Bài giảng Cấu trúc máy tính - Đinh Đồng Lưỡng

uyền, v.v. Đồng thời các thiết bị này có 
tốc độ làm việc chậm hơn CPU và RAM rất nhiều. Chính 
vì lý do trên cần có Module vào ra để ghép nối các thiết 
bị ngoại vi vào hệ thống BUS máy tính.
Cấu trúc Máy tính 222GV: Đinh Đồng Lưỡng
Phân loại: 
 Thiết bị nhập: Keyboard, Mouse, Scan, Micro,
 Thiết bị xuất: Monitor, Printer,
 Thiết bị xuất nhập: Modem, NIC, Driver,
Cấu trúc tổng quát của thiết bị ngoại vi:
Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi dữ liệu giữa bên 
trong và bên ngoài Máy tính
Bộ đệm dữ liệu: nơi lưu trữ dữ liệu trung gian giữa Máy 
tính và thiết bị ngoại vi, đặt bên trong thiết bị ngoại vi.
Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của thiết bị 
ngoại vi theo tín hiệu từ Module I/O gởi tới thiết bị.
6.1 Tổng quan về hệ thống vào ra
Cấu trúc Máy tính 223GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.1 Tổng quan về hệ thống vào ra
Bộ đệm 
dữ liệu
Bộ chuyển đổi 
tín hiệu
Khối Logic điều khiển
T/h trạng thái
(State)
Dữ liệu vào/ ra 
Module
T/h điều khiển
Dữ liệu 
vào/ra bên 
ngoài
Cấu trúc Máy tính 224GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.1 Tổng quan về hệ thống vào ra
Module I/O
Chức năng: Nối ghép thiết bị ngoại vi với bus của máy tính. 
 Điều khiển và định thời
 Trao đổi thông tin với CPU
 Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi
 Đệm giữa máy tính với thiết bị ngoại vi
 Phát hiện lỗi của các thiết bị ngoại vi.
Cấu trúc chung:
Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu trong quá trình trao đổi
Cổng nối ghép vào ra: kết nối thiết bị ngoại vi, mỗi cổng có địa 
chỉ xác định và chuẩn kết nối riêng phụ thuộc sơ đồ chân.
Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu trữ thông tin trạng thái cho 
các cổng vào ra
Khối logic điều khiển: điều khiển Module vào ra
Cấu trúc Máy tính 225GV: Đinh Đồng Lưỡng
Thanh 
ghi 
đệm 
dữ liệu
Cổng 
nối 
ghép 
vào/ra
Thanh ghi
trạng thái/điều khiển
Khối Logic điều khiển
Cổng 
nối 
ghép 
vào/ra
Bus dữ liệu Bus dữ liệu
Các đường đ/c
Các đường đ/k
Đường đ/kh
State
6.1 Tổng quan về hệ thống vào ra
Cấu trúc Máy tính 226GV: Đinh Đồng Lưỡng
Ví dụ cổng ghép nối song song(LPT)
 Các đường dẫn của cổng song được nối với 3 thanh 
ghi 8 bit khác nhau:
Thanh ghi dữ liệu (Địa chỉ cơ sở)
Thanh ghi trạng thái (Địa chỉ cơ sở +1)
Thanh ghi điều khiển (Địa chỉ cơ sở +2)
 Các đại chỉ cổng có thể là:
LPT1: 378h (379h ; 37Ah)
LPT2: 3BCh
LPT3: 278h
LPT4: 2BCh
Cấu trúc Máy tính 227GV: Đinh Đồng Lưỡng
Ví dụ cổng ghép nối song song(LPT)
 Hợp ngữ:
Để xuất ra dữ liệu: OUT DX, AL hoặc OUT DX, AX
Để nhập vào dữ liệu: IN AL, DX hoặc IN AX, DX
(DX chứa địa chỉ; AL chứa giá trị)
 Turbo C
Để xuất ra dữ liệu: outportb(đia_chỉ, giá_trị)
Để nhập vào dữ liệu: bien = inportb(địa_chỉ)
 Turbo Pascal
Để xuất ra dữ liệu: port[đia_chỉ]:= giá_trị
Để nhập vào dữ liệu: bien:=port[địa_chỉ]
Cấu trúc Máy tính 228GV: Đinh Đồng Lưỡng
Ví dụ cổng ghép nối tiếp(COM)
 Các thanh ghi chính:
Thanh ghi đệm (Buffer Register) Địa chỉ cơ sở
Thanh ghi trạng thái (Status Register) ĐCCS+5
Thanh ghi điều khiển (Control Register) ĐCCS+3
 Các địa chỉ cổng có thể là:
COM1: 3F8h (3FDh ; 3FBh)
COM2: 2F8h
COM3: 3E8h
COM4: 2E8h
Cấu trúc Máy tính 229GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Phân loại:
 Vào ra bằng chương trình
 Vào ra bằng ngắt
 Truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA
Vào ra bằng chương trình
Nguyên tắc chung: 
 Sử dụng lệnh vào ra trong chương trình để trao đổi dữ liệu với 
cổng vào ra.
