1. Architektura počítačů

Jaké jsou základní principy fungování počítače?

Počítač je programován obsahem paměti
Instrukce se vykonávají sekvenčně
Každý následující krok závisí na tom předchozím

Procesor si přes sběrnici vyžádá instrukci z paměti na adrese IP
Poté, co instrukci získá, provede ji
Zvýší IP/PC
Cyklus čtení a provedení se opakuje

Kritéria a Principy dle von Neumanna:

Počítač je řízen obsahem paměti (struktura počítače je nezávislá na typu úlohy)
Strojové instrukce a Data jsou v jedné paměti (lze přistupovat jednotným způsobem)
Paměť je rozdělena do buněk stejné velikosti (jejich pořadové číslo je jejich adresa)
Následující krok je závislý na tom předchozím
Program je sekvence instrukcí, ty jsou vykonávány sekvenčně, v pořadí v jakém jsou zapsány do paměti
Změna pořadí instrukcí je možná pomocí skoku
Pro reprezentaci čísel, adres, znaků… se používá dvojková soustava

Jaké má výhody a nevýhody architektura dle von Neumanna?

Výhody
- Rozdělení paměti pro kod a data určuje programátor
- do paměti se přistupuje stejném způsobem pro data i instrukce
- jedna sběrnice => jednodušší výroba
Nevýhody
- jedna paměť může mít při chybě za následek přepsání vlastního programu
- jediná sběrnice je úzké místo

Přinesla harvardská architektura nějaká vylepšení proti von Neumannově?

Oddělení paměti dat a programu
- Program už nemůže přepsat sám sebe
- Paměti můžou být vyrobeny různými technologiemi
- Dvě sběrnice umožňují přistupovat k instrukcím a datům zárověň
Nevýhody:
- dvě sběrnice jsou dražší
- nevyužitou část paměti dat nelze použít pro program.. a naopak

Jaká je podpora paralelismu u obou architektur počítačů?

Žádná, instrukce jsou vykonávány sekvenčně, následující krok je závislý na tom předchozím
Paralelizmy se musí simulovat až na úrovni OS

Je lepší mít oddělené paměti pro data i program? Proč ano a proč ne?

Ano
- Program nemůže přepsat sám sebe
Ne
- Jedna sběrnice => jednodušší výroba
- Rozdělení pro kod a data určuje programátor
- Lze efektivněji využít kapacitu paměti

Může fungovat počítač bez paměti či bez periferií?

NE! Jak pravil von Neumann: je potřeba procesoru, paměti a periferií

K čemu se v počítači využívá dvojková soustava?

Pro reprezentaci čísel, adres, znaků…

Zvyšují sběrnice výkon počítače?

Ne přímo, ale mohou jej omezit

Je možné, aby procesor prováděl instrukce jinak, než sekvenčně?

NE! Instrukce se provádějí sekvenčně

Jak je v počítači organizovaná paměť?

Je složená ze za sebou jdoucích buňěk stejné velikosti (obvykle 8bit), jejich pořadové číslo se využívá jako jejich adresa

2. Jazyk symbolických instrukcí

Registry procesoru

64bit: RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8 - R15
32bit: začínají E, R8D - R15D (zápis vyresetuje horní část Rxx!)
16bit: AX, BX … , R8W - R15W
8bit: AH (high), AL (low), BH, BL .. (jen ABCD, jsou rozděleny na high a low)
RSP - stack pointer
RIP - instruction pointer

Adresování, spojování JSI a C.

Adresování:
- [Bázový + Indexový * měřítko + Konstanta]
- Např: mov rax, qword [ rdi + rbx * 8 ]
Datové typy:
- BYTE, WORD, DWORD, QWORD (8, 16, 32, 64 bit)
Spojování:
- JSI: píšeme „global” před funkce a proměnné z jazyka C

Základní instrukce přesunu, bitové, logické, aritmetické.

