Principy počítačů: kartičky

self-assessment úlohy – dostaneme ke každé přednášce sadu

za nějaké odevzdané úlohy můžeme dostat desetinu bodu ke zkoušce, až něco přes dva body budeme moci získat, týdenní deadliny
hodnocení úloh bude až dodatečně, pokud bychom ty body potřebovali
zadávání a odevzdávání úloh do MS Teams

1. přednáška

Harvardská architektura počítače

CPU – procesor, vykonává příkazy
kódová paměť (code memory) – uložení informací o příkazech
komunikační linka – umožňuje, aby procesor četl data z paměti
- v základním počítači CPU nemusí zapisovat do kódové paměti, do ní se zapisuje nějak z venku
datová paměť (data memory) – CPU z ní čte a zapisuje do ní data
- data se ukládají do proměnných
k procesoru jsou dále připojena vstupně-výstupní zařízení – I/O, periferie

1. přednáška

matematik Charles Babbage vymyslel koncept mechanického počítače – Analytical Engine (v roce 1837), byl plně programovatelný, Turing complete

jeho přítelkyně Ada Lovelace napsala manuál k tomuto počítači
- vydala publikaci, kde vyslovila myšlenku kódování libovolných dat (textů a multimédií) pomocí čísel

1. přednáška

budeme se zabývat tím, jak v počítači reprezentovat čísla (všechna ostatní data na ně můžeme převést)

informace (data) → čísla → celá čísla → nezáporná celá čísla

1. přednáška

zaznamenáme libovolné číslo od nuly do milionu

nula je 0 V, miliion je 5 V, všechno ostatní mezi tím
problém je při vysílání, každý vodič má odpor
- změna odporu při teplotě
- kvůli vlastnostem vodičů vzniká elektromagnetický šum
- analogový přenos

1. přednáška

posledním zjednodušením je přenášení čísel nula/jedna

této číslici budeme říkat bit (binary digit), b
stanovíme hranici napětí, všechny hodnoty nad ní budeme interpretovat jako jedničku, hodnoty pod ní jako nulu
digitální přenos – přenos číslic

1. přednáška

sériový digitální přenos

záleží na pořadí číslic – přijímající a vysílající se musí dohodnout
- označíme si bit s nejnižší váhou – Least Significant bit (LSb)
- bitu s nejvyšší váhou budeme říkat Most Significant bit (MSb)
- stanovíme bit order – MSb-first nebo LSb-first

1. přednáška

mocniny dvojky

16 = 2^4
256 = 2^8
1024 = 2^10
4096 = 2^12
65536 = 2^16
cca 10^6 = 2^20
cca 16 000 000 = 2^24
cca 4 200 000 000 = 2^32

1. přednáška

diferenciální přenos

data 1 – data 2
>0 = 1
<0 = 0

1. přednáška

řešení problému se dvěma jedničkama / dlouhou jedničkou

pevná délka bitu
- definuje se přenosová rychlost
  - v bitech za sekundu (bits per second, bps)
  - jednotka baud [bód] (symbol za sekundu) – obvykle budeme uvažovat x baud = x bps, ale jeden symbol může obsahovat více bitů

2. přednáška

vodiče

klasický způsob přenosu (není diferenciální) – data a GND
diferenciální – data+, data–

2. přednáška

přijímač se na signál kouká přibližně v polovině bitů

přenosová rychlost zajišťuje intervaly čtení, je ale nutné zajistit začátek čtení (synchronizaci hodin, "tikání")
musíme si odlišit stav, kdy se nic nepřenáší, od začátku přenosu

2. přednáška

3-stavová logika – funguje na lince, kde umíme rozlišit floating stav, nulu a jedničku

floating stav bychom mohli požadovat za idle stav

2. přednáška

my ale chceme fungovat na 2-stavové logice (lince)

můžeme definovat idle stav jako nulu
začátek přenosu označíme pomocí start condition – rising edge (rostoucí hrana)
definujeme si, že na začátku přenosu bude start bit (nebo nějaký určitý počet start bitů)
potom začíná přenos užitečných bitů (datových bitů / data bits)
- data bits se do obrázku značí podobně jako diferenciální přenos, ale znamenají něco jiného (jde o obecné značení bitů, jaké je možné posílat)

2. přednáška

může se stát, že se nám vysílání a příjem bitů posune

proto definujeme maximální délku přenosu – max X → const X (definujeme konstatní maximální délku)
N bitů celkem rozdělíme po X bitech
- N/X = Y přenosů
výrobci se shodli, že se přenos bude uskutečňovat po 8 bitech
- 8 bitů = 1 byte (B)
- 8 bitů = 1 octet (existuje několik málo zařízení, která mají jinou velikost bytu, proto je obecně správnější používat označení octet)

2. přednáška

synchronizaci je možné řešit i pomocí hodinového signálu (clock) – linka vysílající střídavě nuly a jedničky, jednička značí čas čtení (zajišťuje synchronizaci přijímače a vysílače)

vodiče
- data, GND, clock
- diferenciální – data1, data2, clock, GND, (clock1, clock2) (?)
přenosová rychlost by mohla být definovaná rychlostí tikání hodinového signálu
hodinový signál může generovat vysílající – určité nevýhody
hodinový signál může generovat centrální oscilátor
cyklus (cycle/takt) hodinového signálu definuje přenosovou rychlost
lépe se detekují hrany signálu – můžeme si definovat, že rostoucí hrany hodinového signálu definují momenty čtení
abychom zrychlili přenos, můžeme používat obě hrany hodinového signálu (rostoucí i klesající) – označení DDR (double data rate)

2. přednáška

co když je hodinový vodič kratší než datový vodič?

můžeme se vykašlat na hodiny a synchronizovat se jiným způsobem – vždy jen v určitých (delších) intervalech
mohli bychom se synchronizovat pomocí hran, ale museli bychom mít jistotu, že se v datech dostatečně často střídají jedničky a nuly – to ale nemusí vždy platit
na každých osm bitů bychom mohli poslat 10 bitů
ke každé kombinaci osmi bitů bychom mohli namapovat kombinaci 10 bitů, které jsou dostatečně "hezké" – dostatečně často se tam střídají jedničky a nuly
přijímač i vysílač má mapovací tabulku
tento způsob synchronizace se nazývá clock recovery, používá se např. v USB
- vodiče v USB: 5 V, GND (tyto dva slouží k napájení připojeného zařízení), data+, data– (tyto dva zajišťují přenos dat)
- zbylé dva způsoby synchronizace přenosu používají linky I²C (pomocí hodinového signálu) a RS-232 (pomocí start a stop bitů)

2. přednáška

linky simplex a duplex

přenos jedním směrem – simplex
přenos oběma směry – duplex
- half-duplex – strany se musejí domlouvat, kdo zrovna posílá
- full-duplex – nezávisle data přenášíme oběma směry → řešení pomocí dvou zcela nezávislých simplexních linek
  - např. RS-232
    - Rx – přijímající vodič (receiver)
    - Tx – vysílající vodič (transmitter)
    - dále se definují out-of-band signály
      - přenášejí se tam informace nezávisle
      - obvykle přenášejí konstatní nulu nebo jedničku – signál platí/neplatí

