La gestione delle periferiche di un PC in Informatica

Le periferiche

Una periferica è un qualsiasi dispositivo hardware che fa parte di un sistema informatico e/o di elaborazione (come ad esempio un PC) e che funziona sotto il controllo di un'unità centrale (CU) e del sistema operativo SO, alla quale è collegata.

Si dividono in:

• Periferiche di Input: mandano un segnale di ingresso al nostro PC (es. la tastiera, Mouse, Scanner, ... )
• Periferiche di Output: ricevono un segnare di uscita dal nostro PC (es. Monitor, Stampante, cuffie, ... )
• Memorie di Massa: Hard Disk, Lettori, CD, DVD, ...

Introduzione all'interfaccia

Ogni periferica necessita di un'interfaccia più o meno complessa che le consenta di comunicare (cioè scambiare dati) con il processore centrale

L'interfaccia di un calcolatore

L'interfaccia di un calcolatore è composto da:

• dispositivi di Input/Output (periferiche), contenente un insieme di registri detti I/O Port
• Un'unità per il controllo, costituito da un circuito stampato posizionato a bordo della periferica, che comunica con il Modulo di Interfaccia attraverso un apposito bus esterno e che controlla il funzionamento della periferica
• software per la loro gestione, detti Device Driver, contenenti le istruzioni per la corretta gestione dello scambio di dati

Bus Interno di Sistema

CPU Periferica Main Board Modulo di Interfaccia Controller Bus Esterno

Indirizzamento dei dispositivi di I/O

A ciascun dispositivo di I/O è di solito associata un'interfaccia, che lo collega al bus del sistema.

Bus Indirizzi + Dati Controllo Decodificatore degli indirizzi Circuiti di controllo Registri di dato e di stato Interfaccia Dispositivo di I/O

IO Port

La comunicazione tra il processore e il dispositivo avviene attraverso dei registri di IO (o porte), detti IO PORT, della dimensione, tipicamente, di 1 byte La CPU (o la memoria) può comunicare con una sola periferica alla volta.

IO Port: Registri

I registri di IO sono concettualmente simili alle celle della memoria, con le differenze che:

• Non sono concentrati su una singola scheda, ma sono sparsi su tutta la main board
• I Registri di IO, oltre ad essere collegati con il Bus di Sistema, che funge da interfacciamento verso la CPU, sono collegati anche con un secondo Bus Esterno che funge da interfacciamento verso la periferica

IO Port: Tipi di Registri

I Registri di IO sono di solito almeno 3, aventi il seguente significato:

• Registro di Comando: a sola scrittura, in cui la CPU scrive i comandi relativi alle azioni che la periferica deve eseguire, ...
• Registro di Stato: a sola lettura, il cui valore rappresenta lo stato della periferica (ad esempio stampante accesa / spenta, assenza / presenza carta,
• Registro Dati: di lettura o scrittura a seconda che la periferica associata sia una periferica di Input oppure di Output. È il registro di appoggio per lo scambio dati con la periferica.

IO Port: Accesso e Connessione

I registri IO sono accessibili tramite il bus di sistema, al pari delle celle di memoria, in quanto a ciascuno di essi è associato un indirizzo FISICO (ASSOLUTO).

La loro connessione al bus può avvenire secondo 2 modalità:

• memory-mapped I/O
• isolated I/O (o I/O-mapped I/O).

Memory-Mapped I/O

I registri dei dispositivi di I/O sono contenuti all'interno della memoria centrale in un'apposita area Quindi lo spazio di indirizzamento totale per la memoria è risulta ridotto del numero di registri per le periferiche Si può fare accesso ai registri delle periferiche utilizzando tutte le istruzioni ed i modi di indirizzamento utilizzabili per accedere alla memoria

Memory-Mapped I/O: Architettura

Memory I/O Address Bus Data Bus Control Bus

Esempio Memory-Mapped I/O

Da A Periferica 0000 00OF DMA Controller 8237 0020 0040 0021 Interrupt Controller PIC 8259 0043 Timer 8253 0060 0063 Tastiera (interfaccia parallela 8255) 00A0 00A1 Interrupt Controller PIC #2 8259 OOFO OOFF Coprocessore Matematico 80287 01F0 01FF Hard Disk (AT) 0278 027F LPT2 02E8 02EF COM1 02F8 02FF COM2 0320 032F Hard Disk (XT) 0378 037F LPT1 03FO 03F7 Floppy Disk 041E 043E Buffer di Input della Tastiera

Isolated I/O

Gli spazi di indirizzamento per la memoria e per le porte di I/O sono separati, e sono attivati alternativamente da appositi segnali. Ad esempio nel 8086 si usa il segnale M/IO. Per accedere alle porte di I/O si devono utilizzare apposite istruzioni ASSEMBLER (IN e OUT).

Isolated I/O: Architettura

Address Bus Data Bus Memory I/O Memory control line I/O control line 15

Memory-Mapped I/O: Vantaggi e Svantaggi

Vantaggi del Memory-Mapped I/O

• Operazioni I/O veloci: la CPU accede ai dispositivi I/O con alla stessa velocità con cui accede alla memoria
• Programmazione semplificata: poiché le stesse istruzioni possono essere utilizzate per accedere alla memoria e ai dispositivi I/O. Ciò significa che gli sviluppatori software non devono utilizzare istruzioni I/O specifiche
• Utilizzo efficiente dello spazio di memoria: lo stesso spazio di indirizzi di memoria può essere utilizzato per accedere sia alla memoria che ai dispositivi I/O

Svantaggi del Memory-Mapped I/O

• Spazio di indirizzamento limitato, i dispositivi I/O condividono lo stesso spazio di indirizzi della memoria. Ciò significa che potrebbe non esserci spazio sufficiente per indirizzare tutti i dispositivi I/O
• Tempo di risposta potrebbe essere più lento: se un dispositivo I/O è lento a rispondere, può ritardare l'accesso della CPU alla memoria. Ciò può comportare un rallentamento delle prestazioni complessive del sistema

Isolated I/O: Vantaggi e Svantaggi

Vantaggi dell'Isolated I/O

• Ampio spazio di indirizzi I/O: l' i dispositivi di I/O hanno il proprio spazio di indirizzamento separato dalla memoria
• Maggiore flessibilità: fornisce una maggiore flessibilità poiché i dispositivi I/O possono essere aggiunti o rimossi dal sistema senza influire sullo spazio della memoria
• Affidabilità migliorata: fornisce una migliore affidabilità poiché i dispositivi I/O non condividono lo stesso spazio di indirizzi della memoria. Ciò significa che se un dispositivo I/O si guasta, ciò non influisce sulla memoria o su altri dispositivi I/O.

Svantaggi dell'Isolated I/O

• Operazioni di I/O più lente: si richiede l'uso di istruzioni I/O specializzate che rallentano l'operazione di lettura o scrittura del dato sulla periferica
• Programmazione più complessa: richiede istruzioni I/O specializzate, che possono portare a una programmazione più complessa.