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Ein und Ausgabe
● vonNeumann Konzept enthält folgende Komponenten:– Rechenwerk– Steuerwerk– Speicher– Eingabewerk– Ausgabewerk(siehe 1. Vorlesung)
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SpeicherEingabewerk Ausgabewerk
Rechenwerk
Steuerwerk
Steuerbefehle Daten (Daten, Befehle, Adressen, ...)
v.NeumannArchitektur
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Ein und Ausgabe (2)
● Bisher behandelt:– Steuerwerk– Rechenwerk– Speicher
● aber Wo kommen die Daten her, die zu verarbeiten sind und wie erfährt der Nutzer von den Ergebnissen?
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Ein und Ausgabe (3)
● Vielzahl von Geräten:– Eingabegeräte
● Tastatur, Maus, Trackball, Joystick● Lochkartenleser, Lochbandleser● Scanner● CDROMLaufwerk● Meßgeräte, Mikrofon, Kamera, Sensoren
– Ausgabegeräte● Lochkartenstanzer, Lochbandstanzer● Drucker, Monitor, Beamer● Lautsprecher● Werkzeugmaschinen (NC), Aktoren (Relais, Motor,..)
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Ein und Ausgabe (4)
– Ein und Ausgabegeräte● Magnetbandspeicher (z.B. Streamer)● Floppy Disk● Hard Disk● Telefon● ............
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Ein und Ausgabe (5)
● Alle diese höchst unterschiedlichen Geräte müssen nun mit den „Kernkomponenten“ des Rechners verbunden werden:
Eingabegerät
Ausgabegerät
Ein und Ausgabegerät
Prozessor
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Ein und Ausgabe (6)
● StandardInterfaceGesamtheit elektrischer, konstruktiver, logischer
und zeitlicher Bedingungen („Protokoll“), die die Koppelbarkeit zweier Einheiten (z. B. eines Prozessors und eines peripheren Gerätes) sichern
– Dynamik des Marktes bei peripheren Geräten deutlich größer als bei Prozessoren
– Ein periphäres Gerät muß mit unterschiedlichen Prozessoren arbeiten können
Ein Ausgabeeinheiten zur Umsetzung der Schnittstelle des Prozessors auf die der E/AGeräte
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Ein und Ausgabe (7)
Prozessor Ausgabegerät
Eingabegerät
Ein/Ausgabegerät
E/AEinheit
E/AEinheit
E/AEinheit
Prozessorbus
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Ein und Ausgabe (8)
Ausgabegerät
Eingabegerät
Ein/Ausgabegerät
E/AEinheit
E/AEinheit
E/AEinheit
Prozessorbus
Ein/AusgabegerätE/AEinheit
ProzessorProzessor
Betriebssystem
Anwendungs
programm
LogischeKanäle
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Ein und Ausgabe (9)
● Wie wird die Ein/Ausgabeanforderung eines Benutzers in einen Gerätebefehl umgewandelt und an das Gerät übermittelt?
● Wie werden Daten zu oder von einer Speicherposition übertragen?
● Welche Rolle spielt das Betriebssystem?
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Ein und Ausgabe (10)
● Rolle des Betriebssystems:● Schnittstelle zwischen Hardware und dem
die Ein/Ausgabe anforderndem ProgrammMehrere Programme, die den Prozessor verwenden, nutzen das E/ASystem gemeinsamE/ASysteme verwenden häufig Interrupts, um Informationen über E/AOperationen zu übermitteln. Weil Interrupts einen Übergang in den Kernel oder Supervisormodus verursachen, müssen sie vom Betriebssystem ausgeführt werden.
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Ein und Ausgabe (11)
LowlevelSteuerung eines E/AGerätes ist komplex, weil dafür verschiedene nebenläufige Ereignisse verwaltet werden müssen und weil die Anforderungen für eine korrekte Gerätesteuerung häufig sehr detailliert sind.
● weitere Behandlung: Lehrveranstaltung Betriebssysteme
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Verfahren
● PollingRegelmäßige Abfrage eines Statusbits (E/AGerät stellt Information in Statusregister,
Prozessor muss sich die Information holen)Vorteil: sehr einfachNachteil:sehr viel Prozessorzeit
● InteruptProzessor wird asynchron unterbrochen
● dies wird heute meist angewandt (siehe auch 4. Vorlesung)
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Verfahren (2)
● Beispiel: serielle Schnittstelle
1 Zeichen senden
Statusregister lesen
bereit?
1 Zeichen senden
Ende
nein
ja
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Verfahren (3)
● PollingRegelmäßige Abfrage eines Statusbits (E/AGerät stellt Information in Statusregister,
Prozessor muss sich die Information holen)Vorteil: sehr einfachNachteil:sehr viel Prozessorzeit
● InteruptProzessor wird asynchron unterbrochen
● dies wird heute meist angewandt (siehe auch 4. Vorlesung)
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Ein und Ausgabeeinheiten
● PIO Parallel Input Output – Unit – Beispiele:
● I8212 (8 bit FangRegister mit Interruptsteuerung)● I8266 (3 Kanal PIO des 8086 Systems)● Z80PIO (in der DDR: U855, 2 Kanal PIO des Z80
Systems)● DMA Direct Memory Access
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PIO
● Blöcke von mehreren logischen Signalen können aus dem Rechner an die Umgebungselektronik abgegeben, oder aus der Umgebungselektronik in den Rechner eingelesen werden.