2. přednáška

běžné kódování – 0 = nepravda, 1 = pravda

power-out signál
- někdy dává smysl to definovat obráceně – 0 = platí, 1 = neplatí → inverzní logika
  - obvyklá značení inverzní logiky na signálu SIG: SIG (s čárou nad textem), #SIG, /SIG, !SIG, SIG (bílé písmo na černém pozadí)

2. přednáška

hodiny reálného času – RTC

chceme, aby nám zařízení poslalo tři informace – den, měsíc a rok
- třeba 9 bitů na den, 5 bitů na měsíc, 7 bitů na rok
musíme si definovat, jak bude která informace dlouhá
komunikační protokol/formát
jeden logický blok dat = packet (tento packet by měl 21 bitů)
musíme se dohodnout na MSb-first / LSb-first
délka packetu nemusí být pevná, délka packetu může být definovaná uvnitř packetu

2. přednáška

řadič (controller) – zařízení, které zajišťuje ovládání linky (procesor → linka → řadič → linka → myš)

uvnitř je registr daného zařízení – data register
komunikace s řadičem z programu – musím mu říct, jak má interpretovat změny na datovém vodiči, který jde z myši
- pomocí pyserial → serial → Serial
- nastavení řadiče (config register)
- status register – ukládá informaci, v jakém stavu je datový registr (např. 0 = no change, 1 = new byte in data register)
  - operace přečtení data registru zaznamená do status registru nulu
funkce, které komunikují se zařízeními, mají často nějaký timeout, aby čekání na data nebylo nekonečné

3. přednáška

sériovou myš také potřebujeme nějak napájet

běžně v USB konektoru jsou 4 piny, z toho dvoje data, zem a napájení
kvůli kompatibilitě se sériová myš připojovala pomocí RS-232 linky
RS-232 nemá napájecí konektor, ale pouze out of band signály
sériová myš je tedy napájená pomocí out of band signálů RTS a DTR nastavených na hodnotu 1
v řadiči je control register (modem control register) – pro každý out of band signál je tam jeden bit, který má hodnotu 0 (false) nebo 1 (true)
jak resetovat myš? stačí nastavit signály RTS a DTR na nulu → myš se po chvíli vypne → můžeme myš opět zapnout
(nemusíme si pamatovat, že to jsou zrovna RTS a DTR)

3. přednáška

po zapnutí myš pošle inicializační packet (init packet) – není přesně definován

po zapnutí myši tedy čekáme na X (třeba 1024) bajtů
čekáme pomocí funkce .read(n), tato funkce je ale blokující
ideální by byla neblokující funkce
řešením je nastavení timeoutu

3. přednáška

potřebujeme být schopni stisknout klávesu na klávesnici a začít dělat něco jiného

input() – blokující funkce
keyboard.is_pressed('<key>') → True/False – neblokující funkce

3. přednáška

přijímání dat z myši

bity jsou zprava doleva seřazeny 0–7 (podle zápisu čísla ve dvojkové soustavě)
myš posílá 7 bitů, takže MSb je pro ni bit č. 7
stisknutí levého tlačítka → packet 96 0 0 0
- 96 = 64 + 32 = 2^6 + 2^5 → 01 10 00 00 (01 LR YY XX)

3. přednáška

co dělat s informací 738201600

šestnáctková/hexadecimální/hexa/hex soustava
značení čísla v šestnáctkové soustavě: $23, 23h, 0x23,$ 23_{16} $,$ 23_{hex}$
značení čísla v desítkové soustavě: $23_{10}, 23_{dec}$
pro uložení jedné číslice v šestnáctkové soustavě využijeme 4 bity
1 bajt zaberou dvě šestnáctkové číslice
nuly na začátku čísla = leading zeros
$738201600_{10} =$ $73820160 0_{10} =$ $2C001000 → 2C 00 10 00 → nenulové bity jsou pouze na některých místech
- bity 29, 27, 26 a 12 jsou jedna

3. přednáška

modifikovaný kód

packet 60 00 00 00 → první byte 01 10 00 00

3. přednáška

proč má první byte v 6. bitu jedničku?

abychom ho poznali od ostatních tří bytů a nedošlo ke špatné synchronizaci snímání komunikace myši

3. přednáška

bitové operace – obvykle dva argumenty (binární operace)

n-bitová operace (např. osmibitová – podle délky každého ze dvou vstupů a délky výstupu)
8-bit operace – na vstupu dvě osmibitová čísla, na výstupu jedno osmibitové číslo
operace vždy vezme dva bity na stejné pozici, nějakým mechanismem je zkombinuje a výsledek uloží do bitu na téže pozici
operace or: 1010 | 1100 = 1110
- můžeme kombinovat hodnotu a příkaz – jednička v příkazu znamená natvrdo nastavit výsledek na jedna, nula v příkazu znamená zkopírovat hodnotu do výsledku
- nastavení bitu (na jedna) se označuje jako set
operace and: 1010 & 1100 = 1000
- když je příkaz nula → nastav natvrdo nulu
- když je příkaz jedna → zachovej hodnotu
- vymazání bitu – clear (to 0)
bitová negace not ~
- ~ 1010 = 0101
- v Pythonu funguje jinak
operace xor (eor)
- exkluzivní or
- 1010 ^ 1100 = 0110
- selektivní flip (not)
  - když je jednička, převrať hodnotu
  - když je nula, zkopíruj hodnotu

3. přednáška

jak zjistit, jestli je levé tlačítko stisknuté

použijeme bitovou masku
na ?? L? ?? ?? použijeme masku 00 10 00 00 a operaci and
dostaneme buď 00 00 00 00 → tlačítko není stisknuté, nebo 00 10 00 00 → tlačítko je stisknuté
B1 (byte 1) & 0x20 = 0x20 → levé tlačítko je stisknuté

3. přednáška

pohyb myši

kvůli přesnosti chceme použít 8 bitů, v jednom bytu je ale jenom 6 volných míst (máme 7bitový byte a bit č. 6 určuje pořadí bytu)
informaci tedy rozdělíme 1. a 2. bytu
- B1 & 0x03
- B2 & 0x3F
- chceme ze dvou čísel 000000XX a 00XXXXXX dostat XXXXXXXX
  - použijeme magii a převedeme 000000XX → XX000000
  - XX000000 | 00XXXXXX = XXXXXXXX

4. přednáška

potřebujeme magickou operaci, která nám umožní posunout bity

= bitové posuny (bitwise shifts)
posun doleva (shift left) – SHL (<<)
- a << x → b
- a – hodnota, se kterou chceme pracovat (n-bitové číslo)
- b – výsledek operace (n-bitové číslo)
- x – o kolik bitů se má posunout (celé číslo)
- posun k MSb!
- příklad
  - 4-bit 1101 (vlevo MSb, vpravo LSb)
  - SHL 1 → výsledek: 1010
    - o jedničku úplně vlevo jsme přišli, vpravo přibyla nula
  - SHL 3 → výsledek: 1000
  - SHL n → výsledek: 0000
posun doprava (shift right) – SHR (>>)
- a >> x → b
- funguje podobně jako SHL, akorát opačně
- posun k LSb
rotace doleva (rotate left) – ROL
- 1101 ROL 3 → 1110 (vysunuté bity nerušíme, ale ve stejném pořadí zasuneme z druhé strany)
- výsledkem ROL n je identita
rotace doprava – ROR
- 1101 ROR 2 → 0111
rotace Python nepodporuje

