计算机外设与CPU通信

计算机外设与CPU通信

不同的IO设备的连线数量、传输的信号不一样,而且各自的插头和插孔也千差万别,这该如何让处理器跟它们打交道?

I/O接口可以是一个电路板,也可能是一块小芯片,这取决于它有多复杂。无论如何,它是一个典型的变换器,或者说是一个翻译器,在一边,它按处理器的信号规程工作,负责把处理器的信号转换成外围设备能接受的另一种信号;在另一边,它也做同样的工作,把外围设备的信号变换成处理器可以接受的形式。

IO接口不可能直接与CPU相连,需要先接在总线上。为了避免IO接口与CPU通信时发生冲突,需要一个输入输出控制设备集中器(ICH)芯片,该芯片的作用是连接不同的总线,并协调各个I/O接口对处理器的访问。在个人计算机上,这块芯片就是所谓的南桥。

IO端口和端口访问

实际上,CPU与外围设备的通信是通过IO端口进行的。IO端口本质上是寄存器,位于IO接口上。一个IO接口上可能有多个IO端口用于实现不同的功能。IO端口的宽度取决于硬件设计值。

在Intel处理器中,IO端口有两种不同的访问方式:

  • 映射到地址空间中
  • 采用独立编址

第一中便是把IO端口映射到某一段特定的物理RAM中,如果访问那些特定的地址,实际上就是访问IO端口。

第二种IO端口不与主存发生关系,在这种计算机中,处理器的地址线既连接内存,也连接每个I/O接口。但是,处理器还有一个特殊的引脚M/IO#,在这里,"#"表示低电平有效。也就是说,当处理器访问内存时,它会让M/IO#引脚呈高电平,这里,和内存相关的电路就会打开;相反,如果处理器访问I/O端口,那么M/IO#引脚呈低电平,内存电路被禁止。与此同时,处理器发出的地址和M/IO#信号一起用于打个某个I/O接口,如果该I/O接口分配的端口号与处理器地址相吻合的话。这里着重讲一下第二种实现。

in和out指令

in指令用于从特定端口中读取数据,指令格式为:

  • in ax, dx
  • in al, dl

只能使用ax或dx寄存器,其中dx是IO端口号。in al,dx的机器指令码是0xEC,in ax,dx的机器指令码是0xED,都是一字节的。之所以如此简短,是因为in指令不允许使用别的通用寄存器,也不允许使用内存地址作为操作数。

也许是为了方便,in指令还有2字节的形式。此时,前一字节是操作码0xE4或者0xE5,分别用于指示8位或者16位端口访问;后一字节是立即数,指示端口号。如in ax, 0xf0

相应的,如果要通过端口向外围设备发送数据,则必须通过out指令。

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