[置頂] 徹底理解I/O架構(gòu)

       1個(gè)系統(tǒng)要能正確工作，必須要有數(shù)據(jù)通道（data paths）的機(jī)制，軟件和硬件系統(tǒng)都概莫能外。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，必須要有data paths的機(jī)制來確保CPU, RAM和I/O裝備之間的信息數(shù)據(jù)能正確的活動(dòng)。這些data paths,通常被稱為總線，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部主要的通訊通道。

       計(jì)算機(jī)內(nèi)部1般有系統(tǒng)總線來連接內(nèi)部所有的硬件裝備。1個(gè)典型的系統(tǒng)總線是PCI((Peripheral Component Interconnect)總線。其他類型的用得較多的總線還有ISA,EISA, MCA, SCSI, 和USB。1個(gè)計(jì)算機(jī)有多個(gè)不同類型的總線，這些總線由橋（bridge）鏈接起來。有以下兩種高速總線處理到達(dá)或出自內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)傳輸：

    （1）前端總線：連接CPU和RAM控制器；

    （2）后端總線：連接CPU和外部硬件裝備CACHE.

     主機(jī)橋（HostBridge）連接系統(tǒng)總線和前端總線。

     連接I/O裝備和CPU的數(shù)據(jù)通道可統(tǒng)稱為I/O總線。外設(shè)是為了用來適配1個(gè)外設(shè)總線而存在的, 并且大部份流行的 I/O 總線成型在個(gè)人計(jì)算機(jī)上。可見，總線的類型影響到I/O裝備的內(nèi)部設(shè)計(jì)同時(shí)影響到Linux內(nèi)核對(duì)它的處理方式。

PC的通用I/O架構(gòu)以下所示：

      接下來，我將依照從上而下的順序(即I/O controller--> I/O Interface--->I/O Port)對(duì)該圖進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

       裝備控制器（         I/O Controller）的作用有以下兩個(gè)：

     （1）解析從I/O Interface接收到的高層次命令，并通過發(fā)送時(shí)序正確的電信號(hào)給I/O裝備，I/O裝備則根據(jù)這些信號(hào)去履行相應(yīng)的動(dòng)作。

    （2）正確的解析和翻譯來自I/O裝備的電信號(hào)并通過I/O Interface修改相應(yīng)的I/O 狀態(tài)寄存器值。（I/O狀態(tài)寄存器是I/O PORT的1種。）

       I/O Interface是1種硬件電路，插入在I/O Port和相應(yīng)的裝備控制器之間。它充當(dāng)1個(gè)解釋器的功能，把I/O Port里的值解析為對(duì)應(yīng)裝備的命令或數(shù)據(jù)。相應(yīng)的，它也會(huì)讀取裝備的狀態(tài)值，并更新I/O port里的值。

       有兩種類型的interface:

       (1)定制化接口。經(jīng)常使用的有鍵盤接口，圖形接口，磁盤接口，總線鼠標(biāo)接口，網(wǎng)絡(luò)接口等。

       (2)通用接口。常見的有串口，并口，PCMCIA（如硬盤、網(wǎng)卡等）接口，SCSI接口，USB接口等。

為了統(tǒng)1起見，裝備的I/O Port也被結(jié)構(gòu)化為1系列專用寄存器：

     （1）控制寄存器；

     （2）狀態(tài)寄存器；

     （3）輸入寄存器；

     （4）輸出寄存器。

    示意圖以下：

      對(duì)CPU而言，如果它要發(fā)數(shù)據(jù)到某個(gè)裝備，實(shí)際上是發(fā)到對(duì)應(yīng)的接口(I/O Interface)，接口電路里有多個(gè)寄存器（也稱為端口，即“I/O PORT”），訪問裝備實(shí)際上是讀寫這些寄存器，所有的信息會(huì)由接口轉(zhuǎn)給它的裝備。1般來講，CPU會(huì)根據(jù)需要向裝備控制寄存器寫入需要履行的命令，并會(huì)從裝備狀態(tài)寄存器讀取裝備的內(nèi)部狀態(tài)。CPU也會(huì)從輸入寄存器獲得（Featch or pull）字節(jié)數(shù)據(jù)，或向輸出寄存器以推送的方式寫入(Push)字節(jié)數(shù)據(jù)。

      1個(gè)外部裝備要想接入系統(tǒng)，就用自己的接口和總線上的某個(gè)匹配接口對(duì)接。通常會(huì)有多個(gè)外設(shè)，每一個(gè)外設(shè)的接口電路中，又會(huì)有多個(gè)端口，每一個(gè)端口都需要1個(gè)地址，為他們標(biāo)識(shí)1個(gè)具體的地址值，是系統(tǒng)必須解決的事，與此同時(shí)，你還有個(gè)內(nèi)存條，多是512M或1G或更大的金士頓、現(xiàn)代DDR2之類，他們的每個(gè)地址也都需要分配1個(gè)標(biāo)識(shí)值，另外，很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，就像你的內(nèi)存條1樣，你一樣需要為它們分配內(nèi)存……你的CPU可能需要和它們的每個(gè)字節(jié)都打交道，所以：別期望偷懶，它們的每寸土地都要計(jì)劃好！

      為了計(jì)劃好I/O端口，有兩種編址方式：獨(dú)立編址和統(tǒng)1編址。

       (1)統(tǒng)1編址：

           外設(shè)接口中的IO寄存器（即IO端口）與主存單元1樣看待，每一個(gè)端口占用1個(gè)存儲(chǔ)單元的地址，將主存的1部份劃出來用作IO地址空間，如，在 PDP⑴1中，把最高的4K主存作為IO裝備寄存器地址。端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)量容量減小。統(tǒng)1編址也稱為“I/O內(nèi)存”方式，外設(shè)寄存器位于“內(nèi)存空間”（很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，外設(shè)的寄存器和內(nèi)存統(tǒng)稱“I/O空間”）。

        (2)獨(dú)立編址（單獨(dú)編址）：

            IO地址與存儲(chǔ)地址分開獨(dú)立編址，I/0端口地址不占用存儲(chǔ)空間的地址范圍，這樣，在系統(tǒng)中就存在了另外一種與存儲(chǔ)地址無關(guān)的IO地址，CPU也必須具有專用與輸入輸出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制邏輯。獨(dú)立編址下，地址總線上過來1個(gè)地址，裝備不知道是給IO端口的、還是給存儲(chǔ)器的，因而處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O端口和存儲(chǔ)器的不同尋址。如，intel 80x86就采取單獨(dú)編址，CPU內(nèi)存和I/O是1起編址的，就是說內(nèi)存1部份的地址和I/O地址是堆疊的。獨(dú)立編址也稱為“I/O端口”方式，外設(shè)寄存器位于“I/O（地址）空間”。

 本文力求通俗易懂，主要參考書籍： Understanding the Linux Kernel

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