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

• pro vyučující: cvičení 8

1. Zápis na I/O bránu
2. Čtení z I/O brány
3. Zápis řetězce na sériový port
4. Volání služby operačního systému
5. Zpracování přerušení
6. Sběrnice, základní pojmy
7. Obvodové řešení V/V adaptéru
8. Sběrnice PCI

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

Cílem je z programu přistupovat na periferie procesorového zařízení.

S problematikou se seznamte nejdříve v simulátoru QtMips. Jednoduchá vstupně výstupní periferie je mapovaná od adresy 0xffffc100.

1. 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 MZ_APO (fyzická adresa 0x43c40004) nebo ekvivalentním výstupu v simulátoru QtRvSim (přímo přístupná adresa 0xffffc104).
2. Změňte program, aby v nekonečném cyklu jezdil zadaný vzor zleva doprava

  lui t0, 0xffffc
  ori t0, t0, 0x100

  addi t1, zero, 5

  sw t1, 4(t0)
  slli t1, t1, 1
  sw t1, 4(t0)
  slli t1, t1, 1
  sw t1, 4(t0)
  slli t1, t1, 1

  ebreak

- Zjistěte co udělá tento program

  lui t0, 0xffffc
  ori t0, t0, 0x100

  addi t1, zero, 0
  addi t2, zero, 0

  la s0, n
  lw s0,0(s0)

cykl1:  
  slli t1, t1, 1
  ori  t1, t1, 1
  addi t2,t2,1
  sw t1, 4(t0)
  bne s0,t2, cykl1

  ebreak
.data
n:
  .word 5

- Zjistěte co dělá tento program, pomocí informací o mapovaných periferiích.

  li t0, 0xffffc000   // base address into memory mapped I/O area
  addi t1, zero, 48
  addi t6, zero, 1234
  addi t2, zero, 10
loop:
  lw   t3, 0x08(t0)
  andi t3, t3, 1
  beq  t3, zero, loop  
  sw   t1, 0x0c(t0)
  addi t1, t1, 1
  addi t2, t2, -1
  bne  t2, zero, loop
  ebreak
  

1. Napište program, který do registru načte 32-bitovou hodnotu ze vstupní periferie (trojice otočných voličů). Na desce MZ_APO je stav voličů k přečtení z fyzické adresy 0x43c40024). V simulátoru QtMips je nastavení voličů dostupné na adrese 0xffffc124.
2. 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).

Kompletní popis periferií implementovaných v simulátoru QtMips naleznete na stránce třetího cvičení v odstavci periferie mapované do paměťového adresního prostoru případně přímo v souboru 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.

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

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:

Jednoduchý V/V adaptér:

1. 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.
2. Diskutujte zrcadlení v tomto případě.

1. Je tento adaptér relokovatelný?
2. Na jaké adrese ve V/V prostoru bude přístupný?
3. Dochází zde k zrcadlení?

1. Pomocí programu lspci zobrazte PCI zařízení v počítači.
2. Zobrazte podrobnosti o PCI zařízeních, adresy v paměti a V/V prostoru, které obsazují.
3. 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

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:)

• 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