บน 05/01/2025 13,921

อุปกรณ์ IO สื่อสารกับ CPU ได้อย่างไร?

คุณอาจสงสัยว่าคอมพิวเตอร์ของคุณแบ่งปันข้อมูลกับอุปกรณ์เช่นเครื่องพิมพ์แป้นพิมพ์และที่เก็บข้อมูลได้อย่างไรคู่มือสั้น ๆ นี้แสดงพื้นฐานของอินพุต/เอาต์พุตและวิธีการเคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่างระบบของคุณและโลกภายนอกนอกจากนี้คุณยังจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการต่าง ๆ ที่อุปกรณ์เชื่อมต่อและวิธีหลีกเลี่ยงการชะลอตัว

แคตตาล็อก

เบื้องต้นเกี่ยวกับระบบ I/O

I/O หมายถึงวิธีการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างหน่วยความจำภายในของคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ภายนอกเช่นฮาร์ดไดรฟ์เครื่องพิมพ์หรือระบบอื่น ๆเป็นการเชื่อมต่อระหว่างระบบและโลกภายนอกการจัดการสัญญาณหรือข้อมูลทั้งสองทิศทางตัวอย่างเช่นเมื่อคุณพิมพ์บนแป้นพิมพ์หรือคลิกเมาส์นี่คืออินพุตในทำนองเดียวกันการแสดงผลบนจอภาพของคุณหรือเสียงจากลำโพงของคุณเป็นเอาต์พุต

อุปกรณ์เช่นคีย์บอร์ด, หนู, จอภาพและเครื่องพิมพ์เป็นตัวอย่างทั่วไปของฮาร์ดแวร์ I/Oพวกเขาช่วยให้ผู้ใช้โต้ตอบกับคอมพิวเตอร์แม้แต่อุปกรณ์เครือข่ายเช่นโมเด็มและการ์ดเครือข่ายยังดำเนินการ I/O ทำให้การสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์เป็นไปได้

ประเภทของอินเทอร์เฟซ I/O

อินเทอร์เฟซ I/O ทำให้มั่นใจได้ว่าการเชื่อมต่อที่ราบรื่นระหว่าง CPU วงจร I/O และอุปกรณ์ต่อพ่วงผ่านบัสระบบอินเทอร์เฟซเหล่านี้แบ่งตามความซับซ้อนในการออกแบบและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

ชิปอินเทอร์เฟซ I/O

ชิปอินเทอร์เฟซ I/O มีขนาดเล็กวงจรรวมที่จัดการการสื่อสารระหว่าง CPU และอุปกรณ์ต่อพ่วงชิปเหล่านี้อนุญาตให้ CPU ส่งคำสั่งและพารามิเตอร์ทำให้อุปกรณ์สามารถทำหน้าที่เฉพาะได้ตัวอย่างเช่นตัวนับตัวจับเวลาจัดการการทำงานที่ไวต่อเวลาคอนโทรลเลอร์ขัดจังหวะจัดการคำขอจากอุปกรณ์ไปยัง CPU และตัวควบคุม DMA เปิดใช้งานการเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรงโดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับ CPU อย่างหนักในทางกลับกันอินเทอร์เฟซแบบขนานอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนข้อมูลที่เร็วขึ้นโดยส่งหลายบิตในเวลาเดียวกันทำให้เป็นประโยชน์สำหรับอุปกรณ์เช่นเครื่องพิมพ์

การ์ดควบคุมอินเตอร์เฟส I/O

การ์ดควบคุมอินเตอร์เฟส I/O เป็นส่วนประกอบแบบแยกส่วนที่สร้างขึ้นจากวงจรรวมหลายวงที่จัดเรียงอย่างมีเหตุผลการ์ดเหล่านี้สามารถติดตั้งไว้ล่วงหน้าบนเมนบอร์ดหรือเพิ่มในภายหลังเป็นปลั๊กอินผ่านบัสระบบประเภทของการเชื่อมต่อขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออินเตอร์เฟสอนุกรมถ่ายโอนข้อมูลทีละบิตและมักจะใช้กับโมเด็มอินเทอร์เฟซแบบขนานซึ่งส่งหลายบิตพร้อมกันทำงานได้ดีกับเครื่องพิมพ์และเครื่องสแกนอินเทอร์เฟซแป้นพิมพ์มีความเชี่ยวชาญในการจัดการสัญญาณอินพุตจากแป้นพิมพ์ในขณะที่อินเทอร์เฟซดิสก์มั่นใจได้ว่าการสื่อสารที่เชื่อถือได้กับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลเช่นฮาร์ดไดรฟ์และ SSDแต่ละประเภทการเชื่อมต่อได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์เฉพาะที่รองรับเพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

