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w9-IO设备选讲

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什么是IO：什么与计算机最先接触到的设备

对于计算机系统来说，如果没有Io设备，它仅仅是一个有处理器和内存的简化系统。处理器从内存中读取数据进行处理，然后再将处理后的数据放回内存。但是，如果系统无法与外部世界进行交互，它对我们的日常生活影响就有限了。

  • 基本原理：是通过一些寄存器与外部设备进行交互。
    • eg：键盘，当按下键时，就会触发一个开关，产生一个信号，通过寄存器将按键信息传递给CPU。类似地，鼠标通过类似摄像头的方式捕捉移动信息，将这些信息转化成控制数据，再传输给CPU。
  • 这些设备能与计算机系统交互的基础是数据交换。寄存器通过记录设备的状态、指令命令、信号和数据等信息，使得CPU能够与Io设备进行有效的交流和控制。比如对打印机发送打印指令、传输需要打印的数据等。

IO方式1

设备处理器接口：

  • 设备：一组寄存器，每次交换一定量的数据
  • 每个寄存器有特地的含义，格式
  • 主要功能：读取、写入、配置

image.png

IO通过总线连接到CPU，不同的引脚对应不同的外设端口。eg：抽象的USB端口

IO方式2

实际处理接口

我们实际上设备和我们的CPU的这样的一个处理的接口,基本上就这两大类：

  • 一类是基于这样的一个总线的形式,实际上也是基于我们之前的这样类似于是CPU的端口,
  • 第二种就是基于Memory的形式，也就是mmap，我们向IO写东西，相当于向特别的内存地址写东西。

优化？

如果我们向这个特别的内存一直写入0,编译器优化会删除循环，和我们的预期不符

image.png

x86-qemu URAT

putch实现： putch实现

程序通过QEMU来建模了一个串口，绑定了3个寄存器，用来控制struct和data，来输入输出。

现代IO设备

打印机与PostScript 打印机：将字节流描述的文本/图形打印到纸上

  • 简单：ASCII文本序列，打字机like
  • 复杂：高清4k图片

一个复杂的pdf文件可能会传输更精简的postscript命令，和其他设备相同，其自身也是一个复杂的计算机系统。

两种特殊的IO设备

  • 总线
    • 系统有很多IO设备
    • 总线的功能：设备查找、映射、数据（命令）转发
    • CPU可以只连接到其他总线
    • 总线可以连接到其他总线
    • PCI是一个多级总线管理的一种协议，我有一个总的PCI总线，我下面还有不同的比如USB总线来管理其他设备资源，比如说GPU、SSD image.png

可以使用lspci命令查看设备PCI连接的设备

$ lspci
00:00.0 Host bridge: Intel Corporation Device a703 (rev 01)
00:1c.2 PCI bridge: Intel Corporation Device 7aba (rev 11)
00:1f.0 ISA bridge: Intel Corporation Device 7a86 (rev 11)
00:1f.3 Audio device: Intel Corporation Alder Lake-S HD Audio Controller (rev 11)
00:1f.4 SMBus: Intel Corporation Alder Lake-S PCH SMBus Controller (rev 11)
00:1f.5 Serial bus controller: Intel Corporation Alder Lake-S PCH SPI Controller (rev 11)
01:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation GA104 [GeForce RTX 3060 Ti GDDR6X] (rev a1)
01:00.1 Audio device: NVIDIA Corporation GA104 High Definition Audio Controller (rev a1)
02:00.0 Non-Volatile memory controller: ...
03:00.0 Non-Volatile memory controller: ...
04:00.0 USB controller: ...
05:00.0 Ethernet controller: ...
  • 中断控制器
    • 管理多个产生中断的设备
    • 汇总成一个中断信号给CPU
    • 支持中断屏蔽、优先级管理
    • OS以前被看作调度中断的中间件 image.png

2D图形绘制硬件

过去的游戏

6502芯片没有什么功能、内存、指令

游戏交互的要求：速度不能太慢、有交互

双重循环：

一个个素材拼接起来 image.png

后面PPT显示错误了TAT

3D图形绘制硬件

更好看、更美丽、更细节的计算

三维空间的多边形在视平面上也是多边形，任何n边型都可以切成多个三角形。

2000年左右，只能对二维进行拉伸 2000年代的3D

之后，转换视角、渲染管道、

CUDA编程

GPU绘画 image.png

0809年的效果：船帆、水波、云、、、 image.png

Graph View