qpstudy2012.05 session by @hasegaw http://www.zusaar.com/event/273001

1. コンピュータアーキテクチャ
I/O入門
qpstudy 2012.05
∼エンジニアのためのハードウェア徹底入門∼
May 19, 2012
Takeshi HASEGAWA
[ja] @hasegaw / [en] @hasegaw_en

2. プロフィール
長谷川 猛 (HASEGAWA Takeshi)
twitter: @hasegaw
主にLinuxや仮想化技術を得意とする雑食系SE
Xen/KVMを調査、FreeBSD virtioを実装等
最近のアップデート：家にギネス瓶と生ハムおきました
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3. おもな著書・寄稿
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4. Webサイトの記事など
エンジニアなら知っておきたい仮想マシンのしくみ
http://gihyo.jp/dev/serial/01/vm_work/
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5. 今日の目的
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6. 本セッションの目的
• コンピュータにおけるI/O(入出力)の役割を理解する
• IA-32において利用されるI/Oの種類を理解する
• 実際にコンピュータに接続されているI/Oデバイスの例を見る
• 実際にI/Oデバイスを工作すると何が起きるかを見る
• セッション終了時には、コンピュータの入出力とFall in Love!
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7. I/O (入出力)ってなんだ
入出力とは何か？
PC/AT互換機のハードウェア構成例
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8. 入出力とは何か？
• コンピュータの三大コンポーネント
o 計算する 中央処理演算装置
o 記憶する (CPU)
o 入出力(I/O)する
主記憶装置
• I/Oはコンピュータにとって (Main
Memory)
必須ではない
o I/Oなしでも計算はできる
入出力装置
(I/O
Devices)
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9. 入出力とは何か？
• 電卓で言えば
o 液晶画面(Output)
o テンキー(Input)
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10. (参考) Linux KVMの仮想マシンのハードウェア構成
CPU
Intel
82441FX
System
Memory
(North-­‐bridge)
Cirrus
Logic
LSI
Logic
VGA
CL-­‐GD5446
SCSI
HDD
LSI53c895a
Realtek
PCI
PCI
Slot
Ethernet
RTL8029
Bus
PCI
Slot
Ensoniq
Speaker
ES1370
IDE
HDD
PIIX3
PCI
IDE
Intel
82371
PIIX3
CD-­‐ROM
Bochs
(South-­‐bridge)
PIIX3
PCI
USB
USB
Flash
BIOS
ISA
Bus
ISA
Floppy
Real
Time
Keyboard
Clock
I/O
Interface
PS/2
PC
Speaker
Mouse
Serial
Parallel
10
Port
Port
出典:
KVM徹底入門 (2010年 翔泳社)

11. I/O (入出力)の基本
I/Oポートと割り込み
ソフトウェアからみたキーボードI/O
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12. IA-32で使われる入出力
• I/Oポート
• 割り込み (Interrupt)
• Direct Memory Access (DMA)
• メモリマップドI/O
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13. I/Oポート
• コンピュータで利用される古典的な入出力
• プロセッサから外部に接続するためのデジタルインターフェイス
• 1アドレス 8ビット×64K、ON(1) もしくは OFF(0) を通信する
• アクセス単位が基本8ビットなので非常に低速
• 使途
• キーボードの押下状況確認、ディスクコントローラの状態設定、通
知など
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14. 割り込み (interrupt)
• デバイスからCPUへイベントを通知するための信号
o IRQ(Interrupt ReQuest) = 割り込み入力用の16本の信号線
• 割り込みハンドラ
o 割り込みが発生すると、CPUは割り込みハンドラに制御を移す
o 今時に言えば…… 何か起きたときの Listener を定義できる
• 使途
o タイマーの通知
o キーボードの状態変化通知
o データ転送完了通知(DMA, MMIO)など
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15. (例) ソフトウェアからみたキーボードI/O - 1
コンピュータ
キーボードコントローラ
• 8bit幅のI/Oポート2つで接続
CPU
流れ
• キーボードの状態が変わると割り込
みが発生する
• 割り込みが発生すると、BIOSもし
I/Oポート I/Oポート くはOS内の割り込みハンドラが呼
0x60
0x64
び出される
割り込むハンドラでの処理
割り込み
• キーボードの状態確認
ステータスレジスタ(0x64)
コマンド
入力レジスタ
レジスタ
ステータス
• 押されているキー情報の読み取り
出力レジスタ
レジスタ
入力レジスタ(0x60)
キーボード
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16. (例) ソフトウェアからみたキーボードI/O - 2
;------------------------------------------------- int09_check_pause: ;; check for pause key
;- INT09h : Keyboard Hardware Service Entry Point - cmp al, #0xe1
;-------------------------------------------------
.org 0xe987 jne int09_process_key
int09_handler: xor ax, ax
cli mov ds, ax
push ax mov al, BYTE [0x496] ;; mf2_state ¦= 0x01
or al, #0x01
mov al, #0xAD ;;disable keyboard
mov BYTE [0x496], al
out #0x64, al
jmp int09_done
mov al, #0x0B
out #0x20, al int09_process_key:
in al, #0x20 mov bx, #0xf000
and al, #0x02
mov ds, bx
jz int09_finish
call _int09_function
in al, #0x60 ;;read key from keyboard controller
sti int09_done:
push ds popa
pusha
pop ds
;; check for extended key cli
cmp al, #0xe0 call eoi_master_pic
jne int09_check_pause
xor ax, ax int09_finish:
mov ds, ax
mov al, #0xAE ;;enable keyboard
mov al, BYTE [0x496] ;; mf2_state ¦= 0x02
or al, #0x02 out #0x64, al
mov BYTE [0x496], al pop ax
jmp int09_done iret 16

