Annexe fiche 4 : Introduction aux Entrées/Sorties

²Polytech Marseille/Dépt Informatique A3– 2016/2017²
²TP Interface Matériel Logiciel²
Annexe fiche 4 : Introduction aux Entrées/Sorties
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Léon Mugwaneza
L’objectif de cette annexe est de faire comprendre l’interface entre les dispositifs d’entrées/sorties1 (E/S dans la
suite), la mémoire, le processeur et le système d’exploitation (aussi nommé SE dans la suite). Le fonctionnement
des principaux périphériques d’E/S (ex. clavier, écran, disque, souris, …) vous sera expliqué dans le cours
d’Architecture des ordinateurs au second semestre. La figure 1 ci-dessous donne le principe de l’interconnexion
des divers composants matériels d’un ordinateur.
processeur
registres
UAL
bus système
bus mémoire
mémoire
principale
pont
d‘E/S
interface bus
bus E/S
controleur
USB
souris
clavier
adaptateur
graphique
controleur
disque
slots d‘extensions pour
d‘autres organes d‘E/S
(carte réseaux …)
écran
disque
Figure 1 : Interconnexion des composants matériels d’un ordinateur. Les dispositifs d’entrées/sorties sont
contrôlés par des processeurs spécialisés (on parle de contrôleurs ou adaptateurs d’E/S). Les contrôleurs d’E/S sont
connectés à un bus d’E/S lui même connecté à la mémoire et au processeur à travers un pont d’E/S.
1. Contrôle des E/S : rôle du système d’exploitation
Le système d’exploitation joue un rôle important dans la réalisation des E/S, ceci pour au moins 3 raisons :
- l’ordinateur (système informatique -au sens large-) est partagé par plusieurs programmes ;
- les sous-systèmes d’E/S (les programmes qui contrôlent les E/S) utilisent souvent les interruptions, et ces
dernières sont traitées en mode maître (donc par le système d’exploitation) ;
- le contrôle des E/S au bas niveau est très complexe.
Le SE doit offrir diverses fonctions dans la gestion des E/S, notamment :
- la protection : il doit vérifier que l’utilisateur n’accède pas à une partie du système d’E/S à laquelle il n’a pas
droit (par exemple en écrivant – ou même en lisant – des fichiers d’autres utilisateurs) ;
- l’abstraction : il doit offrir un interface utilisateur plus simple en « cachant » les opérations de très bas
niveau ;
- la gestion des interruptions provenant de dispositifs d’E/S ;
- le partage des ressources : le SE doit offrir un accès équitable (ou selon une autre politique de partage) aux
dispositifs d’E/S qu’il contrôle.
Pour assurer ces fonctions, le SE doit pouvoir communiquer avec les dispositifs d’E/S. On distingue
généralement 3 types de communications entre le SE et les dispositifs d’E/S :
- les requêtes : le SE commande les dispositifs d’E/S ;
- les acquittements : le dispositif d’E/S notifie au SE qu’il a fini ou qu’il y a une erreur ;
- et les transferts : transfert des données entre la mémoire (ou le processeur) et le dispositif d’E/S.
Ces 3 types de communication nécessitent que le processeur puisse adresser (nommer) les dispositifs d’E/S.
2. Comment un processeur adresse-t-il les dispositifs d’E/S ?
L’interface d’un dispositif d’E/S est constitué de registres de contrôle (dans lesquels le processeur écrit les
commandes et lit l’état du dispositif) et de registres de données. On distingue 2 méthodes pour adresser un
dispositif d’E/S : Entrées/Sorties mappées en mémoire et Entrées/Sorties par instructions spéciales d’E/S.
1
Aussi appelés périphériques d’entrées/sorties
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fiche E/S – TP4
2.1. E/S mappées en mémoire
Le dispositif d’E/S est dans l’espace d’adressage mémoire (cf. figure 2 ci-dessous). L’écriture ou la lecture des
registres du dispositif d’E/S sont faites avec les instructions d’accès à la mémoire. Tous les systèmes peuvent
utiliser les entrées sorties mappées en mémoire, certains processeurs (ex. MIPS, Motorola) n’offrent que cette
alternative.
@
M
E
M
O
I
R
E
0xFFFFFFFF
cntrl reg
.
data reg .
0xFFFF0000
0
Figure 2 : E/S mappées en mémoire
Le simulateur SPIM simule un terminal mappé en mémoire (deux dispositifs d’E/S) :
- entrées à partir du clavier (receiver) : 2 registres ;
- sorties sur l’écran (transmitter) : 2 registres.
La figure 3 ci-dessous montre les adresses affectées au terminal SPIM (les 4 mots aux adresses 0xffff0000,
0xffff0004, 0xffff0008, et 0xffff000c) :
(IE)
Receiver Control
0xffff0000
Receiver
0xffff0004
Transmitter Control
0xffff0008
Transmitter
0xffff000c
Unused
Data
Unused
Data
Received
Byte
(00...00)
Unused
(I.E.) Ready
(00...00)
(I.E.) Ready
(00...00)
Transmitted
Byte
Unused
Figure 3 : E/S mappées en mémoire du simulateur SPIM
La signification des registres du terminal SPIM est la suivante :
Bit de poids faibles du registre de contrôle (0) : Ready
- Receiver : Ready = 1 signifie que le caractère dans le registre de données est prêt et n’a pas encore été lu ;
Ready passe de 1 à 0 quand le registre de données est lu.
