บทที่ 6 การนำข้อมูลเข้าและการส่งข้อมูลออก

6.1 ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับหน่วยรับและส่งข้อมูลเข้าออก

หน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออก ทำหน้าที่เป็นตัวกลาง การถ่ายเทข้อมูลระหว่างระบบคอมพิวเตอร์

กับโลกภายนอก โดยโลกภายนอกจะหมายถึงอุปกรณ์บริวารประเภทต่าง ๆ เช่น แป้นพิมพ์ จอภาพ เครื่องพิมพ์ นอกจากนี้อุปกรณ์บริวารยังหมายถึง อุปกรณ์ที่ใช้ในงานอื่น ๆ ที่ต่อเชื่อมอยู่กับระบบ หน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออก บางทีจะเรียกว่า อุปกรณ์เชื่อมต่อไอโอ หรือเรียกทับศัพท์ว่า   อุปกรณ์อินเตอร์เฟส (interface) เนื่องจากอุปกรณ์เชื่อมต่อนี้จะเป็นชุดของวงจร 

ซึ่งอาจจะเป็นชุดมาตรฐานที่ติดตั้งมาพร้อมกับระบบคอมพิวเตอร์ หน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออกจะจัดข้อมูลที่รับจากอุปกรณ์ต่อพ่วงให้อยู่ในรูปที่เหมาะสมแล้วส่งให้ระบบคอมพิวเตอร์ ในทางกลับกันก็จะสามารถรับข้อมูลจากระบบคอมพิวเตอร์ แล้วจัดให้อยู่ในรูปที่เหมาะสม

เพื่อส่งให้อุปกรณ์ต่อพ่วง

การเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงปกติจะไม่สามารถเชื่อมต่อเข้าโดยตรงกับบัสหลัก แต่จะต่อผ่านโมดุลไอโอโดยมีเหตุผลดังนี้

- อุปกรณ์ต่อพ่วงมีอยู่จำนวนมาก ซึ่งมีวิธีทำงานที่แตกต่างกันทำให้ไม่มีความเหมาะสมในการปล่อยให้ซีพียู เป็นตัวควบคุมการทำงานอุปกรณ์ทั้งหมด
- อัตราการถ่ายเทข้อมูลของอุปกรณ์ต่อพ่วงนั้นช้ากว่าความเร็วในการทำงานของซีพียู มาก ดังนั้นจึงเป็นการไม่เหมาะสมที่จะต่ออุปกรณ์เหล่านี้เข้ากับบัสโดยตรง

- อัตราการถ่ายเทข้อมูลของอุปกรณ์บางชนิด สูงกว่าความเร็วของหน่วยความจำหลัก หรือแม้กระทั่ง ซีพียู ซึ่งก็ไม่เหมาะสมที่จะนำอุปกรณ์เหล่านี้ต่อเข้าโดยตรงกับบัสเช่นกัน
- โครงสร้างข้อมูลหรือขนาดของเวิร์ดไม่เหมือนกับรูปแบบหรือขนาดที่เครื่องคอมพิวเตอร์ใช้อยู่

              

                         อุปกรณ์ส่งออก (Output Device)      อุปกรณ์รับเข้า (Input Device)

6.2 รูปแบบการรับและส่งข้อมูลเข้าออก

หน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออก มีการรับส่งข้อมูลอยู่ 2 ระบบ ได้แก่ การรับส่งข้อมูลแบบขนานหรืออาจเรียกว่า PIO (parallel Input / Output) ซึ่งจะสามารถรับส่งข้อมูลได้ครั้งละหลายบิต เช่น 4, 8, 16 หรือ 32 บิต นอกจากการรับส่งข้อมูลแล้ว จะต้องมีการแลกเปลี่ยนสัญญาณควบคุมระหว่างหน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออกและอุปกรณ์ต่อพ่วงด้วย ทั้งนี้เพื่อรักษาจังหวะในการถ่ายเทข้อมูล ระหว่างหน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออกและอุปกรณ์ต่อพ่วง

