Добавление конспектов лекций

Lectures/20. Input-Output System.md

@@ -0,0 +1,301 @@
+# Лекция 20. Ввод\Вывод
+
+## Содержание
+
+- [Лекция 20. Ввод\\Вывод](#лекция-20-вводвывод)
+  - [Содержание](#содержание)
+  - [Системы ввода-вывода](#системы-ввода-вывода)
+    - [Система ввода-вывода подключена к центральному процессору с помощью отдельной шины](#система-ввода-вывода-подключена-к-центральному-процессору-с-помощью-отдельной-шины)
+    - [Система ввода-вывода имеет отдельную от памяти шину управления, но совместную шину адреса и данных](#система-ввода-вывода-имеет-отдельную-от-памяти-шину-управления-но-совместную-шину-адреса-и-данных)
+    - [Система ввода-вывода имеет единую шину с основной памятью](#система-ввода-вывода-имеет-единую-шину-с-основной-памятью)
+  - [Адресное пространство](#адресное-пространство)
+    - [Системы с выделенным адресным пространством](#системы-с-выделенным-адресным-пространством)
+    - [Системы с совмещенным (совместным) адресным пространством](#системы-с-совмещенным-совместным-адресным-пространством)
+  - [Структура периферийного устройства](#структура-периферийного-устройства)
+  - [Модули ввода-вывода](#модули-ввода-вывода)
+    - [Ввод-вывод с опросом](#ввод-вывод-с-опросом)
+    - [Ввод-вывод с прерываниями](#ввод-вывод-с-прерываниями)
+    - [Прямой доступ к памяти (ПДП или Direct Memory Access — DMA)](#прямой-доступ-к-памяти-пдп-или-direct-memory-access--dma)
+  - [Конфигурации ПДП(DMA)](#конфигурации-пдпdma)
+  - [Канальная система ввода-вывода](#канальная-система-ввода-вывода)
+  - [RAID](#raid)
+  - [JTAG (Join Test Action Group)](#jtag-join-test-action-group)
+  - [Основные материалы лекции](#основные-материалы-лекции)
+  - [Дополнительные материалы к лекции](#дополнительные-материалы-к-лекции)
+
+## Системы ввода-вывода
+
+> *Система ввода-вывода* — это комплекс обмена информацией с внешними устройствами.
+
+К системе ввода-вывода можно отнести и способы подключения к системной шине различного оборудования, и процедуры взаимодействия процессора с этим оборудованием, и команды процессора, предназначенные для обмена данными с внешними устройствами.
+
+Системы ввода-вывода различают по способам подключения к процессору.
+
+### Система ввода-вывода подключена к центральному процессору с помощью отдельной шины
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_01.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_01.png)
+
+*Рис. 1. Отдельная шина системы ввода-вывода.*
+
+- Плюсы: система ввода-вывода отделена от основной памяти и для нее может быть соблюдена своя специфика, например меньшие скорости, определенный интерфейс работы, который больше подходит под данные системы.
+- Минусы: много точек подключения, меньшая надежность, большие габариты и т.д.
+
+### Система ввода-вывода имеет отдельную от памяти шину управления, но совместную шину адреса и данных
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_02.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_02.png)
+
+*Рис. 2. Система ввода-вывода с отдельной шиной управления.*
+
+- Плюсы: специализация под систему ввода-вывода (т.к. управление осуществляется по другой линии), используются отдельные инструкции для работы с вводом-выводом.
+
+Архитектура x86 использует данный тип подсистемы ввода-вывода.
+
+### Система ввода-вывода имеет единую шину с основной памятью
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_03.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_03.png)
+
+*Рис. 3. Единая шина для системы ввода-вывода и памяти.*
+
+- Плюсы: в случае совместного адресного пространства мы имеем гибкий размер системы ввода-вывода (то есть мы можем уменьшить количество памяти и увеличить количество систем ввода-вывода или наоборот).
+- Минусы: поскольку для доступа к регистрам модулей ввода-вывода используется та же шина, что и для доступа к памяти, процессор использует в обоих случаях одни и те же инструкции, что отрицательно сказывается на читаемости ассемблерного кода.
+
+Архитектуры RISC-V и MIPS используют данный тип подсистемы ввода-вывода.
+
+## Адресное пространство
+
+> *Адресное пространство* — совокупность всех допустимых адресов каких-либо объектов вычислительной системы.
