APS/Lectures/20. Input-Output System.md

# 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, 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 ноликов и единичек, 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, пока периферия сгенерирует новую информациию.
- 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 реагирует 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 mode) — контроллер захватывает шину пока не закончит свои дела;
- Прозрачный режим (Transparent mode) — контроллер осуществляет пересылку информации только тогда, когда никто другой не занимает шину;
- Режим перехвата цикла (Cycle stealing mode) - контроллер делает по одной 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 (Finite 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