Přesunu:
- mov, movzx, movsx (rozšíří i se znaménkem)
- CMOVcc - podmíněný přesun (cc je podmínka.. např CMOVZ )
- mov KAM, CO (mov CÍL, ZDROJ)
- nelze přesouvat z paměti do paměti (musí to jít přes registr)
Logické:
- AND cíl, zdroj
- TEST - stejně jako AND, ale neuloží výsledek
- OR, XOR, NOT
Bitové:
- SHL, SHR (bitový posun)
- BOR, BOL (bitová rotace)
Aritmetické:
- ADD, SUB, NEG, INC, DEC
- CMP - stejně jako SUB, ale neuloží výsledek
- MUL, IMUL, DIV, IDIV (I_ je pro znaménková čísla)

Skokové instrukce nepodmíněné a podmíněné. Volání funkcí s parametry, návratovými hodnotami

Skokové:
- CALL - pro volání funkcí
- JMP
- Jcc:
  - pro testování bitů: JZ, JNE, JNZ..
  - pro porovnávání čísel:
    1. Bezznaménkových:
      - A - above
      - B - below
    2. Znaménkových:
      - L - less
      - G - greater
Návratová hodnota v RAX ( EAX, AX, AL)
Parametry jsou v pořadí v RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9

3. Komunikace s periferiemi

Z jakých částí se skládá sběrnice a co je účelem jednotlivých částí?

Sběrnice dělíme na Adresovou, Řícicí, Datovou
Adresová
- Přenáší adresy
- Zdrojem adresy je mikroprocesor
- Počet bitů (vodičů) sběrnice odpovídá počtu bitů adresy
Řídicí
- Některé signály jsou generovány mikroprocesorem, některé jinými bloky
- Nejčastější řídicí signály:
  - RESET
    - má každý mikroprocesor
    - uvede mikroprocesor do výchozího stavu
    - Aktivování uživatelem, nebo přídavným obvodem
  - MEMORY READ (MR)
    - zabezpečuje časování čtení z paměti (nebo jiných bloků)
  - MEMORY WRITE (MW)
    - zabezpečuje časování zápisu do paměti (nebo jiných bloků)
  - INPUT / OUTPUT READ / WRITE
    - pro čtení nebo zápis do zařízení
  - READY
    - připravenost obvodu
Datová
- Slouží pro přenos veškerých dat v počítači (vždy mezi dvěma)
- Nejdůležitějšími parametry jsou šířka (počet bitů) a časování
- Šířka ovlivňuje rychlost komunikace
- Lze ušetřit vodiče pomocí multiplexování
- V jednom okamžiku může být aktivní pouze jeden vysílač
- Dělí se na:
  - Vnitřní sběrnice mikroprocesoru
  - Vnitřní sběrnice počítače
  - Vnější sběrnice počítačem

Co to je adresní dekodér a kdy je potřeba jej použít?

Když je paměťový prostor obsazen více jak jednou fyzickou pamětí nebo periferním zařízením
Rozhoduje, které zařízení je ke komunikaci určeno
Jeho výstupy jsou v podstatě Chip Select signály pro jednotlivé obvody
Může být stavěn jako:
- úplné dekódování adresy
- neúplné dekódování adresy
- lineární přiřazení adresy
- univerzálním přiřazením adresy

Řízení komunikace

2 případy zahájení komunikace
- z iniciativy programu
- z iniciativy periferie
  - počítač se může nacházet ve stavu, kdy nemůže s periferii komunikovat
  - lze řešit:
    - obvodově (bez vědomí počítače)
    - příznakovým bitem (Programové řízení)
    - přerušením: počítač se později vrátí tam, kde byl vyrušen (Systém Přerušení)
    - přímým přístupem (DMA)

Jaký je princip komunikace s periferiemi pomocí V/V bran?

Vstupně / Výstupní brána (Input/Output, I/O) je obvod, který zprostředkovává předávání dat mezi sběrnicí (počítače) a periferním zařízení (počítače)
Dělíme na
- S pamětí
- Bez paměti
Základem je záchytný registr se 3 stavovým vstupem

Nepodmíněný vstup a výstup dat:

Při vstupu počítač vyšle signál RD, tím přikáže vstupnímu zařízení předat data do vstupní brány počítače
Při vstupu počítač vyšle signál WR a výstupní zařízení převezme data
Jednoduchý způsob, předpokládá, že je perif. zařízení pořád ready

K čemu slouží u komunikace V/V bran indikátor a jaké přináší výhody?

Zajišťuje, že informace budou správně podány (další otázka)

Popište, jak probíhá přenos dat pomocí V/V brány s indikátorem.

Podmíněný vstup a výstup dat

Jsou-li poskytována platná data ze vstupu, pak se za pomocí STB(strobe) impulsu nastaví Q na 1
Když je Q na 1, data jsou předány počítači pomocí impulsu RD a po přenosu je indikátor vynulován
V opačném případě se nastavuje Q na 0, když jsou data převzata, pomocí ACK signálu

S vyrovnávací pamětí:

Jaký je rozdíl mezi programově řízenou komunikací s perifériemi a pomocí přerušení?

