ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

Transkripsi

1 ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER PART 2: THE COMPUTER SYSTEM CHAPTER 7: INPUT/OUTPUT PRIO HANDOKO, S.KOM., M.T.I. CHAPTER 7: INTERNAL MEMORY Kompetensi Dasar Mahasiswa memahami interaksi antara I/O dan processor Agenda External Devices I/O Modules CHAPTER 7: INTERNAL MEMORY I/O Operation Programmed I/O Interrupt-Driven I/O Direct Memory Access I/O Channels and Processors The External Interface: Firewire and Infiniband 3 4 1

2 I/O Introduction I/O Introduction (2) 1. Sistem komputer berhubungan dunia luar. 2. Terdapat permasalahan yang muncul berkenaan dengan I/O: 1. format data dan panjang word berbeda dengan sistem komputer; 2. kecepatan transfer data peripheral < CPU dan RAM 3. Dibutuhkan sebuah arsitektur yang: 1. dirancang untuk menyediakan alat yang sistematis untuk mengontrol interaksi dengan dunia luar; 2. menyediakan: 1. sistem operasi serta informasi yang diperlukan untuk mengatur aktivitas I/O secara efektif; 2. antar muka ke CPU dan memory, melalui sistem bus; 3. antar muka ke satu atau lebih peripherals dengan link data yang sesuai. 5 6 I/O Introduction (3) 7.1 External Devices Perangkat eksternal secara luas digolongkan kedalam 3 kategori : 1. Human Readable 2. Machine Readable 3. Communication 7 8 2

3 Typical I/O Device Data Rates 7.1 External Devices (2) Block Diagram of an External Device I/O Module Module Function 1. Control & Timing, mengkoordinasikan lalu lintas antara sumber daya internal dan perangkat eksternal. 2. CPU Communication, melakukan komunikasi antara CPU dan perangkat eksternal. 1. Command Decoding 2. Data 3. Status Reporting 4. Address Recognition 7.2 I/O Module (2) 3. Device Communication, komunikasi yang melibatkan perintah, informasi status, dan data. 4. Data Buffering, menampung data sementara. 5. Error Detection, sebuah mekanisme pelaporan kesalahan proses I/O ke CPU

4 Block Diagram of an I/O Module 7.3 I/O Operation Terdapat 3 buah teknik yang berkenaan dengan operasi I/O. 1. Programmed I/O 2. Interrupt-Driven I/O 3. Direct Memory Access I/O Operation (2) 7.3 I/O Operation (3) Programmed I/O CPU memiliki kontrol langsung terhadap operasi I/O, termasuk: mengetahui status perangkat; mengirimkan perintah R/W; dan melakukan pengiriman data. CPU menunggu hingga modul I/O menyelesaikan operasinya Memboroskan waktu CPU Cara Kerja Programmed I/O 1. CPU requests I/O operation 2. I/O module performs operation 3. I/O module sets status bits 4. CPU checks status bits periodically 5. I/O module does not inform CPU directly 6. I/O module does not interrupt CPU 7. CPU wait until I/O operation finish

5 7.3 I/O Operation (4) I/O Command - Programmed I/O 1. CPU menerbitkan alamat Modul I/O & perangkat eksternal tertentu 2. CPU memberikan perintah I/O: Control Test Read Write 7.3 I/O Operation (4) I/O Instruction Programmed I/O 1. Bentuk dari instuksi tergantung kepada cara perangkat eksternal dialamatkan. 2. Setiap perangkat diberikan penanda unik (alamat). 3. Perintah CPU mengandung penanda unik perangkat. 4. Modul I/O harus menterjemahkan alamat tersebut I/O Operation (5) 7.3 I/O Operation (6) Interrupt-Driven I/O Menghilangkan waktu menunggu CPU terhadap proses I/O CPU tidak perlu secara periodik melakukan pengecekkan status modul I/O Interupsi akan diberikan ketika modul I/O telah siap untuk bertukar data dengan CPU Modul I/O telah siap interrupt CPU menanggapi menangguhkan proses selanjutnya transfer data finish melajutkan kembali proses yang ditangguhkan Interrupt-Driven I/O I/O Module Viewpoint CPU memberikan perintah baca kepada modul I/O Modul I/O menerima perintah tersebut dan melakukan pembacaan data dari perangkat yang dimaksud Ketika data telah tersimpan pada data register modul I/O, modul I/O akan mengirimkan sinyal interrupt kepada CPU dan menunggu