- Transmitter : Ready = 1 signifie que le transmitter est prêt à accepter un nouveau caractère ;
Ready = 0 signifie que le transmitter est encore occupé à écrire le dernier caractère.
Bit 1 du registre de contrôle : I.E. (voir 4.2 : Fonctionnement des E/S par interruptions – l’exemple de SPIM).
Octet de poids faibles du registre de données :
- Receiver : dernier caractère tapé au clavier (lecture seule).
- Transmitter : l’octet écrit dans ce registre est “affiché” au terminal (écriture seule). Lorsque ce registre est écrit,
le bit Ready du Transmitter passe à 0 pendant un temps suffisamment long pour que le caractère soit écrit à
l’écran, puis repasse à 1.
2.2. E/S par instructions spéciales d’E/S
Le jeu d’instructions définit des instructions dédiées aux opérations d’E/S (ex. instructions in et out des
processeurs INTEL). Dans ce dernier cas, il y a donc deux espaces d’adressage : un espace d’adressage mémoire
et un espace d’adressage E/S (cf figure 4). On notera que dans un système où le processeur offre des instructions
d’E/S, on peut évidemment utiliser des E/S mappées en mémoire.
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fiche E/S – TP4
cntrl reg.
data reg.
@ E/S
0xFFFFFFFF
cntrl reg.
data reg.
0
@ Mémoire
0xFFFFFFFF
Mémoire
0
Figure 4 : E/S par instructions spéciales d’E/S
3. Comment protège-t-on les E/S ?
Les opérations d’E/S doivent être protégées. Dans le cas des E/S mappées en mémoire, les adresses
correspondant aux dispositifs d’E/S sont protégées par le mécanisme de gestion mémoire. Elles sont allouées
dans la partie de l’espace d’adressage réservée au système d’exploitation.
Dans le cas des E/S par instructions spéciales, les instructions d’E/S sont des instructions privilégiées qui ne
peuvent être exécutées qu’en mode maître.
4. Comment le dispositif d’E/S notifie-t-il au processeur qu’il est prêt ?
On distingue deux façons de faire :
- E/S par polling (scrutation) : le processeur « consulte » le registre de contrôle du dispositif d’E/S « tout le
temps » pour voir si le dispositif est prêt ;
- E/S par interruptions : le dispositif d’E/S a un mode de fonctionnement dans lequel il interrompt le
processeur quand il a terminé une opération d’E/S.
4.1. E/S par polling : exemple du terminal SPIM
Pour lire un caractère du clavier et le ranger dans $v0, on utilise (par exemple) la séquence suivante :
Waitloop:
li $t0, 0xffff0000 # Adresse du registre de contrôle dans $t0
# Attendre que le bit ready soit à 1
lw
$t1, 0($t0) #control
andi $t1, $t1, 0x0001
beq
$t1, $0, Waitloop
# ready = 1 : on peut lire dans le registre de données
lw
$v0, 4($t0) #data
Pour écrire à l’écran le caractère dans $a0, la séquence suivante peut être utilisée :
Waitloop:
li $t0, 0xffff0000
# Attendre que le bit ready soit à 1
lw $t1, 8($t0) #control
andi $t1, $t1,0x0001
beq
$t1, $0, Waitloop
# ready = 1 : on peut écrire dans le registre de données
sw
$a0, 12($t0) #data
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fiche E/S – TP4
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4.2 Fonctionnement des E/S par interruptions.
La figure 5 rappelle le principe du contrôle des E/S par interruptions. Le programme utilisateur est interrompu
par le dispositif d’E/S (1), l’interruption est prise en compte par le processeur en sauvegardant un contexte
minimal et en allant exécuter le traitant d’exceptions en mode maître interruptions masquées (2 et 3), le traitant
d’exceptions détermine le service demandé et réalise le transfert (4) avant de revenir au programme interrompu
(5).
Mémoire
add ...
(1) interruption
d’E/S
sub ...
and ...
(2) sauvegarder le contexte
programme
utilisateur
or ...
(3) aller exécuter
le traitant d’IT
lw …
(5) Retour au
Prg. utilisateur
sw …
…
traitant d’IT
(4) réaliser le
transfert
jr …
Figure 5 : Contrôle des E/S par interruption (le principe)
E/S par interruptions : exemple du terminal SPIM
Le Bit I.E. (Interrupt Enable) du registre de contrôle permet de configurer le dispositif d’E/S dans un mode de
fonctionnement par interruptions. Si le bit I.E a la valeur 1, une interruption est générée à chaque fois que le
bit Ready passe de 0 à 1.
Le clavier (receiver) interrompt le processeur sur le niveau 0. L’écran (transmitter) interrompt le processeur sur
le niveau 1.
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