Programové:
- Využívá instrukce pro vstup a výstup, ve spojení s instrukcemi pro testování logických proměnných a skoků
- Prostě testuje stavové bity …
Přerušení:
- Periferie aktivuje přerušovací signál => procesor přeruší program, přejde do obslužného režimu, poté pokračuje v provádění hl. programu tam, kde byl přerušen
TODO Obsluha???

Jaké výhody přináší řízení komunikace s využitím přerušení?

Procesor pořád nemusí zbytečně testovat stavové bity => neztrácí výkon

Z jakých částí se skládá řadič DMA?

Registr dat - Obsahuje slovo pro přesun
Registr adresy - Adresa hl. paměti kam bude slovo zapsáno, nebo odkud bude přečteno
Čítač přesunu - požadovaný počet slov, které mají být ještě přesunuty

Jak probíhá přenos dat s použitím DMA?

Naprogramování procesorem bloku DMA
blok DMA spustí periferní zařízení, a čeká než zařízení bude připraveno data příjmou nebo vyslat
Procesor dokončí strojový cyklus a pak reaguje na žádost o DMA, přímý přístup se provádí během činnosti procesoru.. blok DMA a procesor se střídají v používání paměti
Procesor vyšle vybrané jednotce ACK a uvolní sběrnici, jednotka pak pošle obsah registru adresy na adr. sběrnici a obsah registru dat na dat. sběrnici a čeká na provedení cyklu paměti… pak obsah registru adresy zvětší o jedničku a čítač přesunu zmenší o jedničku.. pokud není nulový, testuje zda bylo předáno nové slovo do registru dat… když ne, dočasně se ukončí přesun dat a přestane se vysílat žádost o DMA… řízení je předáno procesoru
Procesor dále pokračuje v provádění svého programu do doby, než obrží další žádost o DMA
Pokud je obsah čítače přesunu nulový, blok DMA ukončí celý přesun a uvolní sběrnici

Jaké má výhody řadič DMA proti přenosu dat s využitím CPU?

Všechno nemusí dělat procesor

I2C

TODO schéma
Inter-Integrated Circuit
Dvou-vodičová Sběrnice
- SCL => Synchronous Clock
- SDA => Synchronous Data
Rozděluje připojená zařízení na:
- Řídicí - Master
  - Zahajuje a ukončuje komunikaci
  - Generuje hodinový signál (SCL)
- Řízené - Slave
  - Adresované Masterem
Adresa zařízení:
- Skládá se ze 7 bitů (horní 4 určuje výrobce, dolní 3 jdou nastavit libovolně)
Komunikace:
- V klidovém stavu je SCL a SDA na 1
- Start:
  - SCL = Sestupná hrana
  - SDA = Sestupná hrana
- Konec:
  - SCL = Náběžná hrana
  - SDA = Náběžná hrana
- Po startu následuje 7bit adresa cílového zařízení (Slave) a 1 bit Read nebo Write z pohledu mastera
  - 0bAAAAAAAM (A je bit adresy a M je Read/Write)
- Dále slave vygeneruje ACK
  - Když je ACK 0, vše je OK
  - Když je ACK 1, slave nereaguje
- Na konci přenosu se posílá NACK

4. CISC A RISC

Kdy a proč se začaly procesory dělit na RISC a CISC?

V 70. letech, kvůli narůstající složitosti procesorů…

Jaké byly zásadní důvody, proč se začaly procesory RISC vyvíjet?

Výzkumy ukázaly, že programátoři a compilátory používají instrukce velmi nerovnoměrně (v 50 % případů se vyskytují pouze 3 instrukce)
Snahy o nalezení optimálního instrukčního souboru => vznik RISC

Jaké jsou základní konstrukční vlastnosti procesorů RISC?

Malý instrukční soubor
V každém strojovém cyklu by měla být dokončena jedna instrukce
Zřetězené zpracování instrukcí
Data jsou z hlavní paměti vybírána a ukládána výhradně pomocí LOAD a STORE instrukcí
Instrukce mají pevnou délku a jednotný formát
Je použit vyšší počet registrů
Složitost se přesouvá na optimalizující kompilátory

Jak přispěly jednotlivé charakteristické vlastnosti procesorů RISC ke zvýšení výpočetního výkonu?

Jednotná délka instrukcí => rychlejší výběr instrukcí z paměti => lepší plnění fronty instrukcí
Jednotný formát => zjednodušuje dekódování
Zřetězené zpracování instrukcí

Jaký je princip zřetězeného zpracování instrukcí v RISC procesorech?