ฟังก์ชั่นหลักของอินเทอร์เฟซ I/O

การทำงานร่วมกันระหว่าง CPU และอุปกรณ์ต่อพ่วงเกี่ยวข้องกับการเอาชนะความท้าทายหลายประการความท้าทายเหล่านี้เกิดขึ้นจากความแตกต่างของความเร็วเวลารูปแบบข้อมูลและประเภทสัญญาณนี่คือการพิจารณาปัญหาเหล่านี้อย่างใกล้ชิด:

ความเร็วไม่ตรงกัน

ความเร็วที่อุปกรณ์ I/O ทำงานมักจะช้ากว่าความเร็วในการประมวลผลของ CPU มากตัวอย่างเช่นเครื่องพิมพ์อาจใช้เวลาไม่กี่วินาทีในการพิมพ์หน้าเว็บในขณะที่ CPU สามารถประมวลผลคำแนะนำหลายพันคำในระยะเวลาเดียวกันนอกจากนี้แม้กระทั่งในอุปกรณ์ I/O ความเร็วก็แตกต่างกันอย่างมากฮาร์ดดิสก์ถ่ายโอนข้อมูลได้เร็วกว่าเครื่องพิมพ์ระบบจะต้องจัดการความไม่ตรงกันนี้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อหลีกเลี่ยงความล่าช้าหรือความไร้ประสิทธิภาพ

เวลาไม่ตรงกัน

ทุกอุปกรณ์ I/O ทำงานด้วยการควบคุมเวลาของตัวเองซึ่งหมายความว่าจะประมวลผลข้อมูลตามความเร็วของตัวเองเวลานี้มักจะไม่สอดคล้องกับจังหวะการประมวลผลของ CPUตัวอย่างเช่นแป้นพิมพ์อาจส่งข้อมูลเป็นระยะเวลาที่ผิดปกติตามอินพุตของผู้ใช้ในขณะที่ CPU คาดว่าจะมีการไหลของข้อมูลที่สอดคล้องกันอินเทอร์เฟซซิงโครไนซ์ความแตกต่างเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าการสื่อสารที่ราบรื่น

รูปแบบข้อมูลไม่ตรงกัน

อุปกรณ์ที่แตกต่างกันใช้รูปแบบที่แตกต่างกันในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลตัวอย่างเช่นอุปกรณ์บางตัวจัดการข้อมูลในรูปแบบไบนารีอื่น ๆ ในการเข้ารหัส ASCII และอุปกรณ์อื่น ๆ ใน BCD (ทศนิยมรหัสไบนารี)นอกจากนี้อุปกรณ์บางตัวส่งข้อมูลแบบอนุกรมทีละบิตในขณะที่อุปกรณ์อื่นใช้การส่งแบบขนานเพื่อส่งหลายบิตพร้อมกันอินเทอร์เฟซช่วยแปลและจัดรูปแบบเหล่านี้เพื่อให้ CPU สามารถตีความข้อมูลได้อย่างถูกต้อง

ประเภทข้อมูลไม่ตรงกัน

อุปกรณ์อาจทำงานกับสัญญาณประเภทต่าง ๆบางคนใช้สัญญาณดิจิตอลซึ่งไม่ต่อเนื่องในขณะที่คนอื่นพึ่งพาสัญญาณอะนาล็อกซึ่งต่อเนื่องตัวอย่างเช่นไมโครโฟนอาจสร้างสัญญาณอะนาล็อกในขณะที่ CPU ประมวลผลข้อมูลดิจิตอลเท่านั้นอินเทอร์เฟซแปลงสัญญาณเหล่านี้ตามต้องการทำให้ CPU สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์ที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ขึ้นอยู่กับเหตุผลที่กล่าวถึงการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง CPU และอุปกรณ์ต่อพ่วงนั้นขึ้นอยู่กับอินเทอร์เฟซที่ทำหน้าที่หลายอย่าง:

•การลงทะเบียนข้อมูลและการบัฟเฟอร์เพื่อจัดการกับความแตกต่างของความเร็วและเปิดใช้งานการส่งแบทช์ด้วยชิปขนาดใหญ่

•การแปลงรูปแบบข้อมูลเช่นอนุกรมเป็นการแปลงแบบขนาน

•การประสานงานระดับและประเภทโดยใช้ตัวแปลงสำหรับความเข้ากันได้ของสัญญาณ

•การซิงโครไนซ์เวลาเพื่อจัดตำแหน่งอุปกรณ์และการดำเนินการ CPU

•การถอดรหัสที่อยู่และการเลือกอุปกรณ์สำหรับการสื่อสารอุปกรณ์ต่อพ่วงที่แม่นยำ

•การควบคุมการขัดจังหวะและ DMA เพื่อจัดการคำขอและตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการถ่ายโอนข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ

