สถาปัตยกรรม I/O และบัส

สถาปัตยกรรม I/O กำหนดวิธีการที่โปรเซสเซอร์และหน่วยความจำสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วงผ่านบัส, คอนโทรลเลอร์, การขัดจังหวะ และรูปแบบการกำหนดแอดเดรส ซึ่งควบคุมการไหลของคำสั่งและข้อมูลเข้าและออกจากโลกภายนอก

Definition

สถาปัตยกรรม I/O และบัส คือการจัดระเบียบและการเชื่อมต่อที่โปรเซสเซอร์และหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ใช้ในการแลกเปลี่ยนสัญญาณควบคุมและข้อมูลกับอุปกรณ์ต่อพ่วง รวมถึงการกำหนดแอดเดรสของรีจิสเตอร์อุปกรณ์และกลไกที่อุปกรณ์ใช้ในการร้องขอบริการ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของอินพุต/เอาต์พุต: บัสและการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด, คอนโทรลเลอร์อุปกรณ์และรีจิสเตอร์, I/O แบบแมปหน่วยความจำเทียบกับ I/O แบบแมปพอร์ต, การสำรวจสถานะและการขัดจังหวะ I/O, และโปรโตคอลบัสและการจัดสรรการเข้าถึง โดยจะกล่าวถึงวิธีการเชื่อมต่อและควบคุมอุปกรณ์ ไม่รวมถึงกลไก DMA สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลจำนวนมากและการจำลองเสมือน (การจำลองเสมือน I/O และ DMA) และสื่อจัดเก็บข้อมูลเอง (อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรอง)

Core questions

• อุปกรณ์ต่อพ่วงถูกกำหนดแอดเดรสและควบคุมโดยโปรเซสเซอร์ได้อย่างไร?
• I/O แบบแมปหน่วยความจำและ I/O แบบแมปพอร์ตแตกต่างกันอย่างไร?
• การสำรวจสถานะและการขัดจังหวะ I/O มีประสิทธิภาพแตกต่างกันอย่างไร?
• บัสและการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดจัดสรรและถ่ายโอนข้อมูลได้อย่างไร?

Key concepts

• คอนโทรลเลอร์อุปกรณ์และรีจิสเตอร์
• I/O แบบแมปหน่วยความจำ
• I/O แบบแมปพอร์ต
• การสำรวจสถานะ
• การขัดจังหวะและตัวจัดการการขัดจังหวะ
• บัสและการเชื่อมต่อ
• การจัดสรรการเข้าถึงบัส
• การกำหนดแอดเดรส I/O

Key theories

I/O แบบขัดจังหวะ

แทนที่จะสำรวจสถานะอุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์จะทำงานอื่นต่อไปและจะได้รับการแจ้งเตือนด้วยการขัดจังหวะเมื่ออุปกรณ์ต้องการความสนใจ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมากสำหรับอุปกรณ์ที่ทำงานช้าหรือไม่สม่ำเสมอ

Mechanisms

อุปกรณ์แต่ละชิ้นได้รับการจัดการโดยคอนโทรลเลอร์ที่เปิดเผยรีจิสเตอร์ซึ่งโปรเซสเซอร์อ่านและเขียนได้ ไม่ว่าจะผ่านแอดเดรสที่แมปกับหน่วยความจำหรือพอร์ต I/O พิเศษ โปรเซสเซอร์สามารถสำรวจสถานะของรีจิสเตอร์เหล่านี้ หรือมีประสิทธิภาพมากกว่านั้นคือการเปิดใช้งานการขัดจังหวะเพื่อให้เครื่องส่งสัญญาณเมื่อพร้อม บัสเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ และจัดสรรการเข้าถึงระหว่างมาสเตอร์หลายตัว ในขณะที่ระบบสมัยใหม่มีแนวโน้มที่จะใช้ลิงก์อนุกรมแบบจุดต่อจุดความเร็วสูงแทนบัสแบบขนานที่ใช้ร่วมกัน

Clinical relevance

สถาปัตยกรรม I/O กำหนดประสิทธิภาพที่ระบบสื่อสารกับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล, เครือข่าย และอุปกรณ์อื่นๆ I/O แบบขัดจังหวะช่วยให้โปรเซสเซอร์ว่างสำหรับงานที่มีประโยชน์ และวิวัฒนาการจากบัสที่ใช้ร่วมกันไปสู่การเชื่อมต่ออนุกรมความเร็วสูง เช่น PCI Express เป็นพื้นฐานสำหรับแบนด์วิดท์ที่จำเป็นสำหรับฮาร์ดแวร์จัดเก็บข้อมูล, เครือข่าย และตัวเร่งความเร็วที่ทันสมัย

History

ระบบยุคแรกใช้ I/O แบบโปรแกรมและบัสแบบขนานที่ใช้ร่วมกันพร้อมการจัดสรรการเข้าถึงแบบรวมศูนย์ กลไกการขัดจังหวะและบัสมาตรฐาน เช่น ISA และ PCI ช่วยปรับปรุงความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพ การเปลี่ยนไปใช้การเชื่อมต่ออนุกรมแบบจุดต่อจุดความเร็วสูง ซึ่งตัวอย่างเช่น PCI Express ได้แก้ไขข้อจำกัดด้านแบนด์วิดท์และการส่งสัญญาณของบัสแบบขนานที่ใช้ร่วมกัน

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• silberschatz2018

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่าง I/O แบบแมปหน่วยความจำและ I/O แบบแมปพอร์ตคืออะไร?

I/O แบบแมปหน่วยความจำกำหนดแอดเดรสรีจิสเตอร์อุปกรณ์ภายในพื้นที่แอดเดรสหน่วยความจำปกติ ดังนั้นคำสั่งโหลดและจัดเก็บข้อมูลทั่วไปจึงสามารถเข้าถึงได้ I/O แบบแมปพอร์ตใช้พื้นที่แอดเดรสแยกต่างหากและคำสั่งพิเศษสำหรับการเข้าถึงอุปกรณ์ I/O แบบแมปหน่วยความจำเป็นที่นิยมมากกว่าในสถาปัตยกรรมสมัยใหม่

เหตุใดการขัดจังหวะจึงดีกว่าการสำรวจสถานะสำหรับอุปกรณ์ส่วนใหญ่?

การสำรวจสถานะทำให้โปรเซสเซอร์เสียรอบการทำงานในการตรวจสอบซ้ำๆ ว่าอุปกรณ์พร้อมหรือไม่ การขัดจังหวะช่วยให้โปรเซสเซอร์ทำงานอื่นได้และจะได้รับการแจ้งเตือนเมื่ออุปกรณ์ต้องการบริการจริงๆ เท่านั้น ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่ามากสำหรับอุปกรณ์ที่ทำงานช้าหรือไม่ตอบสนองอย่างคาดเดาไม่ได้