Provedení instrukce musí vždy projít stejnými fázemi (ne nutně těmi, co jsou na obrázku)
Funguje jako „výrobní linka“

CISC:

	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12
VI	I1						I2
DE		I1						I2
VA			I1						I2
VO				I1						I2
PI					I1						I2
UV						I1						I2

RISC:

	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12
VI	I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
DE		I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VA			I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VO				I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
PI					I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
UV						I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7

Legenda:

short name	full name
VI	Výběr Instrukce
DE	Dekodování
VA	Výpočet Adresy
VO	Výběr Operandu
PI	Provedení Instrukce
UV	Uložení Výsledku

Jakého zrychlení lze dosáhnout zřetězeným zpracováním instrukcí?

V ideáním světě, při délce zřetězení 6 instrukcí, udělá během 12 cyklů
- CISC: 2 instrukce
- RISC: 7 instrukcí
viz tabulky v minulé otázce

Co to jsou datové a strukturální hazardy v RISC procesorech? Co je způsobuje?

Jaké problémy přináší zřetězené zpracování instrukcí v procesorech RISC?

Datové a strukturální hazardy
- Datové: Když instrukce potřebuje mít k dispozici data předchozí instrukce (a ta ještě nejsou k dispozici)
- Strukturální: Problém omezených prostředků procesoru (a počítače jako celku)… např. jen jedna sběrnice
Problémy plněním fronty instrukcí
- Podmíněné skoky
- Nepodmíněné skoky na adresu, která se musí vypočítat

Co to je predikce skoků, proč se používá a jaké způsoby predikce se využívají?

Statická
- Do instrukce se vkládají příslušné bity již při kompilaci (nebo programátorem při psaní programu)
Dynamická
- Během běhu programu se zaznamenává, jestli se skok provedl, nebo ne
Může být:
- Jednobitová
- Dvoubitová

Jak funguje dvoubitová dynamická predikce skoků a proč se využívá?

Jako čtyřstavový automat

A predikuje provedení skoku, N říká, že se skok provádět nebude
a a n přechody označují, zda se skok naposledy prováděl

5. x86 Intel historie

8080
- Není x86
8086
- Prvním 16-bit
8088
- Sběrnice zúžená na 8bit
- Jinak stejné jak 8086
80186
- Navržen pro embedded (vestavěná) zařízení
- Má DMA
- Vyráběn 25 let
80286
- Lze přepnout do Protected modu (4 úrovně oprávnění)
- Real mode (pro zpětnou kompatibilitu, RM programy nemůžou fungovat v novém PM)
- má MMU (memory management unit)
80386dx a sx
- sx je downgrade dx
- První 32bit
- Přidán Virtual Mode (po přepnutí do PM, bylo možnost vykonávat RM programy)
8087/287/387
- Matematický koprocesor pro práci s floaty, který byl zvlášť
80486dx (později i sx verze)
- Dvojnásobný výkon při stejné frekvenci, než 386
- L1 přímo v procesoru
- Integrace matematického koprocesoru
Pentium
- První procesor v řadě x86, kde jsou uplatněna technická řešení typická pro RISC
- L1 rozdělena na kod a data
- Predikce skoků
Pentium Pro
- ZÁSADNÍ technologický zlom
- Pro servery (=> velký výkon (zhruba o 50 % víc než Pentium) a cena)
- L2 přímo na procesoru
- Fetch/Decode jednotka dekoduje x86 instrukce na 118bit RISC instrukce (které intel pojmenoval jako mikro-operace)
- Instrukce jsou po dekodování uloženy do banky instrukcí (Instruction pool), vejde se tam až 40 instrukcí
- Dispatch/Execute jednotka si může vybírat instrukce mimo pořadí z poolu (Out of order execute)
- 10 úrovňové zřetězení
- Predikce skoků si pamatuje 512 hodnot

Pentium 2
- Vychází z Pentia Pro
Pentium 3
- Optimalizace z hlediska spotřeby
- Dobré pro přenosné počítače
Pentium 4
- Mikroarchitektura NetBurst
- Při stejné frekvenci jako P3 měl stejný výkon+-, ale více se zahříval
- 20 úrovňové zřetězení
Pentium EM64T
- Extended Memory 64 Technology (Později jen Intel64)
- První 64bitový procesor
- 30 úrovňové zřetězení
- Velice se přehřívaly
Pentium M
- Určeny pro přenosné počítače
- Výkonný procesor s nízkou spotřebou energie
- Obdobný výkon jako P4 při nižší frekvenci a třetinové spotřebě
Core
Core 2
Atom
TODO Následovník (Pentia), obrázek???