+
+Системы ввода-вывода различают по организации адресного пространства.
+
+### Системы с выделенным адресным пространством
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_04.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_04.png)
+
+*Рис. 4. Системы с выделенным адресным пространством.*
+
+В выделенном адресном пространстве ячейки памяти отделены от модулей ввода-вывода. То есть процессор имеет 2 шины. Одна направлена для памяти, другая для ввода-вывода.
+
+Пример системы с выделенным адресным пространством приведен на рис. 1.
+
+### Системы с совмещенным (совместным) адресным пространством
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_05.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_05.png)
+
+*Рис. 5. Системы с совмещенным (совместным) адресным пространством.*
+
+В совместном адресном пространстве есть только один набор адресов. Обращаясь по одним адресам мы попадаем в память, а по другим в управляющие регистры, которые ассоциированы с периферийными устройствами (т.е устройствами ввода-вывода, те которые подключаются к системе и связывают её с внешним миром).
+
+Пример системы с совместным адресным пространством приведен на рис. 3.
+
+При выделенном адресном пространстве можно разрабатывать систему ввода-вывода отдельно от памяти. В случае совместного этого не получится потому, что система ввода-вывода и память должны удовлетворять одним и тем же требованиям по связи (т.е. передачи информации).
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_06.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_06.png)
+
+*Рис. 6. Совместное адресное пространство с дешифратором адреса.*
+
+## Структура периферийного устройства
+
+Все периферийные устройства можно свести к трём категориям:
+
+- Для общения с пользователем (принтеры, мониторы и др.)
+- Для общения с вычислительной машиной (внешние устройства, которые отдают или получают информацию от внешнего мира через различные датчики, а также системы хранения информации)
+- Для связи с удаленными устройствами (передача информации на большие расстояния)
+
+Обобщенно любое периферийное устройство можно представить в виде:
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_07.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_07.png)
+
+*Рис. 7. Периферийное устройство.*
+
+Периферийное устройство как-то взаимодействует с внешней средой. (Например датчик температуры. На преобразователь приходит температура, каким-то образом преобразуется и отправляется в буферную память в виде нолики и единички, которые характеризуют среду.)
+
+Буферная память и логика управления связана с модулями ввода-вывода условными сигналами (условные так как для связи с модулями ввода-вывода используется 'малый' интерфейс).
+
+Модуль ввода-вывода по данному интерфейсу генерирует различные сигналы управления для периферийного устройства, 'говоря' что нужно делать, и при этом собирает сигналы состояния, чтобы понимать в каком состоянии находится устройство (может быть у него какие-то проблемы или ошибки,  закончило ли оно преобразование информации (например можно узнать храниться ли что-то в буферной памяти и  можно ли это забирать)).
+
+## Модули ввода-вывода
+
+Основные функции модулей ввода-вывода:
+
+- Локализация данных (выделение некоторого адресного пространства внутри которого процессор может через модуль ввода-вывода управлять периферийными устройствами).
+- Управление и синхронизация (модуль ввода-вывода с одной стороны подключен 'большим' интерфейсом к высокоскоростной шине, к которой также подключены память и процессор, а с другой стороны 'малым' интерфейсом к медленным устройствам (к периферии), у которых могут быть специфические сигналы управления и синхронизации).
+- Обмен информацией
+  - Распознавание команд
+  - Пересылка данных (от периферии в процессор либо в память и обратно)
+  - Извещение о состоянии (извещение процессора о состоянии периферийных устройств)
+  - Буферизация данных
+- Обнаружение ошибок (и извещение об этом процессора)
+
+К одному модулю ввода-вывода может быть подключено много периферийных устройств, может быть много самих модулей ввода-вывода. В таком случае старшая часть адреса, которую выставляет процессор, указывает на конкретный модуль ввода-вывода, следующие несколько бит информации указывают на конкретное периферийное устройство, внутри этого модуля ввода-вывода, а последние биты указывают на конкретный регистр конкретного устройства.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_08.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_08.png)
+
+*Рис. 8. Структура модуля ввода-вывода.*
+
+Модуль ввода-вывода — это прослойка между шиной и периферийными устройствами, у которой с одной стороны реализован контроллер 'большого' интерфейса, с другой стороны контроллеры 'малых' интерфейсов, а в середине некая логика управления, с помощью которой процессор может обмениваться информацией между интерфейсами.
