計算機システムⅡ入出力と周辺装置和田俊和

講義計画1. コンピュータの歴史１2. コンピュータの歴史２　3. コンピュータの歴史３　4. 論理回路と記憶，計算：レジスタとALU5. 主記憶装置とALU，レジスタの制御6. 命令セットアーキテクチャ7. 演習問題8. パイプライン処理9. メモリ階層：キャッシュと仮想記憶10. 命令レベル並列処理11. 入出力と周辺装置（←本日）12. 演習問題13. 現代的な計算機アーキテクチャの解説14. 演習問題15. 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．

本日の講義の範囲コンピュータ

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　デバイス デバイスコントローラ

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 前処理③ 命令またはＤＭＡによる主記憶・周辺装置間のデータ転送④ 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. 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．2. 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．3. 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• Direct Memory Access最も高速なデータ転送の方法

７．Ｂ　周辺装置とのデータ転送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

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 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．

③ 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．

• ＤＭＡ転送を司る装置．• 以下の動作を行う

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．

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