6. Paměti

Dle jakých kritérií či vlastností se dělí paměti počítačů?

Typu přístupu
- RAM (Random access memory) - libovolný přístup
- SAM (Serial acess memory) - Seriový přístup
- Speciální (paměť typu zásobník, fronta..)
Možnosti zápisu/čtení
- RWM (Read write memory) - pro zápis a čtení
- ROM (Read only memory) - pouze pro čtení
- Kombinované
  - NVRAM (Non volatile RAM)
  - WOM (Write only memory)
  - WORM (Write once - read many times memory) - optické disky
Principu elementární buňky
- SRAM - statické paměti
- DRAM - dynamické paměti
- PROM, EPROM, EEPROM, FLASH - programovatelné paměti
Uchování informace po odpojení napájení
- Non-Volatile - Zachovají si informaci i po odpojení napájení
- Volatile - Ztráci informaci po odpojení napájení (DRAM a SRAM)

Jak je v dynamických pamětech ukládána informace a jak je udržována?

Ve formě náboje v kondenzátoru
Zapomenou svá data cca po 10 ms
Proto je nutné obnovovat napětí kondenzárorů - Refresh

Jaká je vnitřní organizace dynamických pamětí?

Ve čtvercové matici v jedné, nebo více vrstvách
Výběr buňky tak musí být proveden pomocí row a column dekodéru
DRAM čte adresu po dvou částech (adresa řádku a sloupce) do adresového bufferu
Organizace paměti, strana 5

Stavba DRAM buňky:

Popište stručně historii vývoje dynamických pamětí.

TODO??? :c

Jak je ve statických pamětech ukládána informace a jak je udržována?

Je uložená stavem klopného obvodu
Lze realizovat pomocí 4 nebo 6 tranzistorů
SRAM je dražší a pojme méně dat než DRAM
SRAM není třeba refreshovat jako DRAM

Jak je organizována vnitřně statická paměť?

Jako 2D mřížka, kde 1 řádek tvoří 1 slovo
SRAM paměti nevyužívají adresní multiplexing

Jaké typy pamětí si udržují svůj obsah i po odpojení napájení?

(Nevolatilní)
ROM (Read Only Memory)
- Informace zapisuje výrobce (je složena z odporů, které výrobce přepálí…, neporušené prvky pak vedou proud a je v nich minimální napětí… log 0)
- Doba pamatování není ohraničená
PROM
- Programmable ROM
- Informace se vypalují pomocí „programátoru“
- Lze zapsat jen 1x
EPROM
- Erasable PROM
- Uchovává informaci díky kvalitně izolovanému el. napětí
- K naprogramování je potřeba až 50ms trvající pulz o 5V
- Lze vymazat pomocí UV záření
- Doba pamatování 10 až 20 let
EEPROM
- Electrically Erasable PROM
- Zápis stejně jak EPROM
- Mazání pomocí el. pulzu s obrácenou polaritou
- Doba pamatování 10 až 20 let
FLASH
- Lze programovat rychle přímo v počítači
- Doba pamatování 10 až 100 let
- Struktura buněk je podobná EEPROM, ale pro programování a mazání stačí 10us pulz
- Přes 10000 programovacích a mazacích cyklů

Paměti s trvalým obsahem umožňují svůj obsah přepsat. Jak se přepis u jednotlivých typů provádí?

EPROM - UV zářením
EEPROM - Elektricky, až 50ms pulzem o 5V
FLASH - Elektricky 10us pulzem

Jaké speciální typy pamětí se používají?

VRAM (Video RAM)
- Dvouportová
- Zvýšené přenosové pásmo
WRAM (Window RAM (nemá nic společného s tím pseudo operačním systémem))
- O 25 % větší přenosové pásmo než VRAM
- Nabízí double-buffering
SGRAM (Synchronní grafická RAM)
- Funguje jako SDRAM
- Ale SDRAM je optimalizována pro kapacitu a SGRAM pro přenos dat
FIFO paměti (fronta)
- Bez přesouvání obsahu
- S přesouváním obsahu
Cache paměti
- Malé a rychlé
- Rychlé komponenty čtou data z cache a nemusí čekat na komponentu pomalejší
- L1, L2, …

Hierarchie pamětí v počítači

Jak se u pamětí detekují a opravují chyby?