17. I/O がどう使われるか
とある県立高等学校イベントでの実装例
17

18. どう使うか
• コンピュータに入出力装置がついている事はわかった。
• しかし、それをどう使うのか？？？
(。・ω・。) 今度、部活紹介でバトン部がパフォーマンスをします。
担当教諭
放送委員会で照明のお手伝いをしたいと思います
パソコンでスポットライトをチカチカ点けようか（笑） (｀・ω・´ )
副委員長
(人´ω｀) いいね（笑）
委員長
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19. どう使うか(2) … 数日後
• コンピュータに入出力装置がついている事はわかった。
• しかし、それをどう使うのか？？？
(人´ω｀) 副委員長、スポットライト制御用の基盤ができたよ♡
委員長
え？？・あれマジなの？
(；ﾟдﾟ；)
副委員長
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20. スポットライト制御（I/O基盤の構成イメージ)
倉庫で見つけたパソコン (PC-9801VM2)
セントロニクス仕様
(IEEE1284)
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
リレー
電 電 電 電 電 電 電 電
球 球 球 球 球 球 球 球
体育館内設備
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21. コントロール
out 0x40, 0x00 電 電 電 電 電 電 電 電
球 球 球 球 球 球 球 球
(0000 0000)
out 0x40, 0xB2 電 電 電 電 電 電 電 電
球 球 球 球 球 球 球 球
(1011 0010)
out 0x40, 0xA5 電 電 電 電 電 電 電 電
球 球 球 球 球 球 球 球
(1010 0101)
out 0x40, 0xFF 電 電 電 電 電 電 電 電
(1111 11111)
球 球 球 球 球 球 球 球
21

22. スポットライト制御システムのデザイン
コンピュータ
スポットライト制御システム本体
（イントロ、Aメロ、Bメロ等ごとの点灯パターンデータを持つ）
ライト
相対 パターン
時間
スポットライト制御ドライバ
（アセンブラでDOS用TSRとして開発）
ユーザ
操作
ライト
タイマ 制御信号
割込
マルチメディア セントロニクス仕様
キーボード
タイマ
インターフェイス
ハードウェア
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23. その他の I/O
メモリマップドI/O
Direct Memory Access (DMA)
IRQの共有とMSI
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24. メモリマップドI/O (MMIO)
• プロセッサの物理メモリ空間に、デバイス上のメモリ空間をマッピ
ングする
• ソフトウェアからデバイス上のメモリ空間に直接アクセスできる
• 使途
o ビデオカード、サウンドカード、ディスクコントローラ、イーサネット
コントローラなどでの大量転送
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25. ダイレクトメモリアクセス (DMA)
• プロセッサの指示に従ってDMAコントローラがデータ転送する
• データ転送の開始時／終了時のみプロセッサが干渉するため、
プロセッサ時間を節約できる
• 使途
o ビデオカード、サウンドカード、ディスクコントローラ、イーサネット
コントローラなどでの大量転送
25