6 7.3 I/O Operation (7) Ketika CPU meminta data, modul I/O menyimpan data tersebut pada bus data, kemudian bersiap untuk melakukan operasi I/O lainnya. 7.3 I/O Operation (8) Interrupt-Driven I/O CPU Viewpoint CPU memberikan perintah baca kepada modul I/O Modul I/O menerima perintah tersebut dan melakukan pembacaan data dari perangkat yang dimaksud CPU mengerjakan pekerjaan yang lain Setiap kali CPU telah menyelesaikan 1 siklus pengolahan CPU cek interrupt ada CPU menyimpan konteks pengolahan (PC dan register) menanggapi interrupt I/O Operation (9) Interrupt-Driven I/O Interrupt Processing 7.3 I/O Operation (11) Interrupt-Driven I/O Design Issues How does the processor determine which device issued the interrupt? How does the processor decide which one to process? If multiple interrupt accured. 4 teknik yang umum digunakan: 1. Multiple interrupt lines 2. Software poll 3. Daisy Chain (Hardware poll, vectored) 4. Bus Arbitration (vector)

7 7.3 I/O Operation (11) 7.3 I/O Operation (12) Interrupt-Driven I/O Design Issues 1. Multiple Interrupt Lines, menyediakan banyak jalur interupsi antara CPU dan modul I/O. 2. Software Poll. 1. mengumpulkan setiap modul I/O untuk menentukan modul I/O yang menyebabkan interrupt; 2. CPU menempatkan alamat modul I/O tertentu pada bus alamat; 3. modul I/O akan memberi respon apabila modul I/O memberikan interrupt; 4. karena setiap modul I/O memiliki register status yang dapat dialamatkan, maka CPU akan membaca register status setiap modul I/O untuk mengidentifikasikan modul yang mengirimkan interrupt; 5. ketika modul I/O yang tepat ditemukan, maka deviceservice routine diberikan kepada perangkat tersebut. 3. Daisy Chain. 1. semua modul I/O berbagi interrupt request line; 2. sinyal interrupt acknowledge line dikirimkan secara berantai (chained) melalui modul-modul; 3. ketika CPU mengetahui adanya interrupt, CPU menerbitkan interrupt acknowledge; I/O Operation (13) 7.4 Direct Memory Access 4. sinyal interrupt acknowledge merambat melalui serangkaian modul I/O hingga ke modul yang memberikan interrupt; 5. modul yang memberikan interrupt menanggapi dengan dengan menempatkan word pada bus data (vector); 6. Bus Arbitration, modul I/O harus memperoleh kontrol bus sebelum menggunakan interrupt request line. Kekurangan programmed I/O dan interruptdriven I/O: 1. baik interrupt-driven I/O maupun programmed I/O membutuhkan keterlibatan CPU; 2. kecepatan pengiriman data dibatasi oleh kecepatan transfer I/O; 3. prosesor ditentukan oleh pengaturan transfer I/O, dimana sejumlah instruksi harus dieksekusi untuk setiap transfer I/O

8 7.4 Direct Memory Access (2) 7.4 Direct Memory Access (3) DMA Function Melibatkan modul tambahan pada sistem bus modul DMA Modul DMA mampu menirukan prosesor dan bahkan mengambil alih kontrol sistem dari prosesor. Modul DMA harus menggunakan bus hanya ketika prosesor tidak memerlukannya atau modul DMA harus memaksa prosesor untuk menghentikan operasi untuk sementara cycle stealing DMA Operation read/write yang diminta, alamat perangkat I/O alamat awal blok memori data jumlah datayang akan dikirimkan CPU RAM interrupt request r/w DMA Module data transfer status checking /r/w data Device-1 Device-2 Device-n DMA Cycle Stealing 7.4 Direct Memory Access (5) DMA Configuration 1 Single-bus, detached DMA Semua modul berbagi bus sistem Pengiriman data menggunakan bus data sebanyak 2 kali: I/O DMA memori CPU menunda sebanyak 2 kali