SRAM je spolehlivější než DRAM
Tvrdé chyby - opakující se
Měkké chyby - neopakující se je těžší rozpoznat
Kontrola parity
- dorovnává se na lichý počet jedniček do 9. bitu
- neopravuje, jen detekuje chybu (když je počet jedniček sudý)
ECC - Error Correction Code
- Detekuje vícebitové chyby
- Schopen opravit 1 bitovou chybu
- Nutnost „Wait State“ => zpomalení 2-3%

7. Monolitické počítače

Monolit = Procesor, Paměť, Periferie v 1 pouzdře
Používá se převážně Hardvardská architektura
Kvůli jednoduchosti bývají převážně RISC

Jaká je obvyklá organizace pamětí v mikropočítačích?

Střadačové (pracovní registry)
- Většinou jen 1 nebo 2
- Ukládají se do nich aktuálně zpracovávaná data
Univerzální zápisníkové registry
- Pro nejčastěji používaná data
Paměť dat RWM
- Pro rozsáhlejší a méně používaná data
Speciální - např. IP
Zásobník pro návratové adresy (nutnost mít stack pointer)

Jaké zdroje hodinového signálu se mikropočítačích používají?

(Zdroj synchronizace)
Často je zdroj integrován přímo v počítači, kde nelze zajistit dobrou stabilitu (vlivem teplot můžou být odchylky kmitočtu desítky %)
Generátory:
- Krystal (dobrý pro stabilitu)
- Keramický rezonátor
- Obvod LC
- Obvod RC (pro minimalizaci ceny)
- Externí zdroj

Jak probíhá RESET mikropočítače?

Počáteční stav počítače
Po provedení RESETu se u všech počítačů nastaví počáteční hodnota čítače instrukcí (0 nebo samé 1)
Výrobce definuje, jak dlouho RESET signál trvá
Zdroj signálu může být vnější nebo vnitřní

Jakými způsoby se řeší ochrana proti rušení v mikropočítačích?

Mechanická ochrana - musí odolávat nárazům, nebo trvalým vibracím
Galvanické oddělení - proti elektromagnetickým vlivům
WATCHDOG - aby nám program nezabloudil
Větším rozsahem pracovního napětí

Jaké jsou základní vlastnosti V/V bran?

Nejčastější a nejjednodušší je Paralelní brána - port
- Obvykle organizovaná jako skupina 4 nebo 8 jednobitových vývodů

Popište obecný princip fungování sériových rozhraní. Jaká sériová rozhraní znáte?

Dovoluje efektivním způsobem přenášet data na relativně velké vzdálenosti při použití minimálního počtu vodičů
Je to celkem pomalá komunikace
Dle vzdálenosti přenosu dělíme na:
- Mezi elektronickými zařízeními (na delší vzdálenost)
  - Synchronní nebo asynchronní přenos
  - Typicky pomocí RS232 nebo RS485
- Uvnitř el. zařízení
  - Typickým standardem je I2C
TODO Princip?

K čemu slouží v mikropočítačích čítače a časovače? Jak fungují?

Čítač je registr o N bitech, který nejčastěji čítá vnější události
- Při přetečení se obvykle automaticky předává výzva do přerušovacího podsystému.
Časovač je podobný jako čítač, ale je inkrementován vnitřním hodinovým signálem
- Zajišťuje řízení událostí v realném čase

Popište konstrukci a fungování základních A/D převodníků.

Převádí Analogový signál na Digitální
- Komparační A/D převodník
  - Porovnává měřené veličiny s referenční hodnotou
  - Rychlé
  - S počtem komparátorů roste rozlišovací schopnost
  komparacni_prevodnik
- A/D převodník s D/A převodem
  - pro sledování pomalu rostoucích veličin
  - Používá se jeden komparátor a proměnný zdroj referenční hodnoty
  - Sledovací
    - Mění vždy referenční hodnotu o krok nahoru nebo dolů
  - Aproximační
    - Půlení intervalu
- Integrační A/D převodník
  - Metoda dvojité integrace
- Převodník s časovacím RC článkem
  - Měří se doba nabití a vybití kondenzátoru

Popište konstrukci a fungování základních D/A převodníků.

Převádí digitální signál na analogový
PWM (Pulse Width Modulation)
- Převodníky mají velké zpoždění
- Pro převod slouží RC článek
- Hodnota analog. signálu je „zakódována“ jako poměr mezi stavy vypnuto a zapnuto
Paralelní převodníky
- Přímý převod číselné hodnoty na stejnosměrný proud
- Základem je většinou odporová síť
- Typy:
  - Váhově řazené hodnoty odporů (1:2:4:8..64:128) (náročné dodržet poměr kvůli přesnosti odporů)
  - R-2R

NÁKRES D/A?

