====== 8. I/O prostor mapovaný do paměti a PCI sběrnice ======

  * pro vyučující: [[..:..:internal:tutorials:08:start|cvičení 8]]

===== Osnova cvičení =====

  - Zápis na I/O bránu
  - Čtení z I/O brány
  - Zápis řetězce na sériový port
  - Volání služby operačního systému
  - Zpracování přerušení
  - Sběrnice, základní pojmy
  - Obvodové řešení V/V adaptéru
  - Sběrnice PCI

===== Co bych si měl na cvičení zopakovat/připravit =====

  - MipsIt simulátor
  - Rozumět programům z předchozích cvičení
  - Rozumět přednáškám (I/O podsystém I a II)
  - Základy logických systémů - hradla, klopné obvody, apod.

===== Náplň cvičení =====

Cílem je z programu přistupovat na periferie procesorového zařízení.


===== Úkoly =====

S problematikou se seznamte nejdříve v simulátoru [[..:..:documentation:qtmips:start|QtMips]]. Jednoduchá vstupně výstupní periferie je mapovaná od adresy 0xffffc100.

==== Zápis hodnoty na výstupní port ====

   - Napište program, který zobrazí 32-bitové číslo z registru na výstupní periferii - registr ''SPILED_REG_LED_LINE''. Jedná se o řádku 32 LED diod na desce [[..:..:documentation:mz_apo:start|MZ_APO]] (fyzická adresa 0x43c40004) nebo ekvivalentním výstupu v simulátoru [[..:..:documentation:qtmips:start|QtMips]] (přímo přístupná adresa 0xffffc104).
   - Rozšiřte program tak, aby v nekonečné smyčce stále dokola zobrazoval na výstupu sekvenci následujících čísel, dále prodlužte efekt na celých 32 bitů.

<code>
pole:
.word  1, 2, 4, 8, 16, 32, 65, 48, 66, 51, 54, 65, 80, 79, 1, 2, 3

lui $t0, 0xffff
ori $t0, $t0, 0xc100

addi $t1, $0, 5
addi $t2, $0, 30
addi $t3, $0, 1

loop:
  sw $t1, 4($t0)
  sll $t1, $t1, 1
  addi $t2, $t2, -1
  bne $t2, $0, loop
  nop
  break
</code>

<code>
lui $t0, 0xffff
ori $t0, $t0, 0xc000

addi $t1, $0, 48
addi $t6, $0, 1234
addi $t2, $0, 10
loop:
  lw $t3, 0x08($t0)
  andi $t3, $t3, 1
  beq  $t3, $0, loop  
  nop 
  sw $t1, 0x0c($t0)
  addi $t1, $t1, 1
  addi $t2, $t2, -1
  bne $t2, $0, loop
  nop
  break
  </code>

==== Čtení ze vstupního portu ====

   - Napište program, který do registru načte 32-bitovou hodnotu ze vstupní periferie (trojice otočných voličů). Na desce [[..:..:documentation:mz_apo:start|MZ_APO]] je stav voličů k přečtení z fyzické adresy 0x43c40024). V simulátoru [[..:..:documentation:qtmips:start|QtMips]] je nastavení voličů dostupné na adrese 0xffffc124.
   - Rozšiřte program tak, že ze vstupu přečte číslo a na výstup zobrazí hodnotu z odpovídající pozice ve výše uvedeném poli. Pokud je zadáno číslo, překračující rozsah pole, zobrazí program na výstupu samé jedničky (rozsvítí všechny LED).

