Rozhraní periferních zařízení a jejich obsluha

Example of Implementing Controller

Rozhraní periferních zařízení a jejich obsluha se týká způsobu, jakým počítač komunikuje s různými externími zařízeními, jako jsou myš, klávesnice, diskové jednotky, tiskárny atd. Tento proces zahrnuje jak hardware, tak software, a klíčovou roli v tomto hraje řadič zařízení a přerušení.

1. Roli řadiče zařízení při programem řízené obsluze zařízení (PIO)

Programem řízená obsluha zařízení, známá také jako Programmed Input/Output (PIO), je způsob komunikace mezi procesorem a periferním zařízením, kde procesor přímo ovládá vstup a výstup dat z těchto zařízení.

• Řadič zařízení (Device Controller):
  • Řadič zařízení je specializovaný hardware, který je zodpovědný za řízení a správu komunikace mezi procesorem a periferními zařízeními.
  • Je napojen na sběrnici (bus) systému a poskytuje rozhraní mezi systémovou sběrnicí a konkrétním zařízením.
  • Řadič má obvykle několik vstupních a výstupních portů, které se používají pro přenos dat mezi procesorem a zařízením. Tyto porty mají specifické adresy, které jsou pevně přidělené.
  • Procesor může číst data z těchto vstupních portů nebo zapisovat data do výstupních portů pomocí příslušných instrukcí (např. IN a OUT v x86 architektuře).
  • Procesor v režimu PIO provádí pravidelné čtení/zápisy do portů, aby přenesl data mezi zařízením a pamětí, což může být pomalé a neefektivní, protože procesor musí čekat na dokončení každé operace.

Příklad: Programem řízená obsluha myši
- Myš je připojena k řadiči, který je mapován na určitou sadu adres v paměti.
- Procesor pravidelně čte z adresy (např. vstupního portu) přiřazené myši, aby zjistil pohyb nebo kliknutí.
- Pokud procesor detekuje nové údaje (např. pohyb), provede příslušné akce, např. aktualizuje kurzor na obrazovce.

2. Roli přerušení při programem řízené obsluze zařízení (PIO)

Přerušení jsou mechanismem, který umožňuje efektivnější správu komunikace mezi procesorem a periferními zařízeními.

• Přerušení (Interrupts):
  • Přerušení je signál od periferního zařízení směrem k procesoru, který informuje, že zařízení vyžaduje pozornost.
  • Když zařízení potřebuje odeslat nebo přijmout data, místo toho, aby procesor neustále kontroloval stav zařízení (jak je tomu u polling), zařízení vyšle přerušení.
  • Procesor po přijetí přerušení pozastaví aktuální vykonávaný program a přepne se na tzv. obsluhu přerušení (Interrupt Service Routine - ISR), což je speciální část kódu, která zpracovává požadavek zařízení.
  • Po dokončení obsluhy přerušení se procesor vrátí k vykonávání původního programu.

Reakce procesoru a operačního systému na přerušení:

1. Hardwarová reakce:
   • Zařízení generuje signál přerušení, který je odeslán na procesor.
   • Procesor dokončí aktuálně prováděnou instrukci a poté pozastaví další instrukce.
   • Procesor uloží aktuální stav (kontext) na zásobník, aby mohl pokračovat tam, kde skončil.
   • Procesor identifikuje typ přerušení a volá příslušnou ISR.
2. Softwarová reakce:
   • Operační systém zajišťuje, že ISR je správně spustitelná a přiřazená danému přerušení.
   • ISR vykonává požadované akce, například načte data z řadiče zařízení nebo provede další potřebné úkony.
   • Po dokončení ISR, operační systém obnoví původní kontext a vrátí kontrolu nad CPU zpět do přerušené aplikace.

Příklad: Přerušení u disku
- Disk po dokončení operace čtení/zápisu dat vyšle přerušení.
- Procesor přepne na ISR, která zpracuje data a informuje operační systém, že operace byla dokončena.
- Procesor pak pokračuje ve své původní činnosti.

Přerušení zajišťují, že procesor není zbytečně blokován čekáním na periferní zařízení a může efektivně využívat svůj čas k dalším úkolům.