4. přednáška

potřebujeme rozlišit posun myši nahoru a doleva → záporná čísla ve formě jedniček a nul

bezznaménková čísla (unsigned)
znaménková čísla (singed)
- signed magnitude – 1 bit určuje znaménko, ostatní bity hodnotu čísla
  - z hlediska kompatibility je výhodné umístit znaménkový bit na místo MSb, přičemž 1 určuje záporné číslo, 0 kladné
  - při počítání pouze s nezápornými čísly ztrácíme polovinu rozsahu, takže se v takovém případě může hodit použít bezznaménková čísla
- každý procesor podporuje operace pro bezznaménková čísla
  - můžeme libovolně přecházet mezi interpretací čísla jako znaménkového a bezznaménkového
  - nefunguje nám bezznaménkové porovnání na porovnávání záporných čísel (ani sčítání apod.)
- jedničkový doplněk (ones' complement)
  - kladná čísla jsou zaznamenaná stejně jako unsigned
  - záporná jsou zaznamenaná znegovaně
- jak udělat z kladného čísla záporné?
  - u signed magnitude pomocí operace XOR
  - u jedničkového doplňku negací
- problém s nulou
  - máme dvě nuly – kladnou a zápornou
  - u jedničkového doplňku můžeme negovat a přičíst jedničku → dostaneme zpátky nulu
- dvojkový doplněk (two's complement)
  - kladná čísla jako unsigned
  - záporná čísla jsou negace absolutní hodnoty plus 1
  - rozsah –128 až 127
  - nefunguje porovnání mezi kladnými a zápornými čísly – procesor musí podporovat znaménkové porovnání
  - MSb určuje znaménko
  - nejběžněji používaná implementace záporných čísel

4. přednáška

Python ke každému číslu ukládá počet platných bitů, ukládá je jako znaménková čísla

jejich rozsah je prakticky neomezený
při posunech (<< a >>) nikdy nepřijdu o číslice – Python si čísla před operací zvětší odpovídajícím způsobem
funkce bit_length() vrací bitovou délku čísla (bez znaménkového bitu)
knihovna numpy nám umožní vyrábět proměnné pevně daných typů (uint8, uint16, int8, …)
- čísla intX jsou znaménková, takže tam mj. funguje porovnání
funkce type(x) nám vrátí typ čísla

4. přednáška

převod 8-bit čísla na 4-bit

operace truncation, přebytečné bity se zahodí – v podstatě $x \mod 2^n$
u čísel blízko nuly funguje dobře, u vzdálenějších čísel získáváme modulo

4. přednáška

převod 4-bit čísla na 8-bit

bezznaménkové rozšíření (zero extension) – na začátek se přidají čtyři nuly, nefunguje pro znaménková čísla
znaménkové rozšíření (signed extension) – rozkopíruje znaménkovou číslici do nových bitů, nefunguje pro bezznaménková čísla
v Pythonu se bezznaménkové rozšíření používá jenom při převodu mezi dvěma bezznaménkovými čísly, jinak se používá znaménkové rozšíření

5. přednáška

Harvardská architektura – CPU čte z kódové paměti, čte z datové paměti a zapisuje do datové paměti

datové paměti můžeme říkat operační paměť (operating memory)
periferie komunikují s CPU jednosměrně nebo oběma směry (monitor posílá informace o rozlišení, klávesnice přijímá informace o rozsvícení diod)

5. přednáška

zařízení

master – řídí přenos (řídící – řídí komunikaci)
slave – poslouchá (řízený)
při komunikaci procesoru s pamětí je procesor master, paměť je slave
když data proudí směrem master → slave, tak jde o zápis, opačným směrem je to čtení
typický procesor funguje jenom jako master – abychom toto pravidlo neporušili, používáme řadič
- řadič je potřeba u myši, u klávesnice tato potřeba obvykle není, protože se chová jako slave (uvnitř má vlastní registr)

5. přednáška

adresa (address) zařízení na sběrnici (typicky 0 až n)

v příkazu v programu pro procesor budou dvě informace – chci komunikovat se zařízením X na sběrnici Y
adresy zařízení musí být unikátní v rámci jedné sběrnice
rozsah adres (address space)
máme X bitový adresový prostor → platné adresy jsou $0$ až $2^x-1$
někdy i master musí mít vlastní adresu?

5. přednáška

zařízení je připojené na sběrnici

má Rx a Tx – může přijímat i vysílat data
je tam víc zařízení, zkusíme se obejít bez floating stavu
k lince připojíme 5 voltů přes rezistor s velkým odporem (pull-up rezistor, kdyby tam byla nula voltů, tak by to bylo pull-down rezistor)
když není žádné zařízení připojené k lince, tak je stav linky 1 (protože je tam těch pět voltů za rezistorem)
zařízení je připojené, ale nedělá nic → nepřipojí se ke sběrnici´→ stav linky je 1
zařízení je připojené a vysílá jedničku → nepřipojí se ke sběrnici → stav linky je 1
zařízení je připojené a vysílá nulu → připojí se (na malém rezistoru v zařízení na Tx je 0 V) → stav linky je 0

D1 D2 bus

x x 1

x 1 1

x 0 0

1 1 1

1 0 0

0 1 0

0 0 0

D1	D2	bus
x	x	1
x	1	1
x	0	0
1	1	1
1	0	0
0	1	0
0	0	0

5. přednáška

$I^2C$ – Inter Integrated Circuit

vodič SDA – sériová data
vodič SCL – sériové hodiny
oba vodiče posílají digitální signál
oba vodiče jsou připojené na pull-up rezistor
napájecí napětí se označuje jako $V_{DD}$ nebo $V_{CC}$
pod 30 % $V_{DD}$ se považuje za nulu, nad 70 % za jedničku
multimaster – různá zařízení můžou být master
- existují i singlemaster sběrnice – např. USB
musíme rozeznat idle stav od přenosu
- SCL tiká jenom během přenosu, generuje ho master
- dvě jedničky (na SDA i SCL) znamenají idle stav
- na lince existují nepovolené stavy – např. změna stavu na SDA při jedničce na SCL – toho využijeme jako START a STOP condition
  - START condition = sestupná hrana na SDA při jedničce na SCL
  - STOP condition = vzestupná hrana na SDA při jedničce na SCL
sběrnice má 9-bitové byty: 8 data bit + 1 control bit
- kontrolní bit (acknowledgement/potvrzovací/ACK bit)
  - (acknowledgement = ACK × negative acknowledgement = NACK/NAK)
- první byte vždycky posílá master, slave ho potvrzuje kontrolním bitem
- další byty posílá vysílající a přijímající potvrzuje (pokud přijímající přestane potvrzovat, vyhodnotí se to jako NAK)
  
