7.2.4　I/O硬件原理

1.I/O系统与I/O控制方式

（1）I/O系统

I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件统称为I/O系统。I/O系统的性能经常成为整个计算机系统性能的瓶颈。通常将I/O系统的结构分为总线型I/O系统和通道型I/O系统。

总线型I/O系统的结构采用单总线结构，CPU和存储器直接连在总线上，I/O设备通过设备控制器连接在总线上。

通道型I/O系统的结构不采用单总线结构，而是增加了一级I/O通道，一个存储器可以连接多个通道，每个通道可以连接多个设备控制器，而每个设备控制器又可以连接多个设备。

（2）I/O控制方式

设备与内存之间进行的数据传输控制方式主要有4种：轮询方式（或称程序直接控制方式）、中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式。其中，通道控制方式占用CPU时间最短。

2.I/O设备组成

I/O设备由两部分组成：机械部件和电子部件。机械部件指设备本身，电子部件称为设备控制器或适配器。通常，设备并不直接与CPU进行通信，而是通过设备控制器，设备控制器卡上通常有一个连接器，设备通过自带的电缆插入连接器中完成与设备控制器的连接。设备与设备控制器之间的接口是一种低级接口。

3.设备控制器

设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，它接收CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。设备控制器是一个可编址设备，当它仅控制一个设备时，它有一个唯一的设备地址；当连接多个设备时，它有多个设备地址，每一个设备地址对应一个设备。下面介绍设备控制器的主要功能。

（1）接收和识别命令

CPU可以向控制器发送多种不同命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。在设备控制器中设置控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对命令进行译码。

（2）数据交换

数据交换包括CPU与控制器之间的数据交换以及控制器与设备之间的数据交换。对于前者，是通过数据总线；对于后者，是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。传输的数据存放在控制器中的数据寄存器中。

（3）设备状态的了解和报告

在控制器中设置了一个状态寄存器，用其中的一位来记录设备的状态，以供CPU了解。

（4）设备地址识别

系统中的每一个设备都有一个地址，设备控制器必须能够识别它所控制的每个设备的地址。

由于设备控制器处于CPU与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU所发来的命令去控制设备的工作功能。因此，现有的大多数设备控制器都是由以下3部分组成的。

1）设备控制器与CPU的接口：用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有3类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连接：

·与数据寄存器连接。在控制器中可以有一个或多个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据输入，或从CPU送来的数据输出。

·与控制/状态寄存器连接。存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息。

2）设备控制器与设备的接口：一个设备控制器可以连接一个或多个设备。一个接口连接一台设备。每个接口中有3种类型的信号：

·数据信号：是由设备发送给设备控制器的；对输出而言，是由设备控制器所接收的比特流。

·控制信号：设备控制器发送给设备的、用于规定设备执行读或写操作的信号，或执行其他操作的信号，如移动磁盘的信号。

·状态信号：用于指示设备的当前状态。

3）I/O逻辑：用于实现对设备的控制，通过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。

4.I/O端口的编址方式

每个设备控制器中都有多个寄存器用于和CPU通信，因此，需要提供编址寻址机制。根据CPU体系结构的不同，CPU对I/O端口的编址方式有两种。

（1）I/O映射方式

I/O映射方式或称为I/O端口方式，是一种独立编址方式。该方式为每个控制寄存器分配一个I/O端口，即用端口号标识了设备控制寄存器的地址，端口号也称为I/O端口地址或端口地址。所有的I/O端口构成I/O端口空间（或I/O地址空间，简称为I/O空间）。

CPU通过特殊的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元，从而实现访问I/O设备，如读取控制寄存器端口内容并存入CPU寄存器中，或者将CPU寄存器的内容写入控制寄存器中。

在这种方式中，I/O空间与内存空间各自独立编址，也是独立寻址的。因为有独立的I/O空间，因此不占用内存空间；有独立的I/O指令；程序清晰，很容易看出是I/O操作还是存储器操作，译码电路也比较简单。对于这种编址方式，通常只有具有I/O读写控制线的处理器系统（如8086系统）才能使用。

因为I/O空间只能由操作系统使用特殊的I/O指令进行访问，I/O设备驱动程序一般使用汇编语言编写。

（2）内存映射方式

这种编址方式是将I/O地址空间与存储器地址空间合二为一，是一种统一编址方式，将端口与内存单元同等对待。

该方式也称为内存映射I/O、存储器映像I/O或MMIO，它是PCI规范的一部分，实际上I/O设备被放置在内存空间而不是I/O空间，即将所有的设备控制寄存器映射到内存空间，给每个设备控制寄存器分配了一个唯一、专属的内存地址，不会有内存被分配这一地址。

CPU可以像访问内存一样来访问I/O资源，如设备上的内存，而不需要设立专门的外设I/O指令。因为I/O操作使用的是存储器访问指令，因此，指令多而灵活，缺点是端口地址要占用一部分存储器地址。

采用内存映射I/O方式，I/O设备驱动程序可以完全采用C语言编写，设备控制器只是内存中的变量，在C语言中同其他变量一样可以直接寻址，简化了程序设计的难度和接口的复杂性。