Jaké speciální periferie mikropočítačů znáte?

Řízení dobíjení baterií
Vysílače a příjmače IR signálu
USB rozhraní typu klient
Řadiče LCD a LED

8. Monitory

Jak funguje CRT???

Na jakých principech fungují LCD monitory?

zkratka LCD znamená Liquid crystal display
Každý pixel se skládá ze 3 subpixelů
Jádrem LCD je TN (twisted nematic) struktura, která je z obou stran obklopena polarizačními vrstvami
Princip (TN):
- Světlo projde prvním filtrem a polarizuje se
- Projde vrstvami pootočených tekutých krystalů, které světlo otočí o 90stupnu
- Světlo projde i druhým polarizačním filtrem, které je otočeno o 90stupnu proti prvnímu
- (TN-LCD, které v klidovém stavu bez přivedeného napětí propouští světlo)
- Po přivedení napětí nématická struktura přestane otáčet světlo, a druhý polarizační filtr ho nepustí

(tady světlo otáčí == pixely jsou zaplé)

2 typy:
- TN - v klidovém stavu svítí
- IPS - v klidovém stavu nesvítí

Jaké jsou základní výhody a nevýhody LCD monitorů?

Výhody:
- Kvalita obrazu
- Životnost
- Spotřeba energie
- Odrazivost
- Bez emisí
Nevýhody:
- Citlivost na teplotu
- Pevné rozlišení
- Vadné pixely
- Doba odezvy
- Není úplně černý, kvůli podsvícení

Jak fungují OLED zobrazovací jednotky?

Organic Light Emmiting Diode

Při přivedení napětí se elektrony (záporné částice) začnou hromadit v organické vrstvě, blíže k anodě
Díry (kladné částice) se hromadí na opačné straně blíže katodě
V organické vrstvě začne docházet ke srážkám a vzájemnou eliminací vzniká světlo

Jaké jsou výhody a nevýhody OLED technologie?

Výhody:
- Jsou samy o sobě zdrojem světla.. nepotřebují podsvícení
- Vysoký kontrast
- Tenké
- Nízka spotřeba
- Dobrý pozorovací úhel
- Možnost instalace na pružný podklad
Nevýhody:
- Vyšší cena
- Většinou malé displaye pro mobilní zařízení
- Degradace materiálu (organického)

Jak funguje zobrazovací jednotka s technologií E-Ink?

Elektřina je potřeba jen pro refresh (malý proud, 5-15 V)
V čiré kapalině jsou jen 2 barvy, můžou tvořit gradient pomocí rozdělení elektrod
Horní elektrody musí být průsvitné
Princip:
- V průhledných kapslích jsou obsaženy kladné a záporné částice různých barev (většinou černá a bílá)
- Po přivedení napětí se částice v čirém roztoku podle svého náboje přitáhnou k elektrodě opačné polarity
- Přes průhlednou horní elektrodu jde vidět barva

Jaké jsou výhody a nevýhody E-Ink?

Výhody:
- Vysoké rozlišení
- Dobrá čitelnost
- Není potřeba podsvícení
- Nulová spotřeba při zobrazování statické informace
- Nízká spotřeba při překreslení
- Tenké
Nevýhody:
- Dlouhý refresh (100+ms)
- Málo odstínu šedi
- Špatné barevné rozlišení

Jak je u E-Ink řešena podpora více barevných úrovní?

Rozdělením elektrod
V případě barev:
- Stejně jako u LCD => barevné filtry
- Nad každou kapslí je jeden barevný filtr z trojice RGB
- Špatné barvy.. barevá hloubka je 4096

9. Disky

Typy pamětí (externích)?

Magnetické paměti
- Pevný disk
- Disketová mechanika
Optické Paměti
- CD
- DVD
Magnetooptické paměti

Jaký je princip ukládání dat u magnetických pamětí?

Záznamové médium má tvar kruhové desky (disk, disketa), nebo dlouhé pásky
Je pokryto magnetickou vrstvou a pohybuje se konstantní rychlostí
V bodu dotyku s povrchem je štěrbina magnetického obvodu (štěrbina je díra v té hlavě (magnetickém obvodu)).. štěrbina + mag. obvod tvoří jádro
Pokud magnetickým obvodem prochází proud, vzniká magnetický tok, který se díky štěrbině dostává do okolí, a ovlivňuje magnetickou vrstvu

TODO: CHS vs LBA

Podélný zápis:
- Menší hustota
Kolmý zápis:
- 10x větší kapacita
- Větší technická náročnost

Jak funguje pevný disk?

