坂井 修一 東京大学 大学院 情報理工学系研究科 電子情報学専攻 東京大学 工学部 電気工学科 工学部講義 マイクロプロセッサ応用（４） 坂井　修一　 東京大学 大学院 情報理工学系研究科 電子情報学専攻 東京大学 工学部 電気工学科 はじめに 講義概要 入出力 例外処理 マイクロプロセッサ応用

はじめに 本講義の目的 時間・場所：火曜日 8:30 - 10:00、3-31 ホームページ（坂井分：ダウンロード可能） 教科書・参考書 マイクロプロセッサのハード・ソフトの基本を実践的に学習する 前半：講義 坂井 （ソフトの基本：機械語プログラミング） 三田先生（ハードの基本） 後半：実習 時間・場所：火曜日 8:30 - 10:00、3-31 ホームページ（坂井分：ダウンロード可能） url: http://www.mtl.t.u-tokyo.ac.jp/~sakai/micro/ 教科書・参考書 Patterson and Hennessy: Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface 2nd Ed. （邦訳　「コンピュータの構成と設計」（第２版）日経ＢＰ） マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

講義の概要と予定（坂井分） １．マイクロプロセッサのモデルと命令 ２．命令とプログラム ３．アドレス指定方式 ４．入出力、例外処理等 ５．課題出題 ２月１５日：　坂井分課題レポート提出期限（仮） マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

４．入出力 入出力 特徴 外部機器とのデータ交換 （ふつう）非同期 （メモリより）遅い 一度に大量のデータ転送が行われることが多い 入力のみ：　キーボード、マウス、CD-ROM、スキャナ 出力のみ：　ディスプレイ、プリンタ 入出力：　ディスク(IDE, SCSI)、モデム、MO、CD-R、LAN IF 特徴 （ふつう）非同期 CPUのクロックに同期して動いているわけではない （メモリより）遅い 転送レート(MB/s)が低い アクセス時間(ms)が長い 一度に大量のデータ転送が行われることが多い マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

4.1 入出力操作 入出力操作：データ転送の一種 専用命令を設ける場合 メモリマップ入出力 4.1　入出力操作 入出力操作：データ転送の一種 専用命令を設ける場合 CISC的 in rs port: port番号で指定された機器からの入力 out rs port: port番号で指定された機器への出力 メモリマップ入出力 RISC的 入出力機器にメモリアドレスを割り振る load, store命令で入出力を実現 DMA (Direct Memory Access) CPUを介さずにメモリ・入出力機器間でデータを転送する方式 マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

４．２ ポーリングと割り込み 入出力を起動する２つの方式 ポーリング (polling) 割り込み (interrupt) ４．２　ポーリングと割り込み 入出力を起動する２つの方式 ポーリング　(polling) CPUが定期的に入出力装置の状態を観察し、適当な状態になっていたらデータ転送を行う 比較的遅い入出力機器に向いた方式：マウスなど 得失 ○例外処理が不要 ×「観察」にプロセッサの処理時間を使ってしまう 何の要求がないときでも！ 割り込み (interrupt) 入出力機器からCPUに直接信号を送り、要求を伝える方法 CPUには「割り込み」信号線が用意されている ○本当に必要なときだけCPUが入出力の仕事をする ×例外処理のオーバヘッドが生じる マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

４．３ 割り込みの機構 ③ ④ 例外処理ベクタ ① ② CPU D7-D0 A2-A0 INTA: 割込許可 A2-A0: 割込許可 レベル ４．３　割り込みの機構 CPU D7-D0 A2-A0 INTA: 割込許可 A2-A0: 割込許可 　　　レベル ③ ④ 例外処理ベクタ デコーダ INTA I7 IACK I ISEL IVEC I6 INT2 A2 I5 INT1 A1 ① I4 INT0 A0 ② I3 割り込み 発生 エンコード してCPUへ 周辺機器 制御装置 I2 I1 I0 優先度付き エンコーダー マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

４．４ DMA DMA: Direct Memory Access CPUを介さずに入出力機器・メモリの間のデータ転送を行う CPU Ｄ A ① ⑤ ② ⑤ ④ HLDA DMA コントローラ 周辺機器 制御装置 メモリ HOLD ③ マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

DMAの手順 周辺機器制御装置に手順を指示する DMA制御装置に操作の指示を行う DMA制御装置がCPUをホールドする CPUからDMA制御装置に、自分がホールドしたことを知らせる 周辺装置制御装置とメモリの間だけでデータ転送 マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

５．例外処理 例外の原因 リセット エラー 特権違反 命令実行の例外 トラップ命令 入出力等の割り込み トレースモード バスエラー アドレスエラー 特権違反 命令実行の例外 ０除算 オーバフロー 未定義命令 トラップ命令 入出力等の割り込み トレースモード マイクロプロセッサ応用 東大・坂井

例外処理の手順 優先度に従ってどの例外を受け付けるか決める 実行中の命令を完了し、現在の環境を待避する 優先度ベクタを受け取り、処理ルーチンを決める 処理ルーチンの実現 復帰 ３以後は、サブルーチンの実行と似ているが、一般に 特権モードで実行される点が違っている マイクロプロセッサ応用 東大・坂井