Grundlagen der E/A-Schnittstellen und Prozessor-Kommunikation

Teil 2: Interface zwischen Prozessoren und Peripheriegeräten

(1.1) Einleitung: Die Organisation der E/A

Ein Computersystem besteht aus drei Subsystemen: Prozessor, Speicher und E/A (Eingabe/Ausgabe). Das E/A-System ermöglicht den Datenaustausch zwischen externen Geräten und der CPU bzw. dem Speicher.

• E/A-Geräte: Schnittstellen zur Interaktion mit dem Benutzer (Maus, Tastatur) oder anderen Geräten (Netzwerk, Speicher).
• Interkonnektion: Physische Verbindungen und Mechanismen zur Informationsübertragung zwischen den Komponenten.

Die Eigenschaften der E/A-Systeme werden durch die verwendete Technologie und die Anforderungen der anderen Systemkomponenten bestimmt.

Features der E/A-Systeme

• Unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten und Datenformate.
• Design-Parameter: Performance, Skalierbarkeit, Erweiterbarkeit und Fehlertoleranz.

(1.2) Performance-Maßstäbe

Bandbreite, Latenz und Kosten sind eng miteinander verknüpft. Eine höhere Bandbreite erfordert oft höhere Systemkosten.

• Latenzzeit (Reaktionszeit): Die Zeitspanne vom Beginn bis zum Abschluss einer Aufgabe.
• Bandbreite (Produktivität): Die Menge der verarbeiteten Arbeit pro Zeiteinheit (Datenrate oder E/A-Operationen pro Sekunde).

Performance-Indikatoren:

• Interferenz der E/A mit dem Prozessor (Taktzyklen).
• Skalierbarkeit und Speicherkapazität.

Die Systemleistung hängt nicht nur von der CPU ab, sondern auch von Speicher- und E/A-Optimierungen. Das Amdahl-Gesetz hilft dabei, die Beschleunigung durch Systemverbesserungen zu berechnen.

(1.3) Gerätemodell E/A

1. Physisches Gerät: Der mechanische oder elektronische Teil, der die eigentliche Aufgabe ausführt.
2. Geräte-Controller: Die elektronische Schnittstelle zum System. Aufgaben: Steuerung, Zeitplanung, Pufferung und Fehlererkennung.

(1.4) Logische Schnittstelle CPU - E/A

Es gibt zwei Ansätze zur Adressierung von E/A-Geräten:

• Memory-Mapped I/O: E/A-Geräte belegen Adressbereiche im Hauptspeicher. Dies ermöglicht einfache und schnelle CPU-Designs (häufig in RISC-Architekturen).
• Isolated I/O: Separate Adressräume für Speicher und E/A. Erfordert spezielle CPU-Befehle und Steuersignale (z. B. M/IO-Leitung).

(1.5) Management der E/A

Es gibt drei grundlegende Techniken:

• Programmierte E/A (Polling): Die CPU prüft den Status des Geräts in einer Schleife. Dies ist ineffizient, da die CPU während der Wartezeit blockiert ist.
• Interrupt-gesteuerte E/A: Das Gerät unterbricht die CPU, wenn es bereit ist. Dies ermöglicht Multitasking. Identifizierung erfolgt über Interrupt-Leitungen, Software-Abfrage oder Vektorisierung.
• Direkter Speicherzugriff (DMA): Ein spezialisierter Controller übernimmt die Datenübertragung zwischen Gerät und Speicher ohne ständige CPU-Beteiligung. Dies entlastet die CPU erheblich.