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• soft deadline: 12.13

本讲概述

对所有学计算机的同学来说，“设备” 才是真正触摸到的，但设备到底是什么？

按下键盘之后，计算机硬件/软件系统到底发生了什么？

本讲内容

• 处理器-设备接口
• I/O 设备选讲

回顾：为什么会有 I/O 设备？

1950s: 随着计算机运算速度和存储器的发展，计算机已经快到可以 “计算” 人类日常任务了。

计算机 “Turing Machine” 中的一切都是数据

• 因此计算机一定会提供一个机制
  • 从设备中读取数据 (input data)
    • 键盘按键的代码、鼠标移动的偏移量、……
  • 向设备写入数据 (output data)
    • 输出到打印机的字符串、屏幕上显示的像素……
  • 设备可以向处理器发送中断 (后话)

设备-处理器接口

设备 = 一组寄存器，每次可以交换一定数量的数据。

每个寄存器有特定的含义和格式

• 主要功能：读取数据/写入数据/配置设备

设备-处理器接口 (cont'd)

CPU 可以直接通过指令读写这些寄存器

• Port-mapped I/O (PMIO)
  • I/O 地址空间 (port)
  • CPU 直连 I/O 总线

• Memory-mapped I/O (MMIO)
  • 直观，使用普通内存读写指令就能访问
  • 带来一些设计和实现的麻烦：编译器优化、缓存、乱序执行……

处理器眼中的 I/O 设备：x86-qemu UART

“COM1”; putch() 的实现

#define COM1 0x3f8

static int uart_init() {
  outb(COM1 + 2, 0);   // 控制器相关细节
  outb(COM1 + 3, 0x80);
  outb(COM1 + 0, 115200 / 9600);
  ...
}

static void uart_tx(AM_UART_TX_T *send) {
  outb(COM1, send->data);
}

static void uart_rx(AM_UART_RX_T *recv) {
  recv->data = (inb(COM1 + 5) & 0x1) ? inb(COM1) : -1;
}

更复杂的设备：打印机与 PostScript

打印机：将字节流描述的文字/图形打印到纸张上

• 可简单 (ASCII 文本序列，像打字机一样打印）
• 可复杂 (编程语言描述的图形)
  • 高清全页图片的传输是很大的挑战
  • 尤其是在 1980s

例子：PostScript (1984)

• 一种描述页面布局的 domain-specific language
  • 类似于汇编语言
  • 可以在命令行中创建高质量的文稿
• PDF 是它的 superset
  • 例子：page.ps

两个特殊的 I/O 设备

总线

• 系统里可能有很多 (甚至是可变的) I/O 设备
  • 总线实现了设备的查找、映射、和命令/数据的转发
• CPU 可以只直接连接到总线
  • 总线可以连接其他总线
  • 例子：lspci -t, lsusb -t

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
  • 支持中断的屏蔽、优先级管理等

处理器-设备接口：NES 实现 (1983)

小结

I/O 设备：“小计算机”

• 完成和物理世界的交互功能
• 连接到总线/中断控制器
• CPU 通过 PIO/MMIO 访问

今天很多 I/O 设备都带有或简单或复杂的 CPU

• 带跑马灯/编程功能的键盘和鼠标
• 显示加速器和 “显卡计算”
• ……

理论：一切皆可 “计算”

for (int i = 1; i <= H; i++) {
  for (int j = 1; j <= W; j++)
    putchar(j <= i ? '*' : ' ');
  putchar('\n');
}

难办的是性能

• NES: 6502 @ 1.79Mhz; IPC = 0.43
  • 屏幕共有 256 x 240 = 61K 像素 (256 色)
  • 60FPS → 每一帧必须在 ~10K 条指令内完成
    • 如何在有限的 CPU 运算力下实现 60Hz？

RP2C02 Picture Processing Unit (PPU)

76543210
||||||||
||||||++- Palette
|||+++--- Unimplemented
||+------ Priority
|+------- Flip horizontally
+-------- Flip vertically

CPU 只描述 8x8 “贴块” 的摆放方法

• 类似于 PostScript 脚本
  • 背景是 “大图” 的一部分
  • 每行的前景块不超过 8 个
• PPU 完成图形的绘制

PPU: 只执行一个程序的 CPU

for (int x = 0, pos = 0; x < HEIGHT; x++) { // 行扫描
  for (int y = 0; y < WIDTH; y++, pos++) {
    vbuf[pos] = draw(x, y); // 算出 (x,y) 的贴块 (和颜色)
  }
}

在受限的机能下提供丰富的图形

前景：《魂斗罗》（Contra）中角色为什么要「萝莉式屈腿俯卧」？

在受限的硬件下做游戏：背景动画

通过切换 tile pattern table 实现背景动画

• 同时更新屏幕上的所有 tiles
• 难怪为什么有些 “次世代” 的游戏画面那么精良
  • 更大的存储
  • 专有的硬件 (图形甚至整个计算系统)
    • 例子：GUN-NAC (1990)

更好的 2D 游戏引擎

如果我们有更多的晶体管？

• NES PPU 的本质是和坐标轴平行的 “贴块块”
  • 实现上只需要加法和位运算
• 更强大的计算能力 = 更复杂的图形绘制

2D 图形加速硬件：图片的 “裁剪” + “拼贴”

• 支持旋转、材质映射 (缩放)、后处理、……

实现 3D

• 三维空间中的多边形，在视平面上也是多边形
  • 任何 $n$ 边形都可以分解成 $n-2$ 个三角形

以假乱真的剪贴 3D

GameBoy Advance

• 4 层背景; 128 个剪贴 objects; 32 个 affine objects
  • CPU 给出描述；GPU 绘制 (执行 “一个程序” 的 CPU)

但我们还是需要真正的 3D

三维空间中的三角形需要正确渲染

我们不要纸片人

• 我们要真正的 3D
• 要数百万个多边形构造的精细场景

现代 3D 图形

CPU 负责描述，GPU 负责渲染

• GPU 收到代码 + 数据 → 运算 → 写回结果到内存 → 发送中断
  • GPU 中有数千个运算单元实现并行的计算

现代 3D 图形：硬件上的实现

__global__ 
void hello(char *a, char *b) {
    a[threadIdx.x] += b[threadIdx.x];
}
char a[N] = "Hello ";
char b[N] = {15, 10, 6, 0, -11, 1};
cudaMalloc( (void**)&ad, N );
cudaMalloc( (void**)&bd, N ); 
cudaMemcpy( ad, a, N, cudaMemcpyHostToDevice ); 
cudaMemcpy( bd, b, N, cudaMemcpyHostToDevice ); 
printf("%s", a);     // Hello 
dim3 dimBlock( blocksize, 1 );
dim3 dimGrid( 1, 1 );
hello<<<dimGrid, dimBlock>>>(ad, bd); // run on GPU
cudaMemcpy( a, ad, N, cudaMemcpyDeviceToHost );
printf("%s\n", a);   // World! 
...

题外话：如此丰富的图形是怎么来的？

答案：全靠 PS (后处理)

例子：GLSL (Shading Language)

• 使 “shader program” 可以在 GPU 上执行
  • 可以作用在各个渲染级别上：vertex, fragment, pixel shader
  • 相当于一个 “PS” 程序，算出每个部分的光照变化
    • 全局光照、反射、阴影、环境光遮罩……

I/O 设备

任何能与 CPU 交换数据的 “东西”。

完成与物理世界的交互

• 键盘、鼠标、打印机……

效率更高的专用处理器

• GPU, NPU, FPGA, ...