計算機システム

Ⅱ

入出力と周辺装置

和田俊和

講義計画

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コンピュータの歴史１ コンピュータの歴史２ コンピュータの歴史３ 論理回路と記憶，計算：レジスタとALU 主記憶装置とALU，レジスタの制御 命令セットアーキテクチャ 演習問題 パイプライン処理 メモリ階層：キャッシュと仮想記憶 命令レベル並列処理 入出力と周辺装置 （←本日） 演習問題 現代的な計算機アーキテクチャの解説 演習問題 総括と試験 • 教科書：坂井修一著：電子情報通信学会レクチャーシリーズＣ−９，コンピュータアー キテクチャ，コロナ社 • 最終回の試験 によって成績評価を行う． ５回以上欠席で不合格 とする．

コンピュータ

本日の講義の範囲

デバイス コントローラ デバイス

７．１ 周辺装置

(PERIPHERAL DEVICES)

7.1.1

並列処理

• 各デバイス の種類に応 じて，入出力 の方法が異 なる．

7.1.2

液晶ディスプレイ

• • 光は，電磁波であり， 電界の振動と磁界 の振動が通常は直 交している． 特定方向の振動面 を持つ光だけを通 すのが偏光フィルタ．

液晶ディスプレイ

• • • 液晶は印加電圧に よって偏光面が変 化するデバイス． 電圧ゼロのときに， 偏光フィルタの偏光 面と直交する → 光 を通さない． 電圧をかけると偏 光フィルタと同じ偏 光面となり光が通 過する

7.1.3 磁気ディスク

• • • シリンダ トラック セクタ 円盤形デバイス はシーク時間が 短い

7.2

入出力の機構と動作

7.2.1 ハードウエアインタフェース

• 各デバイスはバスによって結合されている． このテキスト では，主記憶 とＣＰＵがバス を経由しない 接続になって いるが，バス を経由してア クセスするも のもある．

バスの種類

• • • ＶＭＥバス : モトローラ 68000 用 ＳＢＵＳ： Sun Microsystems の SPARC 用 ＰＣＩバス：スイッチ形バス

7.2.2 データ転送の手順

７．Ａ 入出力の手順 ① ポーリングまたは割り込みによる入出力の起動 ② ③ ④ 前処理 命令またはＤＭＡによる主記憶・周辺装置間のデータ転送 後処理 • • ポーリングは，ＣＰＵが各周辺装置を見回って，入出力要 求があるかどうかを調べる方法．処理は単純であるが， 入出力要求に即応できない． 割り込みは，周辺装置の割り込みコントローラからＣＰＵ に割り込み信号を入れ，ＣＰＵに例外処理を行わせる中 で入出力を行わせる方法である．入出力要求に即応す ることが出来るが，レジスタ待避やキャッシュの書き戻し などの前処理・後処理のオーバヘッド時間がかかる．

7.2.2 割り込みの調停

• 複数の割り込み要求を同時にこなすことはできな いので，それらから一つを選択する必要がある． これを行うのがアービタ （ arbiter, 調停器）である． 1.

2.

3.

同じ優先度の割り込み要 求は優先度毎に決められ たランダムアービタに繋ぎ 込まれ，その中からランダ ムに一つを選ぶ． プライオリティエンコーダは， これらの中から優先度の 最も高いものを選び，それ をエンコードしてＣＰＵに送 る． ＣＰＵが割り込みを許可す れば，周辺機器とＣＰＵ間 でデータ転送が起きる．

デイジーチェイン方式のアービタ

• 簡便なアービタ．コントローラから割り込み要求を送り，最 初に許可信号をもらったデバイスが割り込み権を獲得する． 欠点：ＣＰＵか ら近いデバイ スが権利を取 りやすいため， 優先度の低 いデバイスが 処理を進めら れなくなる可 能性がある ．

7.2.4 DMA

７．Ｂ 周辺装置とのデータ転送 • Direct Memory Access 最も高速なデータ転送の方法 ① 入出力専用命令を使って，デー タの読み出し，または書き出しを 行う．データ入出力用のポートを 用いる． ② 周辺装置にアドレスを割り当て ておき，そのアドレスを用いて， データのロード，ストア命令で データの読み書きを行う． ③ データ転送専用のハードウエア を用いて，ＣＰＵを介さずに周辺 装置と主記憶の間で読み書きを 行う．

DMA Controller

• • ＤＭＡ転送を司る装置． 以下の動作を行う ７．Ｃ ＤＭＡの手順 ① DMAC のメモリアドレスレジスタ（ＭＡＲ），アドレスカウンタ（ＡＣ）のそれぞれに， ＣＰＵが値を書き込みＤＭＡ転送開始の指示を送る． ② ③ ＣＰＵはバスへのアクセスをやめ，ＤＭＡＣが主導権をもってデータ転送を行う． ＤＭＡＣはアドレスバスにＭＡＲの値を書き， 1 回のデータ転送が終わるたびに， ＭＡＲの値を増やし，ＡＣの値を減らす． ＡＣの値が０になった時点ででＤＭＡは転送を終了し，バスの制御をＣＰＵに戻 す．

7.3

例外処理

7.3.1 例外の要因

7.3.2 例外処理の手順

入出力に伴う割り込みは，例外処理を引き起こす．ここでは 割り込みにとらわれず，一般的な例外処理の説明をする． ７．Ｄ 例外処理の手順 ① 例外処理要因が発生したら，ＣＰＵはこれを受け付けるかどうかを決める．複数の要 因が重なった場合は優先度が最も高い要因を一つ選択する． ② 受け付けることが決まった場合，実行中プログラムの状態を待避させる．（データレ ジスタ，ＰＣ，状態レジスタなどをメモリ上に待避させる．） ③ 例外処理のカーネルプログラムを起動する．カーネルプログラムは，要因に応じて表 ７．２の処理を実行する． ④ 処理が終われば，待避させていたレジスタ類を復帰させ，元のプログラムの実行に 戻る．

コンピュータ

本日の講義の範囲

デバイス コントローラ デバイス