6.3 หน้าที่และโครงสร้างของหน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออก

หน้าที่ของหน่วยรับและส่งข้อมูลหน่วยรับส่งข้อมูลเข้าออกหรือโมดูลไอโอ จะเป็นตัวคั่นกลางระหว่างระบบคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วง ดังนั้น โมดูลไอโอซึ่งทำหน้าที่บริการทั้งสองด้าน หน้าที่หลักของโมดูลไอโอ สามารถแบ่งออกได้ดังนี้

- การควบคุมและรักษาจังหวะการทำงาน
- การสื่อสารกับโปรเซสเซอร์และสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วง
- การจัดการบัฟเฟอร์
- การตรวจสอบข้อผิดพลาด
ในช่วงเวลาใด ๆ ก็ตาม โปรเซสเซอร์อาจจะทำการสื่อสารกับอุปกรณ์ภายนอกหนึ่งอย่างหรือมากกว่านี้ ในรูปแบบที่ไม่สามารถคาดเดาได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับความต้องการไอโอของโปรแกรมที่ทำงานอยู่ในเวลานั้น ทรัพยากรภายใน

โครงสร้างของโมดูลไอโอ

โมดูลไอโอแต่ละโมดูลมีความแตกต่างกันมากมายหลายแบบขึ้นอยู่กับชนิดและการทำงานของอุปกรณ์ต่อพ่วง จำนวนอุปกรณ์ที่ต่อพ่วงโมดูลที่จะควบคุมได้ ในที่นี้จะกล่าวถึงรูปแบบทั่วไปเท่านั้น แสดงบล็อกไดอะแกรมของโมดูลไอโอทั่วไป โมดูลไอโอจะมีส่วนที่เชื่อมต่อระบบคอมพิวเตอร์โดยผ่าน บัสหลัก ได้แก่ บัสข้อมูล บัสตำแหน่งและบัสควบคุม ข้อมูลที่ส่งผ่านโมดูลจะผ่านบัฟเฟอร์ที่เป็นรีจีสเตอร์ข้อมูล ซึ่งรีจีสเตอร์นี้จะทำหน้าที่พักข้อมูลที่รับจากซีพียูเพื่อส่งไปให้อุปกรณ์ต่อพ่วงหรือทำหน้าที่รับข้อมูลจากอุปกรณ์ต่อพ่วงเพื่อส่งไปให้ซีพียู

6.4 การควบคุมไอโอด้วยโปรแกรม

วิธีการทำงานของไอโอมีอยู่สามวิธี วิธีแรกคือการควบคุมด้วยโปรแกรม(programmed I/O) ข้อมูลจะเกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างโปรเซสเซอร์กับโมดูลไอโอ โปรเซสเซอร์จะประมวลผลโปรแกรมที่เป็นการออกคำสั่งโดยตรงเกี่ยวกับการทำงานของไอโอรวมทั้งการตรวจสอบสถานะของอุปกรณ์

การควบคุมไอโอด้วยโปรแกรมนั้น เมื่อซีพียูประมวลผลโปรแกรมหลักจะทำการตรวจสอบรีจีสเตอร์สถานะ (I/O status register) ของไอโอเป็นระยะ ๆ (ตามเวลาที่กำหนดไว้) ว่าอุปกรณ์ต่อพ่วงใดแสดงความพร้อมที่จะขอติดต่อกับซีพียู หรืออีกกรณีหนึ่งเมื่อซีพียูพบคำสั่งที่เกี่ยวข้องกับไอโอ ซีพียูก็จะเรียกใช้ชุดคำสั่งหรือโปรแกรมย่อย เพื่อให้บริการอุปกรณ์ต่อพ่วงนั้น จากนั้นก็จะเปลี่ยนบิตบอกสถานะของโมดูลไอโอให้เป็น “0” หรือเป็นค่าที่เหมาะสม เพื่อเมื่อปฏิบัติเสร็จเรียบร้อยโมดูลไอโอก็จะไม่ทำอะไรต่อ ดังนั้นจึงเป็นหน้าที่ของ ซีพียูที่จะคอยตรวจสอบ ดูสถานะของโมดูลไอโอจนพบว่างานที่ได้สั่งให้ทำนั้นเสร็จเรียบร้อยแล้ว