  B1 a1 B2 a2 B3 a3
  
  write M S M S M S NAK
  
  read M S S M S M NAK

	B1	a1	B2	a2	B3	a3
write	M	S	M	S	M	S	NAK
read	M	S	S	M	S	M	NAK

5. přednáška

$I^2C$ sestává ze slave address (7-bit) a bitu určujícího směr přenosu $R/\bar W$

read = 1, write = 0
devátý control bit má obrácenou logiku – 0 = ACK, 1 = NAK (typicky pokud tam slave není)

5. přednáška

když slave nestíhá, tak může v hodinovém signálu generovat nulu → master ví, že nemůže posílat další data – tomu se říká clock stretching / hold clock low

Ambient Light Sensor (ALS)

5. přednáška

příkazy start integration a stop integration

command register (cmd reg)

5. přednáška

counter register = ADC register (analog digital converter)

existuje také DAC (digital analog converter) – opačný proces, z digitálního signálu se generuje např. analogová intenzita světla
v ALS má 2 byty – z toho 15 datových bitů a jeden valid bit

5. přednáška

připojení na sběrnici zajišťuje bus interface – skrze něj máme jako programátoři přístup k registrům

write-only register (W/O)
read-only register (R/O)
read-write register (R/W) – v ALS nenajdeme
v případě ALS bude „zápis“ znamenat zápis do W/O cmd registru a „čtení“ bude znamenat čtení z R/O counter registru
adresa zařízení na sběrnici je pevně daná výrobcem – hardwired/zadrátovaná, v tomto případě je to $29 – na jednu sběrnici tedy nemůžu připojit dvě stejná zařízení, protože by měla stejnou adresu

6. přednáška

1 kB = 1024 B, 1 MB = 1024 kB, … (pro přehlednost se používají zkratky KiB, MiB, GiB → kibibyte, …)

výrobci disků používají 1 kB = 1 000 B

6. přednáška

bity v registru řadiče: 1 bit → 1 latch (4–6 tranzistorů)

nejrychlejší způsob uložení do paměti
SRAM (Random Access Memory)
- charakteristické vlastnosti
  1. umožňuje volbu adresy
  2. jednotná rychlost (uniform speed)
    - dnešní paměti RAM tohle většinou nemají
- nejrychlejší přístup – sekvenční (postupný přístup k rostoucím adresám)
- nejpomalejší – random (nelze předvídat, kam budeme přistupovat)
- sekvenční přístup ke klesajícím adresám – záleží na konkrétní paměti
- další vlastnost tohoto typu paměti je schopnost čtení a zápisu
- typická vlastnost pamětí RAM – jsou volatile (po vypnutí napájení se ztrácí obsah)
  - kódová paměť počítače by tedy měla být non-volatile
- kapacita – v jednotkách B, kB, MB
- nevýhody – cena, rozměry

6. přednáška

paměti DRAM

základní vlastnosti odpovídají SRAM
bit se ukládá pomocí 1 tranzistoru a 1 kondenzátoru
D v názvu znamená dynamic
nabité kondenzátory se postupně vybíjejí do vybitých
- cca po milisekundě se náboje vyrovnávají
refresh paměti – součástka se podívá na náboje a obnovuje jejich původní hodnoty (v tuto chvíli do paměti nemůže nikdo přistupovat)
DRAM je tedy pomalejší než SRAM

6. přednáška

u naší 256 bytové paměti kódujeme adresu na I2C pomocí tří proměnlivých bitů

pevný začátek adresy, za něj se přidávají hodnoty tří bitů

6. přednáška

1 slovo (1 word) – jednotka přenosu/zpracování

je pro nás důležitá velikost slova
čím větší slovo, tím rychlejší přenos
n-bit device (paměť)
n-bit CPU (procesor umí pracovat s n-bitovými čísly)

6. přednáška

obsah naší paměti

bus interface – I2C sběrnice, tři připojené vodiče určují adresu paměti
adresový registr – velikost odpovídá velikosti adresového prostoru
- ovládá logiku paměti
datový registr – velikost odpovídá velikosti slova
na I2C: 100 kHz → 100 000 b/s → 12 500 B/s
- na jeden bajt se přenese 3×9 bitů
- → 3 708 B/s
můžeme předpokládat, že po zapsání bytu budeme chtít zapsat na ten za ním, tedy adresový registr inkrementujeme o 1
- takhle dostaneme (u nekonečného přenosu) rychlost 11 109 B/s
1 write tx (transakce) = 1 I2C tx
1 read tx = 2 I2C tx (1 write do addr reg + 1 read z data reg)
obecně jsou ale typické paměti RAM rychlejší na čtení než zápis

7. přednáška

Harvardská architektura

CPU
data memory – implementujeme pomocí RAM (y-bit)
code memory – sice problém s volatilitou, ale taky implemementujeme pomocí RAM (x-bit)
sběrnice s připojenými řadiči a zařízeními

7. přednáška

instrukce procesoru

každý procesor má od výroby definovanou instrukční sadu (instruction set), kterou podporuje
jedna instrukce je posloupnost N bajtů v kódové paměti (délky se můžou, ale nemusí lišit – podle procesoru)
v paměti jsou uloženy za sebou, procesor je vykonává směrem k vyšším adresám
procesor si musí pamatovat, kterou instrukci právě vykonává
- k tomu slouží registry procesoru
- nejzákladnější registr obsahuje adresu instrukce, která se právě vykonává – obvykle se mu říká program counter (PC) nebo instruction pointer (IP; přičemž pointer = ukazatel = adresa)
vícebytová instrukce
- instruction pointer ukazuje na base address (nejnižší adresa z toho rozsahu bytů)
- dává smysl určovat u bajtů, jak jsou daleko od base address – říká se tomu offset (0 u bytu s base address, u dalších bytů 1, 2, 3, …)
po vykonání instrukce se k IP přičte délka instrukce
instrukce se obvykle skládá z několika částí
- jednoznačný identifikátor instrukce – opcode (operační kód)
  - např. 105 = ADD (+), 106 = SUB (–)
- zbytek tvoří argumenty instrukce
  - argumenty můžou být implicitní – např. přičti jedničku, je to napevno dané typem instrukce
IP je x-bitový, ukazuje do kódové paměti
proměnné (argumenty) u instrukcí jsou y-bitové, ukazují do datové paměti
posloupnosti instrukcí se říká strojový kód (machine code)

7. přednáška

program v Pythonu

uložený jako text – posloupnost bytů (1 byte = 1 znak)
můžeme mít program – překladač (compiler), který jako vstup přijímá text pythonového programu a jako výstup generuje posloupnost bytů (strojový kód)
magicky přesuneme výsledek z data memory do code memory a zařídíme, aby ho procesor začal vykonávat
vytvořit překladač je těžké
může existovat také interpret (interpreter)
- prochází text programu a zpracovává ho podle sady podmínek ve strojovém kódu
interpret se píše snáz než překladač

