接口 + 设备 – 适配器模式

  1. 大部分的输入输出设备，都有两个组成部分，一个是接口，另一个是实际的IO设备
  2. 硬件设备并不是直接接入到总线上和CPU通信的，而是通过接口，用接口连接到总线上，再通过总线和CPU通信
  3. 串行接口、USB接口等都是计算机主板上内置的各个接口，实际使用的硬件设备，都需要插入到这些接口上，才能和CPU通信
  4. 接口本身是一块电路板，CPU不需要和实际的硬件设备打交道，只需要和这个接口电路板打交道
    • 设备里面的三类寄存器（状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器），都在接口电路上，而不在实际的设备上
  5. 除了内置在主板上的接口外，有些接口可以集成在设备上 – IDE（Integrated Device Electronics）硬盘
    • 设备的接口电路直接在设备上，只需要通过一个线缆，把集成了接口的设备连接到主板上即可
  6. 接口和设备分离：各种输入输出设备的制造商，根据接口的控制协议，来设计各种外设
  7. Windows设备管理器
    • Devices：着重实际的IO设备本身
    • Controllers：着重输入输出设备接口里面的控制电路
    • Adaptors：着重接口作为一个适配器后面可以插上不同的实际设备

CPU控制IO设备

  1. 无论是内置在主板上的接口，还是集成在设备上的接口，除了三类寄存器之外，还有对应的控制电路
  2. 通过这个控制电路，CPU可以向这个接口电路板传输信号，来控制实际的硬件
  3. 三类寄存器（以打印机为例）
    • 数据寄存器
      • CPU向IO设备写入需要传输的数据
    • 命令寄存器
      • CPU发送一个命令，告诉打印机，要进行打印工作
      • 此时打印机里面的控制电路会做两个动作
        • 设置状态寄存器里面的状态为not-ready
        • 实际操作打印机进行打印
    • 状态寄存器
      • 告诉CPU，现在设备已经在工作了，此时如果CPU再发送数据或者命令过来，打印机是不会响应的
      • 直到前面的工作完成，状态寄存器重新变成ready状态，CPU才能发送下一个字符和命令
    • 实际情况，打印机不会只有数据寄存器，还会有数据缓冲区
      • CPU是不会真地一个一个字符交给打印机打印，而是一次性把整个文档传输到打印机的内存或者数据缓冲区里面

MMIO + PMIO

MMIO

  1. CPU和IO设备通信，一样是通过CPU支持的机器指令来执行的
  2. MIPS的机器指令分类，并没有一种专门和IO设备通信的指令类型，MIPS的CPU是使用内存地址来和IO设备进行通信
    • 计算机会把IO设备的各个寄存器，以及IO设备内部的内存地址，都映射到主内存地址空间来
    • 主内存的地址空间里，会给不同的IO设备预留一段一段的内存地址
  3. CPU想要和这些IO设备进行通信时，就会通过地址线往这些地址发送数据；对应的数据信息，则是通过数据线来发送
    • IO设备会监控地址线
    • 在CPU往自己地址发送数据的时候，会把对应数据线里面传输过来的数据，接入到设备里面的寄存器和内存里面
  4. 上面的方式称为内存映射IO（Memory-Mapped I/O，MMIO）

PMIO

  1. MIPS的CPU很简单，所以只有MMIO；但Intel X86架构的计算机，可以设计专门和IO设备通信的指令，即in指令和out指令
  2. Intel CPU也支持MMIO，但还可以通过特定的指令，来支持端口映射IO（Port-Mapped IO，PMIO）
    • PMIO和MMIO的核心区别，PMIO里面访问的设备地址，不再是内存地址空间里面，而是一个专门的端口
    • 端口：和CPU通信的一个抽象概念

小结

  1. 无论是PMIO还是MMIO，CPU都会传送一条二进制的数据给到IO设备的对应地址
  2. 设备本身的接口电路，再去解码这个数据
    • 解码后的数据，会变成一条设备支持的指令，再去通过控制电路去操作实际的硬件设备
  3. 对于CPU而言，并不需要去关心设备本身能够支持哪些操作，只需要在总线上传输一条条数据即可 – Command模式

参考资料

深入浅出计算机组成原理