+
+Системы ввода-вывода различают по методу управления вводом-выводом.
+
+### Ввод-вывод с опросом
+
+- Плюсы: простота.
+- Минусы: процессор постоянно занимает шину; процессор не делает ничего полезного, он занят ожиданием устройства ввода, которое может генерировать информацию миллионы тактов процессора.
+
+Процессор получает данные от периферийного устройства по следующей схеме:
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_09.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_09.png)
+
+*Рис. 9. Алгоритм ввода-вывода с опросом.*
+
+### Ввод-вывод с прерываниями
+
+- Плюсы: процессор не ждет периферия сгенерирует новую информации.
+- Минусы: процессору приходится перекидывать информацию в основную память через себя.
+
+Метод состоит из двух частей:
+
+- Инициализация прерывания (сообщить модулю ввода-вывода, что мы ждем информацию от какого-то периферийного устройства, после чего разрешаем прерывания от этого модуля ввода-вывода).
+- Обработка прерывания (процесс просыпается и начинает читать из регистра состояний модули ввода-вывода).
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_10.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_10.png)
+
+*Рис. 10. Алгоритм ввода-вывода с прерываниями.*
+
+### Прямой доступ к памяти (ПДП или Direct Memory Access — DMA)
+
+- Плюсы: процессор не занимается пересылкой данных.
+- Минусы: сложность реализации в высокопроизводительных системах с виртуальной и кэш памятью.
+
+Контроллер прямого доступа к памяти — это устройство, которое берет на себя задачу переброски информации из периферийных устройств в основную память либо наоборот из основной памяти в периферийное устройство в обход процессора.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_11.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_11.png)
+
+*Рис. 11. Схема с контроллером прямого доступа к памяти.*
+
+Получение доступа к шине КПДП:
+
+1. Периферийное устройство по специальной линии делает запрос контроллеру прямого доступа к памяти о том, что нужно передать данные в основную память.
+2. КПДП формирует сигнал Запрос ПДП, который отправляется в центральный процессор.
+3. ЦП видит запрос прямого доступа к памяти, отключается от системной шины и формирует сигнал Подтверждения ПДП
+4. КПДП выполняет пересылку данных.
+
+Либо из центрального процессора, либо из периферийного устройства (в зависимости от конфигурации системы) КПДП получит адрес, с которого начнется запись в основную память (в случае переброски информации из периферийных устройств в основную память).
+
+Передача данных из периферийного устройства в основную память:
+
+1. КПДП запрашивает данные у периферийного устройства;
+2. Периферийное устройство передает информацию в регистр данных;
+3. КПДП выставляет адрес основной памяти;
+4. КПДП передает информацию из регистра данных в основную память;
+5. Уменьшается значение счетчика данных;
+6. Увеличивается адрес;
+7. Пока не закончился счетчик к пункту 1.
+
+В одном устройстве может быть несколько DMA, если есть несколько шин.
+
+DMA могут работать в разных режимах (режимы отличаются тем, насколько долго захватывают шину, то есть останавливают передачу информации между другими блоками системы):
+
+- Взрывной режим (Burst mod) — контроллер захватывает шину пока не закончит свои дела;
+- Прозрачный режим — контроллер осуществляет пересылку информации только тогда, когда никто другой не занимает шину;
+- Делать по одно посылке за раз и отпускать шину на арбитраж.
+
+## Конфигурации ПДП(DMA)
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_12.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_12.png)
+
+*Рис. 12. Конфигурации ПДП.*
+
+1. Подключен к шине как устройство;
+2. Выполняет роль модуля ввода-вывода для подключенного к нему набора периферийных устройств;
+3. КПДП подключается с одной стороны по выделенной шине к периферийным устройствам, а с другой к системной шине.
+
+## Канальная система ввода-вывода
+
+Канальная система ввода-вывода — это не просто прямой доступ к памяти, в ней есть специализированный процессор, который используется для того, чтобы связываться с периферийными устройствами.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_13.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_13.png)
+
+*Рис. 13. Схема канальной системы ввода вывода.*
+
+Канал(процессор) ввода-вывода — это контроллер прямого доступа к памяти, выполненный в виде специализированного процессора, которому можно давать сложные запросы и эти запросы будут обрабатываться программно.
+
+Канал ввода-вывода имеет свою локальную память. Процессор ввода-вывода обращается за своими программами, которые осуществляют ввод-вывод, в основную память.
