La componente di Input/Output (I/O) consente al calcolatore di interagire con il mondo esterno, permettendo lo scambio di dati tra CPU, memoria e dispositivi periferici. La gestione dell’I/O è complessa perché coinvolge sia hardware sia software, ed è affidata in gran parte al sistema operativo, in particolare al kernel.
COMPONENTI
Dispositivo fisico e device controller
- Il dispositivo fisico è la periferica vera e propria (ad esempio tastiera, disco, stampante, interfaccia di rete). Questo dispositivo non comunica direttamente con la CPU, ma è gestito da un device controller, un componente hardware che funge da intermediario.
- Il device controller controlla il funzionamento del dispositivo fisico e traduce i comandi generici ricevuti dalla CPU in segnali elettrici comprensibili dal device, e viceversa. Ogni controller è collegato al bus di sistema ed espone una serie di registri attraverso i quali è possibile comunicare con esso.
Registri del controller
I controller mettono a disposizione della CPU alcuni registri dedicati, che rappresentano l’interfaccia hardware del dispositivo. Questi registri sono tipicamente suddivisi in:
- Registri di stato, che indicano la condizione del dispositivo (pronto, occupato, errore, dati disponibili, ecc.)
- Registri di controllo o configurazione, utilizzati per impartire comandi e impostare modalità operative
- Registri di dati, che contengono i dati trasferiti tra dispositivo e sistema
La CPU non accede mai direttamente al dispositivo fisico, ma solo a questi registri.
Device driver e kernel
Il device driver è un componente software del sistema operativo che permette di controllare un dispositivo senza che i programmi applicativi ne conoscano i dettagli hardware. Il driver conosce:
- la struttura dei registri del controller
- il significato dei bit di controllo e di stato
- le sequenze corrette di operazioni per effettuare l’I/O
Il driver opera in modalità kernel, perché deve avere accesso diretto all’hardware. Il kernel è il nucleo del sistema operativo e si occupa della gestione delle risorse fondamentali del sistema, tra cui processi, memoria e dispositivi di I/O. Il sottosistema I/O del kernel coordina l’uso dei driver e fornisce un’interfaccia uniforme ai programmi.
INDIRIZZAMENTO DEI DISPOSITIVI I/O
Per poter comunicare con i dispositivi di I/O, la CPU deve indirizzare i registri dei device controller attraverso il bus di sistema. L’accesso ai dispositivi non avviene quindi direttamente sul device fisico, ma tramite i registri esposti dal controller, che sono visibili alla CPU come destinazioni di lettura e scrittura. Esistono due modelli architetturali principali che definiscono come questi registri vengono indirizzati.
Memory-mapped I/O
Nel memory-mapped I/O, i registri dei device controller sono mappati nello spazio di indirizzamento della memoria principale. Ciò significa che alcuni intervalli di indirizzi, pur avendo la forma di indirizzi di memoria, non corrispondono a celle di RAM ma a registri di dispositivi.
In questo modello:
- memoria e I/O condividono lo stesso spazio di indirizzamento
- la CPU utilizza normali istruzioni di load/store
- la distinzione tra RAM e I/O avviene tramite decodifica dell’indirizzo
Dal punto di vista della CPU, l’accesso a un registro I/O è indistinguibile da un accesso a una locazione di memoria; è l’hardware di decodifica a stabilire se l’indirizzo seleziona la RAM o un controller. Questo modello è oggi il più diffuso, soprattutto nelle architetture RISC.
Port-mapped I/O
Nel port-mapped I/O, i registri dei controller non fanno parte dello spazio di indirizzamento della memoria, ma sono collocati in uno spazio di indirizzi separato, detto spazio delle porte di I/O.
In questo modello:
- memoria e I/O hanno spazi di indirizzamento distinti
- la CPU utilizza istruzioni specifiche di I/O
- il bus di controllo segnala che l’operazione riguarda l’I/O tramite una linea M/IO (se M/IO = 0 allora l’operazione riguarda l’I/O, se M/IO = 1 allora l’operazione riguarda la RAM)
Il valore posto sul bus degli indirizzi viene interpretato come numero di porta, non come indirizzo di memoria. Questo modello è tipico di alcune ISA storiche, come x86.
TASK DI I/O
Le task di I/O descrivono come viene gestita operativamente una richiesta di input/output, ovvero come la CPU viene informata dell’avanzamento e del completamento di un’operazione I/O e chi si occupa del trasferimento dei dati.
La gestione dell’I/O può avvenire secondo diverse modalità, che differiscono per:
- coinvolgimento della CPU
- efficienza
- complessità hardware e software
Polling
Nel polling, la CPU controlla attivamente lo stato del dispositivo interrogando ripetutamente il registro di stato del controller.
- la CPU (tramite il driver) avvia l’operazione di I/O
- entra in un ciclo di controllo (busy waiting)
- legge periodicamente il registro di stato
- quando il dispositivo segnala “pronto”, procede al trasferimento dei dati
interrupt-driven
Nella gestione interrupt-driven, la CPU non controlla continuamente il dispositivo, ma viene notificata tramite un interrupt quando l’operazione di I/O è completata o richiede attenzione.
- la CPU avvia l’operazione di I/O
- prosegue l’esecuzione di altri programmi
- il controller genera un interrupt
- la CPU: sospende temporaneamente il programma corrente, esegue la routine di servizio dell’interrupt (ISR) e infine riprende l’esecuzione normale
Trasferimento dei dati: CPU vs DMA
Le modalità di gestione precedenti definiscono come viene segnalato l’I/O, ma non chi trasferisce i dati. Il trasferimento può avvenire in due modi:
I/O programmato (CPU-controlled I/O)
Nel trasferimento controllato dalla CPU:
- la CPU legge e scrive direttamente i registri di dati del controller
- ogni parola di dati passa attraverso la CPU
Questo modello può essere usato sia con polling che con interrupt.
Direct Memory Access (DMA)
Nel DMA, il trasferimento dei dati avviene direttamente tra dispositivo e memoria, senza coinvolgere la CPU per ogni singola operazione:
- la CPU configura il DMA controller (indirizzo, dimensione, direzione)
- avvia l’operazione
- il DMA controller gestisce il trasferimento
- al termine, viene generato un interrupt
Questo modello può essere usato con interrupt.