Arsitektur dan Bus I/O

Arsitektur I/O mendefinisikan bagaimana prosesor dan memori berkomunikasi dengan perangkat periferal melalui bus, pengontrol, interupsi, dan skema pengalamatan, mengatur bagaimana perintah dan data mengalir ke dan dari dunia luar.

Definition

Arsitektur dan bus I/O adalah organisasi dan interkoneksi di mana prosesor dan memori komputer bertukar sinyal kontrol dan data dengan perangkat periferal, termasuk pengalamatan register perangkat dan mekanisme di mana perangkat meminta layanan.

Scope

Topik ini mencakup struktur input/output: bus dan interkoneksi titik-ke-titik, pengontrol dan register perangkat, I/O yang dipetakan memori versus I/O yang dipetakan port, I/O berbasis polling dan interupsi, serta protokol dan arbitrasi bus. Ini membahas bagaimana perangkat dihubungkan dan dikendalikan. Ini tidak termasuk mekanisme DMA transfer massal dan virtualisasi (virtualisasi I/O dan DMA) serta media penyimpanan itu sendiri (perangkat penyimpanan sekunder).

Core questions

• Bagaimana perangkat periferal dialamatkan dan dikendalikan oleh prosesor?
• Bagaimana perbedaan antara I/O yang dipetakan memori dan I/O yang dipetakan port?
• Bagaimana perbandingan efisiensi I/O berbasis polling dan interupsi?
• Bagaimana bus dan interkoneksi titik-ke-titik mengarbitrasi dan mentransfer data?

Key concepts

• pengontrol dan register perangkat
• I/O yang dipetakan memori
• I/O yang dipetakan port
• polling
• interupsi dan penangan interupsi
• bus dan interkoneksi
• arbitrasi bus
• pengalamatan I/O

Key theories

I/O berbasis interupsi

Alih-alih terus-menerus melakukan polling perangkat, prosesor melanjutkan pekerjaan lain dan diberi tahu oleh interupsi ketika perangkat membutuhkan perhatian, sangat meningkatkan efisiensi untuk perangkat yang lambat atau beroperasi secara intermiten.

Mechanisms

Setiap perangkat dikelola oleh pengontrol yang mengekspos register yang dibaca dan ditulis oleh prosesor, baik melalui alamat yang dipetakan memori atau port I/O khusus. Prosesor dapat melakukan polling register ini atau, yang lebih efisien, mengaktifkan interupsi sehingga perangkat memberi sinyal saat siap. Bus menghubungkan komponen dan mengarbitrasi akses di antara beberapa master, sementara sistem modern semakin banyak menggunakan tautan serial titik-ke-titik berkecepatan tinggi alih-alih bus paralel bersama.

Clinical relevance

Arsitektur I/O menentukan seberapa efisien suatu sistem berkomunikasi dengan penyimpanan, jaringan, dan perangkat lain. I/O berbasis interupsi membebaskan prosesor untuk pekerjaan yang berguna, dan evolusi dari bus bersama ke interkoneksi serial cepat seperti PCI Express mendukung bandwidth yang dibutuhkan oleh perangkat keras penyimpanan, jaringan, dan akselerator modern.

History

Sistem awal menggunakan I/O terprogram dan bus paralel bersama dengan arbitrasi pusat. Mekanisme interupsi dan bus terstandardisasi seperti ISA dan PCI meningkatkan fleksibilitas dan kinerja. Pergeseran ke interkoneksi serial titik-ke-titik berkecepatan tinggi, yang dicontohkan oleh PCI Express, mengatasi batas bandwidth dan pensinyalan bus paralel bersama.

Key figures

• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Abraham Silberschatz

Seminal works

• hennessy2019
• silberschatz2018

Frequently asked questions

Apa perbedaan antara I/O yang dipetakan memori dan I/O yang dipetakan port?

I/O yang dipetakan memori menetapkan alamat register perangkat dalam ruang alamat memori reguler, sehingga instruksi muat dan simpan biasa mengaksesnya. I/O yang dipetakan port menggunakan ruang alamat terpisah dan instruksi khusus untuk akses perangkat. I/O yang dipetakan memori lebih umum dalam arsitektur modern.

Mengapa interupsi lebih baik daripada polling untuk sebagian besar perangkat?

Polling membuang siklus prosesor dengan berulang kali memeriksa apakah perangkat siap. Interupsi memungkinkan prosesor melakukan pekerjaan lain dan hanya diberi tahu ketika perangkat benar-benar membutuhkan layanan, yang jauh lebih efisien untuk perangkat yang lambat atau merespons secara tidak terduga.