ในการประมวลผลคำสั่งที่เกี่ยวข้องกับไอโอ ซีพียูจะต้องกำหนดหมายเลขที่อยู่หรือแอดเดรสของโมดูลไอโอและอุปกรณ์ต่อพ่วง หรืออุปกรณ์ต่อพ่วงแต่ละชนิดจะได้รับหมายเลขที่ไม่ซ้ำกัน เมื่อซีพียูส่งคำสั่งไอโอมายังโมดูลไอโอ คำสั่งนั้นจะระบุหมายเลขที่อยู่ของอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ต้องการไว้ด้วยเสมอ คำสั่งที่ต้องการให้อุปกรณ์ต่อพ่วงปฏิบัติจะมี 4 อย่างด้วยกันคือ

- การควบคุม (Control) : ใช้ในการกระตุ้นให้อุปกรณ์ไอโอพร้อมที่จะปฏิบัติงาน และบอกให้ทราบว่าจะต้องทำงานอะไร

- การทดสอบ (Test) : ใช้สำหรับการทดสอบสถานะการทำงานหลายอย่างของโมดูลไอโอและอุปกรณ์ โปรเซสเซอร์

 - การอ่านข้อมูล (Read) : จะทำให้โมดูลไอโออ่านข้อมูลมาจากอุปกรณ์ที่ต่อพ่วงและใส่เข้าไว้ในบัฟเฟอร์ จากนั้นโปรเซสเซอร์จะสามารถนำข้อมูลไปใช้ โดยออกคำสั่งให้โมดูลไอโอใส่ข้อมูลเข้าไปในบัสนำสั่ง

- การบันทึกข้อมูล (Write) : จะทำให้โมดูลไอโอนำข้อมูล (ไบต์ หรือ เวิร์ด) จากบัสนำส่งข้อมูล ไปส่งต่อให้กับอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ต้องการ

6.5 การควบคุมไอโอด้วยอินเทอร์รัพท์

การควบคุมไอโอด้วยโปรแกรม โดยทั่วไปจะไม่เป็นที่นิยมเพราะซีพียูจะต้องเสียเวลามาคอยตรวจสอบสถานะการทำงานของโมดูลไอโออยู่ตลอดเวลา ในความเป็นจริงแล้วควรจะปล่อยให้ซีพียูทำงานตามโปรแกรมหลัก ต่อเมื่อจะป้อนข้อมูลให้ซีพียู จึงแจ้งหรือขัดจังหวะซีพียู ให้มาบริการอุปกรณ์ต่อพ่วงนั้น ๆ ชั่วคราว แล้วจึงกลับไปทำงานหลักต่อ วิธีดังกล่าวนี้ คือหลักการของการอินเทอร์รัพท์

6.6 การเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง

ข้อเสียของระบบไอโอที่ใช้กลไกอินทอร์รัพท์และไอโอที่โปรแกรมควบคุม แม้ว่าการควบคุมไอโอที่ใช้กลไกอินเทอร์รัพท์ จะมีประสิทธิภาพมากกว่าการควบคุมโดยใช้โปรแกรมแต่ก็ยังต้องอาศัยการทำงานของโปรเซสเซอร์ในการถ่ายเทข้อมูลระหว่างหน่วยความจำและโมดูลไอโอ นั้นคือข้อมูลทั้งหมด (ไม่ว่าจะเป็นการอ่านหรือการบันทึกข้อมูล) จะต้องเดินทางผ่านโปรเซสเซอร์เสมอ ทำให้เกิดประประสิทธิภาพต่ำเนื่องจาก
- อัตราการถ่ายเทข้อมูล จะถูกกำจัดโดยความเร็วที่โปรเซสเซอร์สามารถจะให้บริการแก่อุปกรณ์นั้น ๆ ได้
- โปรเซสเซอร์จะถูกดึงให้มาทำงานในระหว่างการถ่ายเทข้อมูลไอโอ โปรเซสเซอร์จะต้องทำการประมวลผลคำสั่งจำนวนหนึ่งสำหรับการถ่ายเทข้อมูลไอโอแต่ละครั้ง

