Kiến trúc I/O và Bus

Kiến trúc I/O định nghĩa cách bộ xử lý và bộ nhớ giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua bus, bộ điều khiển, ngắt và các lược đồ địa chỉ, chi phối cách các lệnh và dữ liệu luân chuyển đến và đi từ thế giới bên ngoài.

Definition

Kiến trúc I/O và bus là tổ chức và các kết nối mà qua đó bộ xử lý và bộ nhớ của máy tính trao đổi tín hiệu điều khiển và dữ liệu với các thiết bị ngoại vi, bao gồm việc định địa chỉ các thanh ghi thiết bị và các cơ chế mà các thiết bị yêu cầu dịch vụ.

Scope

Chủ đề này bao gồm cấu trúc của đầu vào/đầu ra: bus và các kết nối điểm-điểm, bộ điều khiển và thanh ghi thiết bị, I/O ánh xạ bộ nhớ so với I/O ánh xạ cổng, I/O thăm dò và I/O điều khiển bằng ngắt, cũng như các giao thức và phân xử bus. Nó đề cập đến cách các thiết bị được kết nối và điều khiển. Nó không bao gồm cơ chế DMA truyền dữ liệu lớn và ảo hóa (ảo hóa I/O và DMA) cũng như bản thân các phương tiện lưu trữ (thiết bị lưu trữ thứ cấp).

Core questions

• Các thiết bị ngoại vi được bộ xử lý định địa chỉ và điều khiển như thế nào?
• I/O ánh xạ bộ nhớ và I/O ánh xạ cổng khác nhau như thế nào?
• I/O thăm dò và I/O điều khiển bằng ngắt so sánh về hiệu quả như thế nào?
• Bus và các kết nối điểm-điểm phân xử và truyền dữ liệu như thế nào?

Key concepts

• bộ điều khiển và thanh ghi thiết bị
• I/O ánh xạ bộ nhớ
• I/O ánh xạ cổng
• thăm dò
• ngắt và bộ xử lý ngắt
• bus và các kết nối
• phân xử bus
• định địa chỉ I/O

Key theories

I/O điều khiển bằng ngắt

Thay vì liên tục thăm dò một thiết bị, bộ xử lý tiếp tục thực hiện các công việc khác và được thông báo bằng một ngắt khi thiết bị cần chú ý, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả cho các thiết bị chậm hoặc hoạt động không liên tục.

Mechanisms

Mỗi thiết bị được quản lý bởi một bộ điều khiển hiển thị các thanh ghi mà bộ xử lý đọc và ghi, thông qua các địa chỉ ánh xạ bộ nhớ hoặc các cổng I/O đặc biệt. Bộ xử lý có thể thăm dò các thanh ghi này hoặc, hiệu quả hơn, cho phép ngắt để thiết bị báo hiệu khi sẵn sàng. Bus kết nối các thành phần và phân xử quyền truy cập giữa nhiều bộ điều khiển chính, trong khi các hệ thống hiện đại ngày càng sử dụng các liên kết nối tiếp điểm-điểm tốc độ cao thay vì các bus song song dùng chung.

Clinical relevance

Kiến trúc I/O xác định mức độ hiệu quả của một hệ thống trong việc giao tiếp với bộ nhớ, mạng và các thiết bị khác. I/O điều khiển bằng ngắt giải phóng bộ xử lý cho các công việc hữu ích, và sự phát triển từ các bus dùng chung sang các kết nối nối tiếp nhanh như PCI Express là nền tảng cho băng thông cần thiết của phần cứng lưu trữ, mạng và bộ tăng tốc hiện đại.

History

Các hệ thống ban đầu sử dụng I/O được lập trình và các bus song song dùng chung với phân xử trung tâm. Các cơ chế ngắt và các bus tiêu chuẩn như ISA và PCI đã cải thiện tính linh hoạt và hiệu suất. Sự chuyển đổi sang các kết nối nối tiếp điểm-điểm tốc độ cao, điển hình là PCI Express, đã giải quyết các giới hạn về băng thông và tín hiệu của các bus song song dùng chung.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• silberschatz2018

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa I/O ánh xạ bộ nhớ và I/O ánh xạ cổng là gì?

I/O ánh xạ bộ nhớ gán các địa chỉ thanh ghi thiết bị trong không gian địa chỉ bộ nhớ thông thường, do đó các lệnh tải và lưu thông thường có thể truy cập chúng. I/O ánh xạ cổng sử dụng một không gian địa chỉ riêng biệt và các lệnh đặc biệt để truy cập thiết bị. I/O ánh xạ bộ nhớ phổ biến hơn trong các kiến trúc hiện đại.

Tại sao ngắt tốt hơn thăm dò cho hầu hết các thiết bị?

Thăm dò lãng phí chu kỳ của bộ xử lý khi liên tục kiểm tra xem một thiết bị đã sẵn sàng hay chưa. Ngắt cho phép bộ xử lý thực hiện các công việc khác và chỉ được thông báo khi thiết bị thực sự cần dịch vụ, điều này hiệu quả hơn nhiều đối với các thiết bị chậm hoặc phản hồi không thể đoán trước.