9 7.4 Direct Memory Access (6) DMA Configuration Direct Memory Access (7) DMA Configuration - 3 Single-bus, integrated DMA controller Controller dapat menangani > 1 perangkat I/O Pengiriman data menggunakan bus data sebanyak 1 kali: I/O- DMA memori CPU menunda sebanyak 1 kali Direct Memory Access (8) 7.5 I/O Channels DMA Configuration 3 (2) Separate I/O Bus Bus mendukung semua perangkat aktif DMA Pengiriman data menggunakan bus data sebanyak 1 kali: DMA memori CPU menunda sebanyak 1 kali I/O Channels Evolution of I/O Function 1. CPU mengontrol peripheral secara langsung 2. CPU menggunakan I/O terprogram 3. CPU menggunakan Interupsi (interrup-driven I/O) 4. Modul I/O diberi akses langsung melalui DMA 5. Modul I/O ditingkatkan kemampuannya untuk dapat melakukan pengolahan instruksi I/O Channel I/O 6. Modul I/O dilengkapi dengan memori internal processor I/O

10 7.5 I/O Channels (1) I/O Channels Characteristics 7.5 I/O Channels (2) I/O Channels Architecture 1. Merupakan perluasan dari konsep DMA 2. Memiliki kemampuan untuk melakukan pengolahan instruksi I/O. 3. Memiliki kendali penuh terhadap operasi I/O. 4. Memiliki special-purpose processor untuk mengeksekusi Instruksi I/O yang disimpan dalam memori utama. Selector Multiplexor Infiniband Advantages Firewire Over I/O Interfaces 1. High speed. 2. Low Cost. 3. Easy to implement. 4. Menghubungkan banyak periphreal, komputer dan non-komputer. Disadvantages Firewire Over I/O Interfaces 1. Jangkauan

11 Infiniband (1) Firewire - Configuration 1. Serial transmission 2. Menggunakan operasi I/O daisy chain 3. Dapat menghubungkan 63 perangkat hanya menggunakan 1 port. 4. Memiliki hingga 1022 bus yang dapat tehubung satu dengan lainnya menggunakan bridge. 5. Konfigurasi otomatis 6. Tidak memiliki bus terminator 7. A tree-structured configuration Infiniband (2) Firewire 3 Layer of Firewire 1. Physical Layer, mendefinisikan media transmisi yang diizinkan oleh firewire 2. Link Layer, bertanggung jawab dalam transmisi data 3. Transaction Layer, mendefinisikan protokol request-response yang menyembunyikan lowerlayer rincian firewire dari aplikasi Infiniband (3) Firewire Physical Layer Data rates from 25 to 400 Mbps Two forms of arbitration Based on tree structure Root acts as arbiter First come first served Natural priority controls simultaneous requests Fair arbitration Urgent arbitration Infiniband (3) Firewire Link Layer Two transmission types Asynchronous Variable amount of data and several bytes of transaction data transferred as a packet To explicit address Acknowledgement returned Isochronous Variable amount of data in sequence of fixed size packets at regular intervals Simplified addressing No acknowledgement

12 Infiniband (5) Infiniband (6) Infiniband I/O specification aimed at high end servers Version 1 released early 2001 Architecture and spec. for data flow between processor and intelligent I/O devices Intended to replace PCI in servers Increased capacity, expandability, flexibility Infiniband - Architecture Remote storage, networking and connection between servers Attach servers, remote storage, network devices to central fabric of switches and links Greater server density Scalable data centre Independent nodes added as required InfiniBand Architecture Infiniband (7) I/O distance from server up to 17 m using copper 300 m multimode fibre optic 10 km single mode fibre Up to 30 Gbps

13 PART 2: THE COMPUTER SYSTEM CHAPTER 7: INPUT/OUTPUT - THANK YOU - 13