7. přednáška

v programovacím jazyce je proměnná identifikovaná jménem, kdežto ve strojovém kódu adresou

překladač musí zařídit, aby proměnné alokoval na volných pozicích

7. přednáška

jak do paměti uložit vícebytovou hodnotu

endianita (endianness)
viz Gulliverovy cesty
little endian (LE) – na nejnižší adresu ukládám LSB
- pravidlo LLL (least significant byte, lowest address, little endian)
big endien (BE) – na nejnižší adresu ukládám MSB
je důležité ujasnit si endianitu – má ji danou procesor, dnes je nejběžnější LE (některé mobilní procesory jsou BE)
- problém nastává, když použijeme externí zdroj dat – tam musíme endianitu řešit a případně přeházet pořadí bytů
- po síti se data většinou posílají v BE pořadí

7. přednáška

code memory by měla být non-volatile

nevýhody non-volatile pamětí
- jsou pomalejší
- mají omezený počet zápisů (opotřebovávají se)
→ proto nemůžeme non-volatile paměť použít pro data memory

7. přednáška

von Neumannova architektura

operační paměť, kde je obojí – v jedné části kód programu, v jiné části data programu
- zajistíme, aby IP obsahoval adresy z určitého rozsahu a aby adresy proměnných byly zase z jiného rozsahu
- je to hardwarově komplikovanější na implementaci, ale přináší to spoustu výhod
- lze zařídit, aby IP ukazoval na začátek přeloženého programu
- potenciální zranitelnost, pokud útočník do dat určených ke čtení uloží spustitelné byty a zařídí jejich spuštění
- operační paměť bude volatile – RAM
  - potřebujeme jiné magické zařízení, které do RAM zkopíruje počáteční program z non-volatile paměti

7. přednáška

historie počítačů (prezentace) – všechny architektury jsou von Neumannovské

UNIVAC – drahý, pro velké firmy na počítání mezd (byl to sálový počítač, prodalo se jich cca 100)
Altair 8800 – první malý počítač, pro „matfyzáky“
- Bill Gates a Paul Allen napsali překladač Microsoft BASICu, aby Altair mohla používat širší veřejnost
Apple I – Steve Wozniak, skvělá architektura
- Steve Jobs mu pomohl marketingově
- někdo vytvořil aplikaci VisiCalc (počítání daní) – killer app
Atari – hraní her, připojovalo se k televizi, tyto počítače se dostaly do tehdejšího Československa přes železnou oponu
- procesor 6502 (díky ukradení plánů na výrobu procesoru vznikaly československé kopie počítačů)
všechny procesory do té doby měly von Neumannovu architekturu, byly 8bitové a používaly 16bitový adresový prostor
- 8bitový procesor umožňuje pracovat s 8bitovými čísly
IBM PC – procesor 8088
- procesor typu x86-16
- 16bitový procesor (uměl zpracovat dvě 16bitová čísla najednou)
- 20bitový adresový prostor – zvládl adresovat 1 MB
- 64 kB RAM
- při zvýšení paměti (koupi nového počítače) se daly používat původní programy – díky tomuto triku se počítače ujaly
Intel – architektura x86 / IA-32
- 32-bit procesor, 32-bit adresový prostor → až 4 GB
- 2 instrukční sady – jedna 16-bit, druhá 32-bit, dá se mezi nimi přepínat
AMD – architektura Intel 64 / x64
- 64-bit, 64-bit
- 3 instrukční sady

7. přednáška

instrukce skoku – nastavím IP na konkrétní hodnotu (nepodmíněný skok – unconditional jump)

podmíněný skok (conditional jump) – potřebujeme u if
řídící struktury (podmínky a cykly) se dají implementovat pomocí těchto dvou skoků

7. přednáška

je těžké pamatovat si instrukce procesoru a psát přímo strojový kód → pro každý procesor se vymyslí tzv. assembler (assembly code)

je důležité chápat rozdíl mezi textovým zápisem assembleru a samotným strojovým kódem

7. přednáška

registry procesoru

speciální registr (PC/IP)
obecné registry – tam uložíme proměnné, abychom je mohli použít jako argumenty instrukce

7. přednáška

a = b + c

LOAD addr(b) → R1
ADD R1 + addr(c) → R2
STORE R2 → addr(a)

7. přednáška

dva typy LOAD

nahrání konstanty (immediate) – přímá hodnota jako součást instrukce
nahrání pomocí adresy

7. přednáška

instrukce kopírování mezi registry (transfer)

např. kopírování X → A by se zapsalo jako TXA

8. přednáška

registry

A, X, Y – pomocné registry pro účely programu (u 8-bit procesoru budou 8-bit)
PC – u 16-bit adresového prostoru bude 16-bit
P – příznakový registr (flags register)
- příznak (flag) = 1 bit informace
- typické příznaky
  - zero – byl výsledek poslední operace roven nule?
    (1 = ano, byla nula; 0 = ne, nebyla nula)
  - sign/negative – označuje znaménko výsledku poslední operace
    (1 = –, 0 = +), čísla se typicky zaznamenávají ve dvojkovém doplňku
  - carry – pokud potřebujeme u nějaké operace uložit jeden bit navíc
    - instrukce CLC (nastavuje na 0), SEC/STC (nastavuje na 1)
- instrukce můžou mít side-effect – mění určité příznaky
- ke čtení příznaků se typicky používají podmíněné skoky

8. přednáška

dva typy registrové architektury

obecná registrová architektura … x86
akumulátorová architektura … 6502
- akumulátor A, většina instrukcí umí pracovat jenom s tím akumulátorem

8. přednáška

8bitové sčítání

8-bit vstup A
8-bit vstup B
1-bit vstup Cin (carry in)
8-bit výstup R
1-bit výstup Cout (carry out)

8. přednáška

instrukce ADC (add with carry)

ke carry vstupu a výstupu používá carry příznak
před začátkem výpočtu je potřeba vynulovat carry příznak

8. přednáška

odčítání

v 7-bit přesnosti pomocí negace a přičtení jedničky (viz dvojkový doplněk)
8-bit rozdíl/subtract – subtract with borrow (SBB) – na x86
subtract with carry (SBC) – na 6502
- chceme A – X – B
- trik: A – X – B + 256
- borrow je negace carry
- A – X – (1 – C) + 256
- A – X – 1 + C + 256
- A – X + C + 255
- A + (255 – X) + C
- A + NOT(X) + C
- $\alpha$ = NOT X
- A + $\alpha$ + C
- ADC $\alpha$
registry x86
- 32-bit: EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP
- 8bitové/16bitové „virtuální“ registry – např. AX, AH, AL
instrukce x86
- MOV na přesouvání
- ADD (nepřičítá hodnotu carry, jako CLC + ADC)
- SUB
výpočet $r=a+b+e-(c+d)$ $r = a + b + e - (c + d)$
- na 6502 můžu používat pouze akumulátor, k tomu musím ukládat mezi výpočty do paměti
- na x86 si vystačím s registry

9. přednáška

taktovací frekvence (clock rate) – dnes v řádu GHz

1 takt/cycle
nejrychlejší instrukce (fast) – procesor je stihne za jeden takt, všechny tyto operace pracují s hodnotami v registrech
- bitové operace (AND, SHL, …)
- ADC/SBB
pomalé operace (slow) – práce s pamětí
- LOAD/STORE
- operace s implicit load (např. ADC počítající s číslem z paměti)
pozn.: pokud sčítám 64-bit čísla na 8-bit procesoru, musím provést 8 operací sčítání + nějaké operace load a store
6502 má cca 1 MHz
x86 cca 33 MHz
procesor má cache, která urychluje přístup k paměti

