Giriş/Çıkış Mimarisi ve Veriyolları
Giriş/çıkış (I/O) mimarisi, bir işlemcinin ve belleğin çevresel aygıtlarla veriyolları, denetleyiciler, kesmeler ve adresleme şemaları aracılığıyla nasıl iletişim kurduğunu tanımlar; komutların ve verilerin dış dünyaya nasıl akışını yönetir.
Tanım
G/Ç mimarisi ve veriyolları, bir bilgisayarın işlemcisinin ve belleğinin çevresel aygıtlarla kontrol sinyallerini ve verileri değiş tokuş ettiği organizasyon ve ara bağlantılardır; buna aygıt yazmaçlarının adreslenmesi ve aygıtların hizmet talep etme mekanizmaları da dahildir.
Kapsam
Bu konu, giriş/çıkışın yapısını ele almaktadır: veriyolları ve noktadan-noktaya ara bağlantılar, aygıt denetleyicileri ve yazmaçlar, bellek eşlemeli (memory-mapped) ve bağlantı noktası eşlemeli (port-mapped) G/Ç, yoklama (polling) ve kesme güdümlü (interrupt-driven) G/Ç ile veriyolu protokolleri ve tahkim (arbitration). Aygıtların nasıl bağlandığını ve kontrol edildiğini inceler. Yığın aktarım DMA mekanizmasını ve sanallaştırmayı (G/Ç sanallaştırması ve DMA) ve depolama ortamlarının kendilerini (ikincil depolama aygıtları) kapsamaz.
Temel sorular
- Çevresel aygıtlar işlemci tarafından nasıl adreslenir ve kontrol edilir?
- Bellek eşlemeli ve bağlantı noktası eşlemeli G/Ç nasıl farklılık gösterir?
- Yoklama ve kesme güdümlü G/Ç verimlilik açısından nasıl karşılaştırılır?
- Veriyolları ve noktadan-noktaya ara bağlantılar veriyi nasıl tahkim eder ve aktarır?
Anahtar kavramlar
- aygıt denetleyicileri ve yazmaçlar
- bellek eşlemeli G/Ç
- bağlantı noktası eşlemeli G/Ç
- yoklama
- kesmeler ve kesme işleyicileri
- veriyolları ve ara bağlantılar
- veriyolu tahkimi
- G/Ç adreslemesi
Temel kuramlar
- Kesme Güdümlü G/Ç
- Bir aygıtı sürekli olarak yoklamak yerine, işlemci başka işlerle meşgul olur ve aygıtın dikkat gerektirdiği durumlarda bir kesme ile bilgilendirilir; bu durum, yavaş veya aralıklı çalışan aygıtlar için verimliliği büyük ölçüde artırır.
Mekanizmalar
Her aygıt, işlemcinin bellek eşlemeli adresler veya özel G/Ç bağlantı noktaları aracılığıyla okuduğu ve yazdığı yazmaçları (registers) açığa çıkaran bir denetleyici tarafından yönetilmektedir. İşlemci bu yazmaçları yoklayabilir (poll) veya daha verimli bir şekilde, aygıt hazır olduğunda sinyal vermesi için kesmeleri (interrupts) etkinleştirebilir. Veriyolları bileşenleri birbirine bağlar ve birden çok ana (master) arasındaki erişimi tahkim ederken, modern sistemler paylaşımlı paralel veriyolları yerine giderek daha fazla yüksek hızlı noktadan-noktaya seri bağlantılar kullanmaktadır.
Klinik önem
G/Ç mimarisi, bir sistemin depolama, ağ ve diğer aygıtlarla ne kadar verimli iletişim kurduğunu belirlemektedir. Kesme güdümlü G/Ç, işlemciyi faydalı işler için serbest bırakır ve paylaşımlı veriyollarından PCI Express gibi hızlı seri ara bağlantılara geçiş, modern depolama, ağ ve hızlandırıcı donanımlarının ihtiyaç duyduğu bant genişliğinin temelini oluşturmaktadır.
Tarihçe
Erken dönem sistemler, programlanmış G/Ç ve merkezi tahkimli paylaşımlı paralel veriyolları kullanmaktaydı. Kesme mekanizmaları ve ISA ile PCI gibi standartlaştırılmış veriyolları esnekliği ve performansı artırmıştır. PCI Express ile örneklendirilen yüksek hızlı noktadan-noktaya seri ara bağlantılara geçiş, paylaşımlı paralel veriyollarının bant genişliği ve sinyalizasyon sınırlamalarını ele almıştır.
Öne çıkan isimler
- John L. Hennessy
- David A. Patterson
- Abraham Silberschatz
İlgili konular
Temel eserler
- hennessy2019
- silberschatz2018
Sıkça sorulan sorular
- Bellek eşlemeli ve bağlantı noktası eşlemeli G/Ç arasındaki fark nedir?
- Bellek eşlemeli G/Ç, aygıt yazmaçlarına normal bellek adres alanı içinde adresler atar, böylece sıradan yükleme ve depolama komutları bunlara erişir. Bağlantı noktası eşlemeli G/Ç ise aygıt erişimi için ayrı bir adres alanı ve özel komutlar kullanır. Bellek eşlemeli G/Ç, modern mimarilerde daha yaygındır.
- Çoğu aygıt için kesmeler neden yoklamadan daha iyidir?
- Yoklama, bir aygıtın hazır olup olmadığını tekrar tekrar kontrol ederek işlemci döngülerini boşa harcar. Kesmeler, işlemcinin başka işler yapmasına ve yalnızca aygıtın gerçekten hizmete ihtiyaç duyduğunda bildirilmesine olanak tanır; bu durum, yavaş veya öngörülemeyen şekilde yanıt veren aygıtlar için çok daha verimlidir.