计算机CPU对外设的访问方法

工作前、学校里一直搞单片机，工作后、公司里改成搞计算机。单片机对GPIO、串口等外设的访问，程序中直接写寄存器就可以了；计算机中有CPU（如intel、amd）、每个外设又都有自己的控制器，那CPU怎么能访问到每个外设的控制器里面的寄存器，以实现对外设的控制呢？

其实无论单片机还是计算机中CPU，都有自己的地址空间，CPU只能访问自己的地址空间（不是内存地址空间，内存地址空间只是CPU地址空间的一部分），而地址空间与存储器、外设控制器中寄存器存在一一对应的地址映射，当CPU访问某一个地址空间时，硬件上自动映射到对应的存储器存储单元或外设控制器中某个寄存器，从而实现CPU对存储器、外设的访问。

单片机中的CPU其实也是这个道理，只是系统简单，所有的外设控制器都集成到一个芯片中，学校里不求甚解，其实也是访问的自己的地址空间，和计算机中CPU访问独立的SATA控制器、USB控制器等方式是相同的。首先看一下PIC LF1825单片机内部框图，其实物是一个独立的物理芯片：

如下是ARM控制器中外设控制器、存储器地址空间分配：

另外，单片机中集成了I2C控制器、SPI控制器等；计算机主板中集成了SATA控制器、USB控制器、PS/2控制器等。此些控制器的存在作用是什么？

其实目的很简单，外设控制器的存在，屏蔽了物理层的数据、命令传输时的总线协议的具体实现，程序员只需读、写寄存器，具体的数据依据相应的总线协议在总线上的传输过程，此是控制器硬件上自己完成的。

最好理解的就是I2C，你只需写data、cmd寄存器即可，data、cmd按照I2C协议在SCL、SDA上传输是I2C控制器完成。对于不存在I2C的单片机或CPU，需要通过GPIO按照I2C协议实现SCL、SDA的时序关系，实现数据的传输。FPGA实现I2C也是此道理。

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