9. přednáška

v jazycích C/C# může nastat aritmetické přetečení (arithmetic overflow)

uint8: 255 + 1 = 0
int8: 127 + 1 = –128
podtečení … při odčítání

9. přednáška

procesory x86 a x64 mají operace násobení a dělení

násobení: 1–10 taktů
dělení: cca 50–100 taktů
u 6502 je potřeba SW implementace

9. přednáška

shift left funguje jako násobení mocninou dvojky

$x\text{ SHL } n = (x \cdot 2^n) \mod 2^z$

9. přednáška

reprezentace reálných čísel

20,625
fixed-point 8bit
- 20 + 0,625
- 10100,101
- 5.3 nebo 5+3
není problém s aritmetickými operacemi
problém u velkých a malých čísel
reálné číslo reprezentované jako fixed-point na float převedu vydělením n-tou mocninou dvojky

10. přednáška

floating-point

normalizovaná
- 1 číslice před desetinnou čárkou
- žádné leading zeros
- bez nuly
uložíme mantisu (significand) a exponent
exponent uložíme na stranu MSb, mantisu na stranu LSb
floating-point se skrytou jedna – využijeme toho, že každé číslo začíná jedničkou (zakázali jsme leading zeros), takže ukládáme až číslice za desetinnou čárkou
celá signed čísla: reprezentace s posunem (bias)
- např. 8-bit → rozsah 0 až 255
- 255 = nejvyšší kladná hodnota (128)
- 127 = 0
- 0 = nejnižší záporná hodnota (–127)
- ale pokud bychom chtěli víc kladných a míň záporných hodnot, tak se to dá posunout
pomocí posunu se vyjadřuje znaménko exponentu
znaménko mantisy se vyjadřuje pomocí znaménkového bitu (MSb)
taková čísla se nedají sčítat (ale dají se porovnávat) → je potřeba SW nebo HW implementace
některé procesory mají speciální registry a operace s floating-point čísly
x86/x64 a dražší ARMy mají podporu, levnější ARMy, 6502 nemají
standard pro floatová čísla IEEE 754
- single 32-bit – v numpy float32, v C# float
- double 64-bit – v Pythonu float, v numpy float64, v C# double
během aritmetiky musí dojít k denormalizaci
0.1 se nedá zapsat s ukončeným desetinným rozvojem
nula = samé nuly (až na znaménko) – standard definuje, že se kladná nula rovná záporné nule
samé jedničky v exponentu a nulová mantisa → kladné/záporné nekonečno
- funguje dělení nulou
samé jedničky v exponentu a nenulová mantisa → not a number (NaN)
- $\infty/\infty =$ NaN
- jsou dva typy NaN

11. přednáška

jednočip/microcontroller/ $\micro$ C/MCU

SRAM data memory – 256 B, volatile
CPU + registry
code memory – non-volatile
- ROM (Read Only Memory)
- PROM (Programmable ROM) – jeden zápis, nekonečno čtení; funguje na základě spálení diod
- EPROM (Erasable PROM) – nekonečno zápisů, nekonečno čtení
  - maže se UV zářením, je potřeba nechat to na slunci 20 minut
- EEPROM (Electrically EPROM) – „nekonečno“ zápisů, nekonečno čtení
- flash – „nekonečno“ zápisů, nekonečno čtení
- EEPROM + flash se dnes používají nejčastěji – souhrnný název NVRAM
- EEPROM × flash
  - EEPROM – posloupnost bajtů
  - flash – bajty ukládá v blocích po 1–16 kB
  - EEPROM má sekvenční, random 1 byte a random block čtení průměrně rychlé
  - flash má pomalejší random 1 byte, ale rychlejší sekvenční čtení i random block čtení
  - zcela nekonečné zápisy nejsou možné, protože elektronům se postupně „přestává chtít ven z komůrek, kde jsou zabedněné“
    - takže při běhu programu se používá RAM, do non-volatile paměti se v případě potřeby zapisuje v určitém rozumném intervalu
ADC (převodník z analogového na digitálního signálu)
- např. uživatelský vstup – potenciometr
DAC – analogový výstup
GPIO řadič (General Purpose Input/Output)
- registry ovlivňující, zda jsou piny vstupní/výstupní
permanentní datové úložiště (mass storage device)

11. přednáška

von Neumannovská architektura

DRAM – kód + proměnné
CPU + SRAM

11. přednáška

pevný disk / hard disk drive (HDD)

magnetický zápis
dipól – otočený na jednu stranu (podle toho 1 nebo 0)
dipóly jsou uloženy ve soustředných kružnicích
- jedna kružnice = stopa
- stopy jsou rozdělené na sektory (sektory jsou v podstatě kruhové výseče)
- na jednom sektoru původně 512 B, dnes 4 kB (4096 B, advanced format)
čtecí hlava
7200 RPM (otáček za minutu)
náhodný přístup v jedné stopě je lepší než sekvenční přístup pozpátku
hlava se otáčí, aby přistupovala k různým stopám – tomu se říká seek (seek time – doba otočení)
náhodný přístup mezi stopami je extrémně pomalý
přístup v řádech ms (jiné paměti se pohybují v řádu ns)
vhodné pro archivaci
několik ploten, lze zapisovat z obou stran každé z nich
všechny hlavy se pohybují najednou
stopám, které jsou nad sebou, se říká cylinder
v praxi se čísluje trojicí čísel – cylinder/hlava/sektor
stopy vzdálenější od středu mohou být rozděleny na více sektorů pro dosažení větší kapacity
úhlová rychlost je stejná, ale rychlost čtení/zápisu u jednotlivých stop se liší

11. přednáška

CD/DVD/BluRay

zápis/čtení pomocí laseru
pomalejší zápis/čtení
jedna spirální stopa
Linear Block Addressing
jakmile dojdou data, přestává čtení – takže lze mít různé tvary CD
1 sektor = 2048 B

11. přednáška

řadič DVD

address register (LBA)
buffer = 1 sektor
command register – podle toho, zda chci provádět čtení/zápis
status register – ready?
info register – kapacita disku
potřebuju „magii“, která zajistí přesun dat z řadiče do paměti zařízení
- data register – obsahuje interní address reg., vrací vždy 1 bajt z bufferu

11. přednáška

řadič HDD (HDC = Hard Drive Controller)

řadič pevných disků se ovládá podobně jako řadič DVD, dostává LBA adresu

11. přednáška

chceme na disk ukládat soubory

pamatujeme si data samotného souboru + metadata
- metadata
  - seznam sektorů, kde je soubor uložený (nemusí být přímo za sebou → fragmentace)
  - délka v B
  - cesta souboru – adresáře (directories, složky/folders) a název souboru
  - datum, čas apod.
metadata → souborový systém (file system)
- kromě zmíněného obsahuje i seznam volných sektorů
přístup k souborům řeší operační systém
- soubor se otevře (jeho metadata se načtou do cache) → pracuje se s ním → zavře se (aby OS věděl, že ho nemusí držet v paměti)