6.7 การเชื่อมต่อโมดูลไอโอกับอุปกรณ์ต่อพ่วง

การติดต่อสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์กับอุปกรณ์ภายนอกหรืออุปกรณ์ต่อพ่วง ซึ่งมีอยู่มากหมายหลายประเภท เช่น แป้นพิมพ์ เครื่องพิมพ์ สแกน โมเด็ม เป็นต้น ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องอาศัยช่องทาง (port) สำหรับส่งถ่ายข้อมูล พอร์ตหรือช่องทางนี้มีการทำงานอยู่สองแบบ คือ ทำงานแบบอนุกรม (serial) และทำงานแบบขนาน (parallel) ในการทำงานของส่วนเชื่อมต่อแบบขนานจะมีสายสัญญาณหลายเส้นเชื่อมต่อระหว่างโมดูลไอโอและอุปกรณ์ต่อพ่วงทำให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้หลายบิตพร้อม ๆ กัน ส่วนการเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะมีสายสัญญาณเพียงเส้นเดียวเท่านั้นที่ใช้ในการถ่ายโอนข้อมูล ซึ่งจะถูกส่งออกครั้งละหนึ่งบิต

USB ย่อมาจาก Universal Serial Bus เป็นมาตรฐานการเชื่อมต่ออุปกรณ์ ไอโอ ภายนอกแบบใหม่สำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ในระดับพีซีที่ใช้งานง่ายราคาถูก สามารถจัด คอนฟิกูเรชันได้ง่ายอีกทั้งมีความเร็วอีกทั้งมีความเร็วในการถ่ายเทข้อมูลสูงสุด ซึ่งสามารถสนับสนุนการถ่ายข้อมูลที่ความเร็ว12Mb/วินาที ลักษณะของข้อมูลสามารถเป็นได้ทั้งรูปแบบการถ่ายเทข้อมูลในลักษณะกระแสและแพ็กเก็ต

USB มีรูปแบบความเร็วในการถ่ายเทข้อมูล 2 แบบ ได้แก่ แบบความเร็วสูงสุด ซึ่ง USB ใช้เพื่อการส่งข่าวสารและถ่ายเทข้อมูลที่ความเร็ว 12 Mbps และ แบบความเร็วต่ำอยู่ที่ 1.5 Mbps

การเชื่อมต่อแบบ ไฟร์ไวร์ (Fi-Wi) เป็นการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม ที่กำลังได้รับความนิยมอีกแบบหนึ่งนอกจากจะเป็นมาตรฐานการเชื่อมต่อในระบบคอมพิวเตอร์แล้วยังนำไปใช้เป็นมาตรฐานการเชื่อมต่ออุปกรณ์อีเล็กทรอนิกส์ เครื่องใช้ในบ้านได้อีก

FireWire มีข้อดีเหนือกว่าส่วนติดต่อไอโอแบบเก่าหลายประการ นั่นคือ เป็นระบบที่มีความเร็วสูง ราคาต่ำ และสร้างขึ้นมาใช้งานได้ง่าย อันที่จริงแล้ว ระบบนี้ไม่ได้นำมาใช้งานเฉพาะในระบบคอมพิวเตอร์เท่านั้น แต่ยังสามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์ดิจิตอลอื่น ๆ ได้ เช่น กล้องดิจิตอล เครื่องเล่นวิดีโอ และโทรทัศน์ ในระบบเหล่านี้ FireWire ถูกนำมาใช้ในการถ่ายโอนข้อมูลทางด้านภาพ ซึ่งมีแหล่งที่มาจากอุปกรณ์ดิจิตอล

อ้างอิง

http://dol-kalon.blogspot.com/2009/03/6.html สืบค้น(20 ตุลาคม 2558)