26. IRQとMSI
• IRQの数には制限がある
• キーボード、マウス、タイマ、・・・・
• コンピュータに接続されるデバイスは増え続けている
• 割り込み信号線が足りない！
• IRQの共有
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27. IRQの共有
• 割り込み信号線を複数のデバイスで共有する
o 15本しかないIRQ
o 例：キーボードとマウスで同じIRQを使う
• 割り込み信号線を共有した場合の問題点
o 割り込みの発生元がわからない
o 割り込みが発生した！キーボードが押された？マウスが動いた？
• 解決策
o 割り込み発生を発生された時に1になるフラグをハードウェアに準備する
o 割り込みが発生したら、各ドライバのステータスをチェックし、必要な
ハンドラのみが実行される
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28. Bus (バス)によるI/O
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29. バス(Bus)とは何か
• コンピュータ内部で各回路がデータをやり取りするための伝送路
バスの種類
• 内部バス …. CPU内部の回路間を接続
• 周辺回路 …. CPU（間）のインターコネクト
• 拡張バス …. デバイスと接続するためのインターコネクト
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30. PCIバス
• Peripheral Component Interconnect
• コンピュータに各種ハードウェアデバイスを接続するための
標準仕様
o 32bit パラレル通信, 33MB/sec, 帯域幅133MB/s
• プラグアンドプレイ(Plug and Play
Pray)
o 接続されたデバイスの種類や必要リソース情報を提供し、OSが自動的に
リソースアサインできるようにする
o I/Oポート、IRQ、メモリマッピングなど
o 活線挿抜ができるわけではない
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31. PCI-Xバス
• PCIの周波数を33MHzから133MHz、帯域幅1.06GB/sに引き上げ
• PCI-X 2.0では533MHz, 4.24GB/s
• PCIバスの上位互換、PCIバスにPCI-Xデバイスの接続も可能
• 今でも古いサーバで見かけるかもしれない
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32. PCI Express バス
• 複数のレーンを束ねて使う
• 1レーンあたり 250MB/s
• 4レーン 1,000Mbps = 1GB/s, 16レーンで 4GB/s
• 活線挿抜に対応 (ハードウェア、ソフトウェアの対応も必要)
• ソフトウェアレベルで PCI の上位互換
• 1.25GHzの周波数でデータをシリアル伝送 (1クロックあたり2ビット
伝送)
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33. PCI Express バス
PCI Express 2.0
• クロックが2倍 (1.25MHz→2.5GHz)、レーンあたりの転送速度も
250MB/sから500MB/sに
• 16レーンで8GB/sの帯域をサポート
• Message Signal Interrupt のサポートが必須に
PCI Express 3.0
• 規格策定中
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34. MSI
• Message Signal Interrupt
o メモリ書き込みにより割り込みを通知する (0x0FEExxxx)
o PCIデバイスで利用される
o IRQを使わない
o 32 メッセージまで共存可能
• Enhanced MSI (MSI-X)
o PCI Express バス向けの MSI
o PCI Express 2.0 では実装が必須に
o 2048 メッセージまで共存可能
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35. CPU間のインターコネクト … QPIとHyperTransport
NUMA(非対称メモリアクセス) vs UMA(対称型マルチプロセッサ）
Non-Uniform Memory Access （NUMA)
Uniform Memory Access (UMA)
近いデバイスへ速くアクセスできるが、遠く どのCPUから見ても同じ時間でアクセスで
のデバイスにはアクセスに時間がかかる
きるが、全CPUでバスを共有する
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36. CPU間のインターコネクト … QPIとHyperTransport
Hyper Transport (AMD)
Quick Path Interconnect (Intel)
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37. まとめ
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38. まとめ
• I/Oとは
o コンピュータに対するデータ入力／出力の機能
• 代表的なI/O方法
o I/Oポート、割り込み
o メモリマップドI/O、DMA
• バス
o 拡張バス
• PCI, PCI-X, PCI Express
o 最近の内部バス
• 現代のコンピュータはほとんどNUMA <-> UMA
• Quick Path Interconnect, Hyper Transport
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39. お疲れ様でした。
ガッテン！ #qpstudy
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40. Backup
I/Oを勉強するには
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41. I/Oを勉強するには
マイコンをいじると判りやすい…?
超初心者
• Arduino … デザイナーによるプロトタイピングを想定した簡単マイコン
初心者
• PICマイコン (ex: 18F2550) 数百円で買える、とりあえず発振子つけれ
ば動くマイコンチップ
• AVRマイコン … PICよりこちらをお勧めするひと多数。
ArduinoもAVRベース
• Intel 8051 … 性能が割と高めだが日本語での情報はあまりなさそう
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42. Arduino 入門キット
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43. Arduino (Books)
43

44. PIC
• a
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45. もっとガチな人には BeagleBoard なんていかが
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46. お疲れ様でした。
ガッテン！ #qpstudy
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