařízení vlastní ovladače dodávané výrobci.

  • Nabouchaná myš od Logitechu potřebuje speciální software, aby mohla svítit jak vánoční stromeček.

Ovladač je software, který umožňuje počítači komunikovat s periferií, nebo naopak periferii komunikovat s počítačem.

Připojení zařízení ke sběrnici - mapování periferií do paměti a do I/O prostoru

Pokud připojíme zařízení ke sběrnici skrze vstupně/výstupní rozhraní tak je adresa hardwarových registrů uložena do jednoho ze dvou paměťových prostorů. Tomuto procesu říkáme mapování periferie.

Výběr prostoru je dán typem periferie, která při připojení vyšle na jeden z hardwarových registrů rozhraní, na které je připojena, signál, určující, kam bude namapována. O mapování periferie, stejně jako o správu komunikace, se starají ovladače periferií. Již jsme si tyto dva prostory zmínili výše. Periferii (její hardwarové registry) můžeme namapovat do:

  • paměti RAM
  • vstupně / výstupního prostoru

Mapování periferie do paměti

Adresa periferie je uložena do operační paměti.

  • Procesor může k této adrese přistupovat stejně, jako k ostatním adresám, tj. pomocí klasické sady instrukcí. Může tedy používat klasické adresná módy a číst / zapisovat do registru klasickým způsobem
  • Je vhodnější (jednodušší) pro programování
  • Procesor se chová k periferiím namapovaným zde jako k adresám
  • Adresní prostor je velký
  • Přístup zde je pomalejší (je potřeba dekódovat adresu, což trvá dlouho kvůli velkému adresnímu prostoru)

Mapování periferie do vstupně/výstupního prostoru

Adresa periferie je uložena do speciálního adresního prostoru.

  • Prostor oddělený od operační paměti. Tento adresní prostor má vlastní sběrnici, která je připojena k CPU
  • Adresní prostor je malý
  • Přístup je zde rychlejší, nežli do paměti (malý adresní prostor = jednodušší dekódování)

Dekodér adres

Jedná se o integrální součást řadiče. Používá se pro dekódování adres. Pokud chceme přistoupit k nějakému místu v paměti, tak procesor vystaví na sběrnici adresu. Prací řadiče je vybrat správnou paměťovou buňku v paměti, ke které přistupujeme, převést adresu ze sběrnice na místo v paměti (toto právě řeší adresový dekodér), které je symbolizováno danou adresou. De facto řadič sáhne do správné paměťové buňky (dle adresy vystavené procesorem a dekodérem převedené na adresu paměťové buňky) a vytáhne z ní data, o něž si CPU řekl.

ŘÍzení komunikace - přerušení a přímý přístup do paměti

Periferie a CPU spolu potřebují komunikovat. Mohou nám nastat dvě různé situace:

  • procesor chce komunikovat s periferií (chce ji zaslat data)
  • periferie chce komunikovat s procesorem (chce mu zaslat data)

V prvním případě jednoduše procesor zašle data na danou adresu, která odpovídá adrese hardwarového registru periferie.

V druhém případě je to složitější, periferie si může přát zaslat data, ale procesor může být zaneprázdněný a nemá žádný způsob, kterým by mohl vědět, že periferie chce komunikovat.

Periferní zařízení může komunikaci uskutečnit dvěma způsoby :

  • přerušení
  • přímý přístup do paměti (DMA)

Přerušení

Princip přerušení spočívá v tom, že periferie vystaví signální bit, kterým si zažádá o čas procesoru. Pokud je procesor volný, tak periferii obslouží na základě toho, jaké signály jsou periferií vystaveny (těmto signálům se říká signal word).

Pokud procesor volný není, tak periferie musí čekat, až bude obsloužena. Povětšinou není jediná, která vystavila signál k přerušení. O tom, jaké přerušení bude obslouženo nejdříve, rozhoduje řadič přerušení.

Přímý přístup do paměti

Ne vždy je nutné vyžadovat po CPU čas pro vykonání operace. Příkladem může být přesun velkého bloku dat z a nebo do paměti. V případě přímého přístupu do paměti je toto uskutečněno bez asistence procesoru.

Zdroje