วิธีการควบคุมอุปกรณ์ I/O

วิธีการสอบถามโปรแกรม

วิธีนี้เกี่ยวข้องกับ CPU ซ้ำ ๆ การตรวจสอบสถานะของอุปกรณ์ต่อพ่วงซ้ำ ๆ เพื่อตรวจสอบว่าพร้อมสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลหรือไม่หากอุปกรณ์พร้อม CPU จะทำการแลกเปลี่ยนมิฉะนั้นจะรอและยังคงค้นหาต่อไปข้อดีของวิธีนี้อยู่ในความเรียบง่ายเนื่องจากต้องใช้ฮาร์ดแวร์น้อยที่สุดอย่างไรก็ตามมันไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจาก CPU ใช้เวลาส่วนใหญ่ในสถานะรอซึ่งจะช่วยลดผลผลิตเมื่อจัดการงานอื่น ๆ

วิธีการประมวลผลขัดจังหวะ

ในวิธีการนี้อุปกรณ์ต่อพ่วงจะส่งสัญญาณขัดจังหวะไปยัง CPU เมื่อพร้อมสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลCPU หยุดงานปัจจุบันชั่วคราวประมวลผลการขัดจังหวะและดำเนินการแลกเปลี่ยนข้อมูลเมื่อเสร็จแล้ว CPU จะดำเนินการต่อไปก่อนหน้านี้วิธีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมโดยการปลด CPU จากการสำรวจอย่างต่อเนื่องอย่างไรก็ตามต้องมีการกำหนดหมายเลขคำขอขัดจังหวะให้กับแต่ละอุปกรณ์และสร้างโปรแกรมบริการเฉพาะการหยุดชะงักบ่อยครั้งโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงสามารถลดประสิทธิภาพของระบบได้เนื่องจากเวลาที่จำเป็นสำหรับการจัดการการขัดจังหวะแต่ละครั้ง

วิธีการถ่ายโอน DMA

การเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง (DMA) ช่วยให้การถ่ายโอนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่อพ่วงและหน่วยความจำโดยไม่เกี่ยวข้องกับ CPUคอนโทรลเลอร์ DMA ร้องขอการควบคุมบัสจาก CPU ก่อนเริ่มการโอนเมื่อได้รับแล้วคอนโทรลเลอร์จะทำการถ่ายโอนข้อมูลให้เสร็จสมบูรณ์และส่งคืนการควบคุมไปยัง CPU หลังจากนั้นวิธีการนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ CPU อย่างมีนัยสำคัญโดยการถ่ายโอนภาระงานถ่ายโอนมันมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลความเร็วสูง

โหมดช่อง

โหมดช่องสัญญาณแนะนำโปรเซสเซอร์เฉพาะหรือช่องเพื่อจัดการการดำเนินการ I/Oโปรเซสเซอร์นี้จัดการการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ต่อพ่วงและระบบลดภาระงานใน CPUด้วยการลดความรับผิดชอบนี้ CPU สามารถมุ่งเน้นไปที่งานที่ซับซ้อนมากขึ้นในขณะที่โปรเซสเซอร์ช่องทางทำให้มั่นใจได้ว่าการสื่อสารรอบนอกที่ราบรื่นและเชื่อถือได้วิธีนี้เหมาะสำหรับระบบที่ต้องใช้การดำเนินงาน I/O บ่อยครั้งหรือกว้างขวาง

ปัญหาอุปกรณ์ I/O ทั่วไปและโซลูชัน

อุปกรณ์ที่ไม่ทำงานตามปกติ

บางครั้งอุปกรณ์ I/O หยุดทำงานเช่นเมื่ออินเทอร์เฟซภายนอกล้มเหลวแป้นพิมพ์บนแล็ปท็อปจะไม่ตอบสนองหรือหน้าจอสัมผัสหยุดการตรวจจับอินพุตปัญหาเหล่านี้อาจเกิดจากข้อบกพร่องของซอฟต์แวร์ปัญหาไดรเวอร์หรือความผิดปกติของฮาร์ดแวร์การตรวจสอบให้แน่ใจว่าไดรเวอร์อุปกรณ์ได้รับการปรับปรุงและทำการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอสามารถช่วยแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้