11,5. přednáška

na binárním souboru máme funkci read, které zadáme, kolik bytů chceme přečíst

operační systém si do paměti připraví celý sektor, z něj vrátí požadované bajty
pythoní objekt si pamatuje aktuální offset
read posouvá offset o počet čtených bajtů, pokud chceme skočit k aktuálnímu bajtu, můžeme použít funkci seek (tato funkce umožňuje skákat relativně), funkce tell slouží ke zjištění aktuálního offsetu
pythoní funkce seek nesouvisí se čtecí hlavou

11,5. přednáška

MIDI soubor – zápis not (není uložen zvuk)

začátky a konce not

12. + 12,5. přednáška

nejjednodušší

jeden bit na pixel
stanovíme hraniční intenzitu – hodnoty pod ní uložíme jako nula, nad ní jako jedna
velmi omezená informace
pro určité zobrazovací technologie (klasický LCD displej) dostačující
tento princip ukládání nám umožňuje pixely sdružit např. po čtveřicích (tedy snížit rozlišení) a zachycovat odstíny šedé kombinací různého počtu černých a šedých pixelů (tzv. differing)
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_monochrome_and_RGB_color_formats

12. + 12,5. přednáška

jeden bajt na pixel

stanovíme dvě meze – spodní (0) a horní (255)
intenzitu uložíme jako číslo v rozmezí 0 až 255
meze je potřeba stanovit podle situace

12. + 12,5. přednáška

bylo by hezké zaznamenávat obrázky, kde jsou oba extrémy (a u těchto extrémů ukazovat detaily)

použijeme floating-point čísla
HDR (High Definition Range)
moc se nepoužívá – je těžké takovou fotku zachytit atd.

12. + 12,5. přednáška

frekvence může být 0,00… (nenulová) až nekonečno

obvykle nás zajímá viditelné světlo

12. + 12,5. přednáška

v oku

tyčinky – monochromatické vidění, velký rozsah
čípky – barevné vidění, malý rozsah
- tři druhy čípků – jsou citlivé na různé frekvence (červené, zelené, modré)

12. + 12,5. přednáška

16-bit RGB

každou barvu pomocí 3 bitů
co s posledními bitem?
- dáme ho zelené složce, protože tu lidské oko zvládne nejvíc rozlišovat
- nebo s ním také nemusíme dělat nic (→ 15-bit RGB)

12. + 12,5. přednáška

24-bit RGB

8 bitů na kanál
hi-color / True Color
ale máme 32bitové instrukce procesoru

12. + 12,5. přednáška

32-bit ARGB

čtvrtý bajt je tzv. alpha kanál
- 255 = neprůhledný pixel
- 0 = zcela průhledný pixel

12. + 12,5. přednáška

metadata obrázku

počet kanálů
bitů na pixel/kanál (bitová hloubka)
šířka v pixelech
výška v pixelech
další informace ve formátu EXIF

12. + 12,5. přednáška

jak uložit pixel

typicky ARGB (A v MSB, B v LSB)
nebo také RGBA
navíc záleží na endianitě
takže existují 4 možnosti: ARGB, RGBA, BGRA, ABGR
buď je v metadatech informace o pořadí složek, nebo je to ve specifikaci formátu

12. + 12,5. přednáška

formát BMP

specifický způsob ukládání – zespodu nahoru
každý řádek je zarovnaný (align) – na konci má padding (nadbytečné bajty bez významu), aby řádky začínaly na místech dělitelných čtyřmi (aby se dobře načítaly)

12. + 12,5. přednáška

znak

písmeno
číslice
speciální znak
bílý znak (whitespace)
řídicí znak

12. + 12,5. přednáška

kódování

jeden znak → jeden kód
kód → bitová reprezentace
- pevná délka / proměnná délka

12. + 12,5. přednáška

rasterizace textu

převod kód → obrázek (znak)

12. + 12,5. přednáška

kódování

ASCII
- 7bitové (0–127)
- písmena abecedy jsou uloženy za sebou, podobně číslice
- znak nuly nemá kód nula
- mezera má kód 32 (šestnáctkově 20)
- při ukládání je MSb typicky nevyužitý
128–255 jsou volné
- rozšíření ASCII, tzv. codepage
- nestačí ani na všechny evropské znaky – Evropa se rozdělila na tři části
- ISO 8859-2 (ISO Latin2)
- 852 (DOS Latin2)
- Windows-1250
- nedá se napsat text, který by měl více kódování najednou (problém např. pro slovníky)
Unicode
- 0–127 odpovídají ASCII
- běžné znaky jsou v rozsahu 0–$FFFF
  - je tam rozsah, kde je garantováno, že daným kódům nikdy nebudou přiděleny žádné znaky
- „neběžné“ znaky v rozsahu $10000–$10FFFF
- UTF-32
  - jeden znak 4 bajty
  - UTF-32LE / UTF-32BE
  - prakticky se nepoužívá
- UCS-2
  - každý znak je dvoubajtový
  - podporuje málo znaků
- UTF-16
  - má proměnnou délku znaku – 2B nebo 4B
  - 4B znak se zachycuje pomocí sekvence dvou dvoubajtových surrogate znaků (z nepoužívaného „déčkového“ rozsahu)
  - UTF-16LE / UTF-16BE
- UTF-8
  - proměnná délka znaku – 1, 2, 3, 4B
  - princip kódování vícebytových znaků
  - vícebytové znaky mají v prvním bytu MSb roven jedné
    - pak počet bytů odpovídá počtu jedniček na začátku prvního bytu
    - první byte sekvence začíná 11, další byty začínají 10
  - neřeší se endianita

12. + 12,5. přednáška

nejběžnější kódování

internet: UTF-8
Windows: UTF-16LE

12. + 12,5. přednáška

zalomení řádku

CR (carriage return) – kód 13
LF (line feed) – kód 10
Windows: CR + LF
Unix/Linux: LF
Apple dříve: CR

12. + 12,5. přednáška

Unicode (v podstatě nepoužívané)

LS – line separator
PS – paragraph separator

12. + 12,5. přednáška

textový soubor jako posloupnost bytů

v Pythonu otevřeme pomocí r nebo w
řádky načítáme pomocí readline
v Pythonu je text uložen pomocí Unicodu
u příkazu open můžeme definovat kódování
výchozí kódování je win-1250 (obecně podle operačního systému)

12. + 12,5. přednáška

chceme uložit binární soubor s textem (ale také dalšími daty)

data
- 2B číslo
- 4B délka textu
- text
- 4B číslo
pro převod na správný počet bytů můžeme použít funkci tobytes knihovny numpy
bajty stringu můžeme získat pomocí funkce str.encode
převod ze seznamu čísel na byty lze provést pomocí bytes()
převod bytů na konkrétní data se provádní pomocí frombuffer(bytes, type)
typ bytes je immutable
typ byteArray je mutable
bytes.decode – převede bajty na string