Khi CPU thực hiện chương trình gặp lệnh vào ra thì CPU điều 
khiển trao đổi dữ liệu với cổng vào ra.
Lệnh I/O:
Với không gian địa chỉ vào ra riêng biệt: sử dụng các lệnh vào 
ra chuyên dụng
Với không gian vào ra dùng chung bộ nhớ thì các lệnh trao đổi 
dữ liệu sử dụng như ngăn nhớ.
Cấu trúc Máy tính 230GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Hoạt động vào ra bằng chương trình
 CPU gặp lệnh trao đổi vào ra, yêu cầu thao tác vào ra
 Module vào ra thao tác vào ra
 Module vào ra thiết lập các bit trạng thái(State)
 CPU kiểm tra các bit trạng thái:
Nếu chưa sẵn sàng thì quay lại kiểm tra lại
Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ liệu với Module 
vào ra.
Cấu trúc Máy tính 231GV: Đinh Đồng Lưỡng
Lưu đồ thực hiện chương trình:
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Đọc trạng thái 
sẵn sàng
Module I/O 
sẵn sàng?
Trao đổi dữ liệu 
với Module I/O
N
Y
Cấu trúc Máy tính 232GV: Đinh Đồng Lưỡng
Nhận xét:
CPU trực tiếp điều khiển vào ra: đọc trạng thái, kiểm tra trạng 
thái, thực hiện trao đổi.
 Trong trường hợp nhiều thiết bị cùng cần trao đổi dữ liệu và 
thiết bị chưa sẵn sàng tốn rất nhiều thời gian CPU
 Việc thực hiện trao đổi đơn giản
Vào ra bằng ngắt
Nguyên tắc chung:
 CPU không phải đợi trạng thái sẵn sàng của Module vào ra. 
 Module vào ra khi nó sẵn sàng phát ra tín hiệu yêu cầu ngắt 
CPU
 CPU thực hiện chương trình vào ra tương ứng để trao đổi dữ 
liệu.
 CPU trở lại chương trình đang bị ngắt.
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Cấu trúc Máy tính 233GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Các phương pháp nối ghép
 Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt.
 Kiểm tra vòng bằng phần mềm (Polling)
 Kiểm tra vòng bằng phần cứng
 Sử dụng bộ điều khiển ngắt.
 Nhiều yêu cầu ngắt đồng thời
 CPU sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt. Nạp vào thanh ghi 
yêu cầu ngắt.
 Hạn chế số lượng Module vào ra
 Các đường ngắt được qui định mức ưu tiên.
Cấu trúc Máy tính 234GV: Đinh Đồng Lưỡng
 CPU phát ra tín hiệu chấp nhận ngắt đến Module đầu tiên.
 Nếu Module đó không gây ra ngắt thi nó gới tín hiệu đó tới 
các Module kế tiếp
Module I/O gây ngắt sẽ đặt vector lên bus dữ liệu
 CPU sử dụng ngắt để xác định chương trình con điều khiển 
ngắt
 Thứ tự vào ra các Module trong chuỗi xác định thứ tự ưu 
tiên.
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Cấu trúc Máy tính 235GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Truy nhập bộ nhớ trực tiếp
(DMA: Direct Memory Access)
Với nhược điểm chính của hai phương pháp trên là: 
CPU tham gia trực tiếp vào trao đổi dữ liệu và việc trao đổi 
lượng dữ liệu nhỏ. Để khắc phục hai phương pháp trên một 
phương pháp mới có tên DMA sẽ sử dụng thêm một 
Module phần cứng có DMAC (DMA Controller). Vì vậy 
khi trao đổi dữ liệu không cần CPU.
Cấu trúc Máy tính 236GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Bộ đếm dl
Thanh ghi dl
Thanh ghi đ/c
Khối logic/ ĐK
Đ/K đọc
Đ/k ghi
Y/c DMA
Chấp nhận 
DMA
Y/c Bus
Chuyển nhượng 
Bus
Ngắt
T/h Đọc/ghi
Các đường dl
Các đường đ/c
Cấu trúc Máy tính 237GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Các thành phần của DMAC
 Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ liệu trao đổi.