==== Čtení a zápis z programu v jazyce C ====

Kompletní popis periferií implementovaných v simulátoru [[..:..:documentation:qtmips:start|QtMips]] naleznete na stránce třetího cvičení v odstavci [[..:03:start#periferie_mapovane_do_pametoveho_adresniho_prostoru|periferie mapované do paměťového adresního prostoru]] případně přímo v souboru [[https://github.com/cvut/QtMips/#peripherals|README.md]] přímo z projektu. Součástí třetího cvičení je i ukázka překladu z jazyka C do assembleru s rozborem generovaného kódu. Nalézá se tam také archiv s programem. Program naleznete in v adresáři ''/opt/apo/qtmips_binrep''. Program se shodnou funkcí pro desku MZ_APO naleznete v adresáři ''/opt/apo/binrep/mzapo_binrep''. Porovnání analýzy kódu zkompilovaného pro architekturu ARM naleznete na konci dnešního cvičení.

==== Zápis řetězce na sériový port ====

==== Volání služby operačního systému ====

==== Grafický výstup v emulátoru QtMips ====

==== Zpracování přerušení ====

===== Sběrnice a mapování periferií v PC =====

==== Základní pojmy ====

  - Sběrnice vs. dvoubodový spoj
    - Co mají tyto technické prostředky společného a v čem se liší?
    - Uveďte příklady dvoubodového spoje.
    - Uveďte příklady sběrnice.
  - V/V adaptér
    - Z jakých základních bloků se skládá obecný V/V adaptér na sběrnici? //(nápověda: na sběrnici je takových adaptérů více, komunikace je obousměrná)//
    - Dokážete stručně popsat rozdíl v realizaci vstupní a výstupní brány?
  - Adresace
    - Vysvětlete pojmy individuální a skupinová adresace.
    - Vysvětlete pojem dvouúrovňová adresace, k čemu se používá? Dokážete uvést příklad z praxe, kde se používá?
    - Co je to relokovatlenost adaptéru a jak se realizuje?
    - Co je to zrcadlení adresového prostoru? Kdy k němu dochází?

==== Obvodové řešení V/V adaptéru (pro zájemce) ====

Obvodové řešení V/V adaptéru již na PCI a modernějších sběrnicích není prakticky realizovatelné. Pro pochopení problematiky (před návrhem V/V adaptéru pro PCI) je však jednoduché obvodové řešení např. na sběrnici typu ISA vhodné.

Adresový dekodér:
{{..:ad.png?80|}}

Jednoduchý V/V adaptér:
{{..:isa.png?80|}}

  - Navrhněte adresový dekodér. Máte 16b adresovou sběrnici, zařízení má 64 V/V registrů. Úkol: umístit registrové pole do V/V prostoru od adresy 0x1480, k dispozici je jeden obvod 74LS688.
  - Diskutujte zrcadlení v tomto případě.

== Příklad kompletního řešení ==
{{..:aa_sio3.png?160|}}
{{..:aa_sio3t.png?120|}}

  - Je tento adaptér relokovatelný?
  - Na jaké adrese ve V/V prostoru bude přístupný?
  - Dochází zde k zrcadlení?

==== Sběrnice PCI ====

  - Pomocí programu ''lspci'' zobrazte PCI zařízení v počítači.
  - Zobrazte podrobnosti o PCI zařízeních, adresy v paměti a V/V prostoru, které obsazují.
  - Pomocí ''lspci -xxx'' zobrazte konfigurační prostor PCI a pro vybraná zařízení určete pomocí tohoto výpisu:
     * typ zařízení
     * výrobce zařízení
     * jaké adresy ve V/V prostoru obsazuje
     * jaké adresy v paměťovém prostoru obsazuje

=== Návrh adaptéru PCI ===

Na přednáškách jste viděli příklad jednotlivých bloků adaptéru na PCI sběrnici, včetně řídicího konečného automatu. Rozšiřte tento návrh o možnost konfiguračního čtení a konfiguračního zápisu. (Časový diagram konfiguračního čtení:{{..:pci-cfg.png?32|}})

===== Odkazy =====
  * http://en.wikipedia.org/wiki/PCI_configuration_space - konfigurační prostor PCI zařízení
  * http://linuxcommand.org/man_pages/lspci8.html - manuálová stránka programu ''lspci''
  * http://www.pcidatabase.com - PCI Vendor and Device Lists