13. přednáška

PCIe

full duplex, multidrop
dva druhy packetů (transakcí)
- adresace adresou zařízení
- adresace adresou v paměťovém adresovém prostoru
  - memory write (MWr)
  - memory read (MRd)
    - procesor pošle požadavek
    - řadič paměti si ho zapamatuje a začne na tom pracovat
    - řadič v nějakém okamžiku pošle zpátky odpověď – řadič paměti vystupuje jako master, procesor jako slave, takže potřebujeme být schopni adresovat procesor
      - zejména pokud máme více procesorů (nebo procesorových jader)
      - v odpovědním packetu je kromě adresy procesoru také adresa řadiče paměti, aby si mohl procesor odpověď správně spojit s požadavkem

13. přednáška

jak oslovovat zařízení na systémové sběrnici?

v paměťovém prostoru je obvykle spousta volného místa
toto volné místo namapujeme na zařízení
memory mapped I/O (MM I/O)
zařízení řekneme bázovou adresu v adresovém prostoru
z dokumentace zařízení zjistíme offset registru
když to zkombinujeme s bázovou adresou, tak zjistíme, na kterou adresu zapisovat
říká se tomu Host Controller Interface (HCI) – víme, co který registr dělá a na jakém je offsetu
komunikační protokol je daný systémovou sběrnicí

13. přednáška

zvuková karta

zvuk = tlak se mění v čase
tlak budeme vzorkovat v čase – vždycky zaznamenáme jeho hodnotu
sample … signed integer
- nekvalitní … 8-bit
- klasická kvalita … 16-bit
- kvalitnější … 24-bit
v reproduktoru je membrána s elektromagnetem – podle napětí elektromagnet membránu přitahuje silně/slabě
zvuková karta je jednoduchý digital analog converter (DAC) – podle vzorků vytváří napětí
potřebujeme ve stejných intervalech, jako se zaznamenával vstup, udávat napětí
- sampling rate
- typicky 44,1 kHz
- někdy 22 kHz nebo 96 kHz
potřebujeme cyklus, který bude dělat store do registru zvukové karty v daném (velmi přesném) intervalu
bylo by hezké, kdybychom si mohli ve zvukové kartě připravit 1 ms předem (v bufferu) a zvuková karta by to následně přehrála (hodila by v tom bufferu po těch vzorcích a přehrávala by je)
zvuková karta tedy musí mít sadu konfiguračních registrů, kam uložíme různé informace (velikost vzorku, vzorkovací frekvence)
- chceme mít n mikrofonů → n reproduktorů (mono/stereo/…)
- chceme spustit/ukončit přehrávání
- chceme nahrávat (tedy analog-digital converter)
- chceme znát aktuální stav zvukové karty (co zrovna přehrává)
u zařízení s vícebytovými registry musíme řešit jejich endianitu (a případně převádět)
chceme mixovat zvuk – průměrujeme dva vzorky (pokud mají různou hlasitost, tak děláme vážený průměr)
dnešní zvukové karty mají HW akceleraci (CPU offloading) – typickým úkolem je právě mixování zvuku
DSP (digital signalling procesor) – strojovým kódem tohoto procesoru můžeme ovládat, jak se má zvuková karta chovat

13. přednáška

řadič sběrnice

procesor – PCIe – USB řadič – USB sběrnice
takovým řadičům se říká HBA (Host Bus Adapter) – někdy také nesprávně bridge
USB HBA je komplikovaný, takže se podíváme na I2C HBA
průběh
- pošleme write do konfiguračního registru, aby se do start condition bitu nastavila jednička
- pomocí readu čekáme, až tam bude jednička
- ze stavového registru přečteme stav řadiče
- chceme poslat první (adresový) bajt
- zrušíme start condition bit
- …
- pošleme data
- …
mnoho transakcí na systémové sběrnici na jednu transakci na I2C lince
čekání = device polling, ztrácíme procesorový čas

13. přednáška

grafická karta

je k ní připojený monitor
obsahuje paměť (typicky DRAM) – „video RAM“
- v její části je frame buffer – tam je bitmapa stavu obrazovky
- karta x-krát za sekundu posílá monitoru obsah frame bufferu
  - tradičně se používala analogová linka VGA
  - dnes se používají digitální sériové linky DVI, HDMI, DisplayPort
- nechceme frame buffer obsluhovat pomocí registrů, bylo by to neefektivní
- frame buffer namapujeme do adresového prostoru, abychom do něj mohli zapisovat přímo
- mezi snímky je díra (aby se CRT paprsek mohl přesunout na začátek)
- registr grafické karty mi dává informaci o stavu vsync (že teď se právě paprsek přesouvá – je okamžik mezi snímky)
- v okamžiku mezi snímky můžeme změnit obraz (překopírovat data do frame bufferu nebo říct jinou bázovou adresu frame bufferu, pokud máme dva frame bufferu, které střídáme – tzv. princip double bufferingu)
hardwarová akcelerace
- rasterizace textu
  - kartě se nastaví textový režim
  - má pole bitmap, které odpovídají znakům
  - znaky přímo převádí na jim odpovídající bitmapy
  - dnes se příliš nepoužívá
- rasterizace 2D
- rasterizace 3D
  - do paměti nahrajeme mesh 3D modelu (trojúhelníky) a odpovídající textury, kterými se mesh pokryje – engine podle toho generuje obsah frame bufferu
moderní grafická karta má procesor
programu pro takový procesor se říká shader

13. přednáška

jak dostat kód na von neumannovskou architekturu

jeden z paměťových modulů může být non-volatile – ROM
vykonává základní program, budeme mu říkat firmware
procesor má nastavený startup vector, což je adresa, kam se procesor nastaví po zapnutí
na té adrese je typicky jump, který směřuje jinam na reálný kód firmwarové ROM
funkce firmwarové ROM
- bootování počítače
  - test a konfigurace hardwaru
    - plug & play – každému zařízení se přiřadí jiná bázová adresa a funguje to
  - nalezení užitečného softwaru
    - provede se jump na option ROM, kde je užitečný software (třeba editor a interpret basicu)
    - myšlenka, že bychom chtěli distribuovat programy
      - koupím si cartridge
      - zapojím ji do počítače
      - namapuje se jako další option ROM
      - je tam nějaký magic
    - užitečný software taky může být na mass storage device
      - pevný disk je rozdělený na sektory, je to zformátované souborovým systémem
      - nultý sektor je speciální – boot sector
      - může tam být strojový kód něčeho užitečného, co by se mělo spustit
      - je tam magic, který určuje, jestli je to zařízení bootovatelné (jestli v boot sektoru je něco rozumného)
    - jednotlivá zařízení (třeba grafická karta) mají své option ROM
    - v boot sektoru je typicky pouze část užitečného softwaru – bootloader
  - další funkce – firmwarové ROM: abstrakce nad hardwarem
    - funkce read sector, read key, print char
    - aby bootloader mohl používat tyto základní funkce

13. přednáška

jádro operačního systému (kernel)

poskytuje abstrakci souborového systému
abstrakce HW (lepší než firmware) – vstup/výstup (klávesnice, myš, text, grafika)
spouštění programů
- typicky to nejprve spustí tzv. shell, aby si uživatel mohl vybrat, jaký program chce spustit
- shell může být textový nebo grafický
- více programů současně – programy se střídají (je to zjednodušení, více na počítačových systémech)