Proud je převeden na indukci
Disk je vyroben z nemagnetického materiálu, který je pokryt fermagnetickou vrstvou
Povrch je pokryt magnetickými doménami, které mají specifickou orientaci, při zápisu se mění jejich orientace

Jaký je princip ukládání dat u optických pamětí?

Materiál - polykarbonát
Záznam pomocí pitů a landu (jamky a pevniny)
Čtecí senzor rozpozná změnu tak, že když světlo narazí na pit, rozptýlí se s posunutou peridodou
Zapisuje se laserem
Většinou WORM - Write once read many (times)

CD-ROM

Compact Disk Read Only Memory
Rychlejší než diskety
Přehrávač musí měnit rychlost disku, aby zajistil stálou rotaci
Čtení pomocí IR laseru
Čte se ze vnitřní strany do vnější

DVD

Digital Versatile Disc
Vesměs vysokokapacitní CD
Používá laser ve viditelné vlnové délce - červený

10. CUDA

Rozšíření jazyka C/C++
Funguje jen na Nvidia kartách
Warp je skupina jader, která je ovládána schedulerem
- Každý warp má svůj dekodér instrukcí a scheduler
- Každé jádro má FP unit a INT unit

Výhody GPU/CUDY?

Masivní Paralelizace
GPU je navržena pro zpracování výpočetně náročného kódu s omezeným počtem podmíněných skoků (nejlépe bez IFů)

Čím se musí řídit programátor při práci s CUDA?

Jádra musí být na sobě nezávislá (GPU negarantuje pořadí exekuce threadu)
Musí určit správný počet bloků a vláken
Nepoužívat IFy (a cykly)
TODO Unified Memory???

Organizace mřížky?

Kód kernelu musí být přizpůsoben mřížce
Pro určení pozice threadu v mřížce lze použít předdefinované proměnné (blockIdx, ..)
- x = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
- y = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;

Jaký je postup?

(alokuje se místo na GPU)
překopírují se data z hostu do device
zapnou se thready v GPU multiprocesoru
vykonají se thready v GPU multiprocesoru
překopírují se data z GPU zpátky do host

Rozšíření jazyka `C/C++`?

Modifikátory funkcí:
- __device__ - Pouze GPU (vykonání i zavolání na GPU)
- __global__ - Pro oboje (vykonána na grafické kartě, ale zavolána z procesoru)
- __host__ - Pouze pro procesor
Kvantifikátory (qualifier) proměnných (nikdy jsme je irl nepoužili):
- __device__
- __constant__
- __shared__
Datové typy s příponou 1,2,3,4 .. např int3
- char
- uchar
- int
- uint
- short
- ushort
- long
- ulong
- float
- double (double1, double2) (off-topic fact.. float a double unsigned neexistují)
dim3 je uint3
jmeno_funkce<<<pocet_bloku, pocet_vlaken>>>(parametry)

11. RP2040 a ARM Cortex-A77

RP2040

Levný mikrokontrolér (kolem 50 Kč), používaný v R Picu, vydán v lednu 2021
2 jádra ARM Cortex M0+ až 133MHz
264kB SRAM (rozdělena do 6 banek)
16MB flash paměti
DMA controller
Periferie:
- 2x UART controller
- 2x SPI controller
- 2x I2C controller
- PWM controller
- Watchdog
- RTC

ARM Cortex A-77

nad 3GHz
ARMv8-A architektura (instrukční sada) - Harvard
64bit
Vydán v roce 2019
13 úrovňové zřetězení
8 Jader
L1, L2 a L3 cache
FPU
Out of Order Zpracování instrukcí
Primárně v mobilech s androidem => nízká spotřeba
TODO: přečíst

https://en.wikichip.org/wiki/arm_holdings/microarchitectures/cortex-a77

Následovník Pentia Pro?

Ano.. vypadá stejně jak Pentium Pro.. ale má navíc MMX jednotku (SIMD instrukce), větší frekvenci a o polovinu menší frekvenci L2 cache

Strana 21

	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12
VI	I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
DE		I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VA			I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VO				I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
PI					I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
UV						I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7

	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12
VI	I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
DE		I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VA			I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VO				I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
PI					I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
UV						I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7

	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12
VI	I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
DE		I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VA			I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
VO				I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
PI					I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7
UV						I1	I2	I3	I4	I5	I6	I7