รหัสข้อผิดพลาดเครื่องมือวินิจฉัย

เมื่อใช้เครื่องมือบำรุงรักษาคอมพิวเตอร์เช่นการ์ดวินิจฉัยเมนบอร์ดรหัสข้อผิดพลาดเช่น FF, 00 หรือ DD อาจปรากฏขึ้นหรือระบบอาจแสดงรหัสซ้ำ ๆ เช่น C1 ถึง C5รหัสเหล่านี้บ่งบอกถึงปัญหาฮาร์ดแวร์หรือการกำหนดค่าพื้นฐานการอ้างอิงคู่มือเครื่องมือวินิจฉัยสามารถช่วยระบุปัญหาและแนะนำการแก้ไขที่จำเป็น

ลัดวงจรและไฟฟ้าคงที่

การลัดวงจรในอุปกรณ์ I/O สามารถทำลายส่วนประกอบต่างๆเช่นตัวเก็บประจุและไดโอดซึ่งมักเกิดจากกระแสไฟฟ้าคงที่เมื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ภายนอกสิ่งนี้สามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่รุนแรงเช่นระบบที่ไม่สามารถใช้พลังงานได้การใช้ข้อควรระวังต่อต้านคงที่และการสร้างความมั่นใจว่าการต่อสายดินที่เหมาะสมสามารถลดความเสี่ยงของความเสียหายได้

มาตรการป้องกันสำหรับอุปกรณ์ I/O

อุปกรณ์ I/O มีความละเอียดอ่อนและต้องการการดูแลในระหว่างการใช้งานหลีกเลี่ยงการใช้พวกเขาในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงหรือชื้นเนื่องจากเงื่อนไขเหล่านี้สามารถทำลายส่วนประกอบของพวกเขาได้การทำความสะอาดอย่างสม่ำเสมอการจัดการที่ปลอดภัยและการจัดเก็บที่เหมาะสมสามารถยืดอายุการใช้งานและลดความเสี่ยงของความล้มเหลวสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมและการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการรักษาฟังก์ชั่นของพวกเขา

ผลกระทบของคอขวด CPU ต่อการดำเนินงาน I/O

ในการตั้งค่าเมนเฟรมที่ CPU ไม่ได้ทรงพลังมากงาน I/O สามารถทำให้สิ่งต่าง ๆ ช้าลงเมื่อซีพียูยืดบาง ๆ งานแบทช์ - โดยปกติแล้วจะเป็นลำดับความสำคัญต่ำสุด - สู้กับประสิทธิภาพ I/Oพวกเขาแทบจะไม่ได้เรียกใช้ I/O เพราะพวกเขาต้องแบ่งปันทรัพยากรกับกระบวนการออนไลน์ทุกครั้งที่งานแบทช์พยายามดำเนินการ I/O จะต้องเลิกใช้เวลา CPU ให้กับงานที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่าแม้ว่า I/O จะเสร็จสิ้นอย่างรวดเร็วงานแบทช์ยังคงต้องรอให้ CPU กำหนดเวลาขั้นตอนต่อไป

โดยทั่วไปแล้วกระบวนการออนไลน์จะได้รับเวลา CPU ที่ต้องการโดยไม่ทำให้เกิดความล่าช้าในระบบเช่น CICS หรือ IMS เนื่องจากการดำเนินการ I/O ของพวกเขาไม่ได้เชื่อมโยงกันอย่างไรก็ตามงานเฉพาะบางอย่างยังคงประสบปัญหาเมื่อ CPU ไม่ว่างตัวอย่างเช่นใน CICS หลังจากทำธุรกรรม I/O เสร็จแล้วมันจะผ่านตัวกำหนดตารางเวลาโซ่ CICS ซึ่งสามารถสร้างสายรอนานในระหว่างการทำงานหนัก

ในทำนองเดียวกันใน IMS เมื่อฐานข้อมูล I/O เสร็จสมบูรณ์จะแจ้งพื้นที่ประมวลผลข้อความ (MPR) ซึ่งจะต้องแข่งขันเพื่อทรัพยากร CPU ก่อนที่จะสามารถดำเนินการต่อได้ซึ่งหมายความว่าแม้แต่การดำเนินการ I/O ที่เร็วที่สุดก็ไม่สามารถเข้าถึงความเร็วได้อย่างเต็มที่ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้

เพื่อป้องกันการชะลอตัวเหล่านี้จะมีประโยชน์ในการใช้หน่วยความจำอินพุตข้อมูลให้มากที่สุดซึ่งรวมถึงการใช้พูลบัฟเฟอร์ตารางอ้างอิงและช่องว่างแคชข้อมูลเพื่อป้องกันไม่ให้ CPU กลายเป็นคอขวด