 Thanh ghi địa chỉ: chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu
 Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ liệu cần trao đổi
 Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của 
DMAC
Hoạt động của DMA
 Khi cần vào ra dữ liệu thì CPU nhờ DMAC tiến hành 
vào ra dữ liệu với thông tin cho biết như sau:
Cấu trúc Máy tính 238GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
 Địa chỉ thiết bị vào ra
 Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu và DMAC nạp 
thanh ghi địa chỉ
 Số từ dữ liệu cần truyền và DMAC nạp vào bộ đếm dữ 
liệu
 CPU sẽ đi thực hiện việc khác
 DMAC điều khiển việc trao đổi dữ liệu sau khi truyền 
một từ dữ liệu thì nội dung thanh ghi địa chỉ tăng lên 
và nội dung bộ đếm dữ liệu giảm xuống một đơn vị.
 Khi bộ đếm bằng dữ liệu bằng 0, DMAC gởi tín hiệu 
ngắt CPU để báo kết thúc DMA 
Cấu trúc Máy tính 239GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
CPU 
DMAC
Thiết bị 
I/O
Bộ nhớ
BUS ĐỊA CHỈ
BUS DỮ LIỆU
HOLD
HLDA
 YÊU CẦU YÊU CẦU
 CHẤP NHẬN CHẬP 
 NHẬN
BUS Đ/K, T/H IO/MEM
Cấu trúc Máy tính 240GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Các kiểu thực hiện DMA
 DMA truyền theo khối: DMAC sử dụng BUS để truyền cả khối 
dữ liệu (CPU chuyển nhượng BUS cho DMAC)
 DMA lấy chu kỳ: DMAC cưỡng bức CPU treo tạm thời từng 
chu kỳ BUS để thực hiện truyền một từ dữ liệu
 DMA trong suốt: DMAC nhận biết những chu kỳ nào CPU 
không sử dụng BUS thì chiếm BUS để trao đổi dữ liệu (DMAC 
lấy lén chu kỳ)
Đặc điểm DMA
 CPU không tham gia trong quá trình trao đổi dữ liệu
 DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa bộ nhớ chính và Module 
vào ra với tốc độ nhanh.
 Phù hợp với yêu cầu trao đổi mảng dữ liệu có kích thước lớn.
Cấu trúc Máy tính 241GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.2 Các phương pháp điều khiển vào ra
Bộ xử lý vào ra
 Việc điều khiển vào ra được sử dụng bởi một bộ điều 
khiển vào ra chuyên dụng.
 Bộ xử lý vào ra hoạt động theo chương trình riêng 
của nó.
 Chương trình của bộ xử lý vào ra có thể nằm trong bộ 
nhớ chính hoặc bộ nhớ riêng.
 Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý
Cấu trúc Máy tính 242GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi 
Nối ghép thiết bị ngoại vi
Các kiểu nối ghép vào ra
 Nối ghép song song
 Nối ghép nối tiếp
Nối ghép song song
Truyền các bit song song
Tốc độ truyền nhanh
Cần đường truyền song song 
Tốn nhiều dây dẫn
Cấu trúc Máy tính 243GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi 
Nối ghép nối tiếp
 Truyền lần lượt từng bit
 Cần có bộ chuyển đổi từ song song sang nối tiếp
 Tốc độ chậm
 Cần ít đường truyền dữ liệu
Các cấu hình ghép nối ghép
 Điểm tới điểm (point to point): Qua một cổng vào ra chỉ có thể 
ghép một thiết bị ngoại vi (PS/2, COM, LPT,)
 Điểm tới đa điểm (Point to multipoint): Thông qua một cổng 
vào ra ghép nhiều thiết bị vào ra. Ví dụ: SCSI(7,15), USB 
(127), 
Cấu trúc Máy tính 244GV: Đinh Đồng Lưỡng
6.4 Các cổng vào ra thông dụng 
Các cổng vào ra thông dụng
 PS/2 : nối ghép bàn phím và chuột
 VGA(Video Graphic Adapter): Cổng nối ghép màn 
hình
 LPT (Line PrinTer): nối ghép với máy in là cổng song 
song
 COM (COMmunication): nối ghép với Modem, chuột, 
và thiết bị khác. Cổng nối tiếp 9 hoặc 25 chân.
 USB: cổng nối tiếp đa năng cho phép nối ghép nối tiếp 
tối đa 17 thiết bị thông qua Hub.
Cấu trúc Máy tính 245GV: Đinh Đồng Lưỡng
THE END