+
+Каналы и процессоры ввода-вывода используются для подключения большого количества периферийных устройств. Благодаря им центральный процессор более эффективно тратит свое время.
+
+## RAID
+
+RAID (Redundant Array of Independent Disks) — избыточный массив независимых дисков.
+
+Это объединение нескольких винчестеров, так чтобы повысить надежность хранения информации. Существуют разные способы объединения винчестеров в группу.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_14.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_14.png)
+
+*Рис. 14. Классификация Паттерсона и Хеннесси.*
+
+- RAID 0: не повышает надежность, объединяет диски с целью более быстрого доступа к ним.
+- RAID 1: информация клонируется на другие диски.
+- RAID 2: создается избыточность, для того чтобы можно было восстановить данные.
+- RAID 3: складываются по модулю 2 новое значение на одном из дисков и не изменившиеся значения на остальных трех дисках и записываются на избыточный диск. Получившееся значение называется битом четности (битом паритета).
+- RAID 4: складываются по модулю 2 бит четности, новое и старое значения элемента на одном из дисков и записываются на избыточный диск. Получается новый бит четности.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_15.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_15.png)
+
+*Рис. 15. Расчет бита четности при обновлении данных в RAID 3 и RAID 4.*
+
+- RAID 5: биты четности раскиданы по всем дискам, что позволяет добавлять новые значения параллельно.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_16.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_16.png)
+
+*Рис. 16. Распределение битов четности в RAID 4 и RAID 5.*
+
+- RAID 6: RAID 5, у которого вдвое увеличено количество избыточных контрольных дисков, то есть 2 диска, в которых хранятся паритеты, что повышает надежность.
+
+## JTAG (Join Test Action Group)
+
+JTAG — это четырехпроводной интерфейс, с помощью которого можно проверить правильно ли работает устройство. Его часто иcпользуют для отладки процессорной системы.
+
+Граничное сканирование (Boundary Scan) — это способ тестирования микросхемы. Он заключается в том, что между каждой ножкой и ядром помещается ячейка памяти, эти ячейки соединяются как сдвиговый регистр. С помощью управляющих сигналов и сдвигового регистра мы можем считать информацию с ножек или выставить сигналы в ячейки памяти, что позволяет нам проверить работу всех выводов микросхемы, не подключаясь к ним. (Например, нам нужно узнать значение на определенной ножке. Мы сообщаем контроллеру JTAG, что нужно сохранить информацию с нее в ячейку памяти. Когда ячейка получит текущее состояние этого вывода, с помощью сдвигового регистра выдвигаем эту информацию на выход, где считываем ее).
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_17.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_17.png)
+
+*Рис. 17. Схема JTAG.*
+
+TMS — управление.  
+TDI и TDO — входной и выходной сигналы.  
+TCK — сигнал тактирования.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_18.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_18.png)
+
+*Рис. 18. Сканирующая цепочка.*
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_19.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_19.png)
+
+*Рис. 19. Ячейка памяти.*
+
+Input Mux и Output Mux — мультиплексоры.  
+Data_In и Data_Out — вход и выход данных ножки.  
+Scan In и Scan Out — вход и выход сканирующей цепочки.  
+Shift Register — один из триггеров сдвигового регистра (прикидываемся значениями с ножки).
+
+Сигналами ShiftDR, Mode и др. управляют сигналы TMS и TCK. Они управляют не напрямую, а подключены к автомату состояний, который работает таким образом:
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_20.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_20.png)
+
+*Рис. 20. FSM (Finit State Machine) — конечный автомат (автомат состояний).*
+
+где DR — Data Register, IR — Instruction Register
+
+Автомат состояний используется для того, чтобы по-байтово битик за битиком загрузить в регистр нужную информацию.
+
+![../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_21.png](../.pic/Lectures/20.%20Input-Output%20System/fig_21.png)
+
+*Рис. 21. Структура JTAG.*
+
+TAP Controller устроен как автомат состояний. Он формирует сигналы для JTAG.
+
+## Основные материалы лекции
+
+1. [Ссылка](https://www.youtube.com/watch?v=XtoTG6qht3A&list=PL0def37HEo5KHPjwK7A5bd4RJGg4djPVf&index=21) на видеозапись лекции.
+
+## Дополнительные материалы к лекции