● Das geschieht häufig auf einer Breite von 8 Bit (neuere Entwicklungen: 32 Bit).
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PIO (2)
● Byte Word oder DoubleWord organisierten Datenstrukturen dominieren.
● mehrere Bits mit einem "Kommando" auf die Reise zu einer Gegenstelle geschickt werden.
● diese sollte dazu auch in der Lage sein, die entsprechende Bitanzahl aufzunehmen und solte dazu auch entsprechend programmiert sein.
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PIO (3)
● Die Verfügbarkeit muss also entweder langfristig und in einem garantierten Zeitraum liegen (wobei ms hier schon extrem langfristig sind).
● Der PIOKanal hält Daten auch noch dann bereit, wenn auf dem internen DatenBUS bzw. auf den externen Verbindungsleitungen schon lange andere Daten liegen.
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PIO (I8212)
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PIO (I8212)
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PIO (4)
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PIO (5)
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DMA
● Interruptgesteuerte E/A ===> befreien Prozessor davon, auf jedes einzelne E/AEreignis zu warten
● Verwendung dieser Methode zum Festplattenzugriff ===> großer Teil der Prozessorzeit wird mit Datenübertragung verbraucht.
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DMA (2)
● Mechanismus, der Last vom Prozessor nimmt und es dem Gerätekontroller überläßt, Daten direkt zum oder vom Speicher zu transportieren, ohne den Prozessor daran zu beteiligen ===> Direct Memory Access (DMA)
● Interrupt wird weiter benutzt, um mit dem Prozessor zu kommunizieren, aber nur, um Ende der Kommunikation bzw. Fehler anzuzeigen.
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DMA (3)
● Ablauf:– Prozessor richtet DMA ein (Angabe von:
● Identität des Gerätes● auszuführende Operation● Quelle/Ziel der Daten● Anzahl der Bytes
– DMA startet Operation und teilt Bus zu– Nach Abschluß unterbricht DMA Prozessor mit
Interrupt, Prozessor stellt Korrektheit der Übertragung fest.
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DMA (4)
Hauptspeicher CPU
DMAKontroller Peripheriegerät
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DMA (5)
● Ablauf:– Prozessor richtet DMA ein (Angabe von:
● Identität des Gerätes● auszuführende Operation● Quelle/Ziel der Daten● Anzahl der Bytes
– DMA startet Operation und teilt Bus zu– Nach Abschluß unterbricht DMA Prozessor mit
Interrupt, Prozessor stellt Korrektheit der Übertragung fest.
![Page 29: Ein und Ausgabe - Technische Universität Chemnitz · Ein und Ausgabe vonNeumann Konzept enthält folgende Komponenten: – Rechenwerk – Steuerwerk – Speicher – Eingabewerk](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022041203/5d505dec88c9935b5a8be4df/html5/thumbnails/29.jpg)
DMA (6)
Hauptspeicher CPU
DMAKontroller Peripheriegerät
Direkter Transfer
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DMA (7)
Hauptspeicher CPU
DMAKontroller Peripheriegerät
Indirekter Transfer
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DMA (8)
● Ablauf:– Prozessor richtet DMA ein (Angabe von:
● Identität des Gerätes● auszuführende Operation● Quelle/Ziel der Daten● Anzahl der Bytes
– DMA startet Operation und teilt Bus zu– Nach Abschluß unterbricht DMA Prozessor
mit Interrupt, Prozessor stellt Korrektheit der Übertragung fest.
![Page 32: Ein und Ausgabe - Technische Universität Chemnitz · Ein und Ausgabe vonNeumann Konzept enthält folgende Komponenten: – Rechenwerk – Steuerwerk – Speicher – Eingabewerk](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022041203/5d505dec88c9935b5a8be4df/html5/thumbnails/32.jpg)
Vergleich E/AVerfahren
Polling Interrupt DMA gesteuert
Initialisierung
1. Wert bereit2. Wert bereit3. Wert bereit...letzter Wert bereit
CPU belegt
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Amdahls's Gesetz
● Ausführungszeit nach der Verbesserung = (von der Verbesserung betroffene Ausführungszeit) / Verbesserungsfaktor + von Verbesserung nicht betroffene Ausführungszeit
![Page 34: Ein und Ausgabe - Technische Universität Chemnitz · Ein und Ausgabe vonNeumann Konzept enthält folgende Komponenten: – Rechenwerk – Steuerwerk – Speicher – Eingabewerk](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022041203/5d505dec88c9935b5a8be4df/html5/thumbnails/34.jpg)
E/ALeistung im Vergleich mit Prozessorleistung
● Beispiel:– Benchmark, der in 100 Sekunden
Gesamtausführungszeit ausgeführt wird. 90 % Prozessorzeit, 10 % % E/A Zeit
– Um wieviel schneller wird ein Programm ausgeführt, wenn sich die CPUZeit in den nächsten 5 Jahren jährlich um 50 %, die E/AZeit jedoch gar nicht verbessert?
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E/ALeistung im Vergleich mit Prozessorleistung (2)
Jahre CPUZeit E/A Zeit Gesamtzeit Anteil E/A in %0 90 10 100 101 60 10 70 142 40 10 50 203 27 10 37 274 18 10 28 365 12 10 22 45