一步步编写操作系统 15 CPU与外设通信—

既然都说到IO接口了，不知道各位有没有疑问，cpu是怎样访问到IO接口呢？肯定得有个链路吧？什么？有隐约听到有同学开玩笑说：cpu用无线访问其它设备。哈哈，不知道各位听说过没有，无线的终端是有线。无论无线设备再如何强大，最终在网络的那一头，必然是物理设备在支撑。所以，不如用个物理链路啦，你看主板上密密麻麻的线路就知道为什么有些人称主板为线路板啦。其实这物理链路就是一组电线，这条电线用于传送信号，故称为信号线。那些想和其它硬件交流的设备就要想办法连接到这条线上。由于这条电线是供大家使用的公共线路，属于所有设备共享，所以形象的称之为bus，公共汽车。也就是大家所说的总线，总之，总线并不是抽象出来的东西，它就是把大家连接到一起的电线。再形象一点说，总线就像一条高速公路，这公路上有很多出口可以让汽车进出，汽车在计算机中就相当于各种硬件设备，可以选择连接上总线，也可以选择从总线分离。

同一时刻，cpu只能和一个IO接口通讯，当很多的IO接口同时想和cpu对话时，面对众多接口的爱慕，cpu会选择和谁单独一叙呢？这个工作不应该由cpu来做，前面说过啦，cpu太忙了，还是好钢使在刀刃上吧，既然分层能解决问题，咱们再加一层，这一层的责任是除了仲裁IO接口的竞争，还要连接各种内部总线。由于它的使命，它的名字就叫做输入输出控制中心ICH（I/O control hub），也就是南桥芯片。如图

说到了南桥，多少还要提一句北桥芯片的作用。图上标上北桥部分其实是散热片，在它下面才是北桥。由于南桥和北桥一般是成对出现的，至少在支持intel cpu的主板中是这样的（话说，AMD为了减少cpu同北桥交换数据的成本，已经把北桥的工作放到了cpu内部，所以支持AMD的板子上未必有北桥芯片）。南桥是用于连接pci、pci-express、AGP等低速设备，北桥是用于连接高速设备，如内存。

好啦说完啦，点到为止，还得要继续说南桥。cpu通过内部总线连接到南桥芯片中的内部，这个内部总线是专用的，它只通向位于南桥中的cpu接口。说的好炫，其实还是一条电线而已。从名字上可以看出，南桥二字中的桥，其实对应的是hub这个单词，它们都意为“公共、集合”，所以不难想像，在南桥内部集成了一些IO接口，如并口硬盘PATA（就是我们平时所说的IDE硬盘），串口硬盘SATA，USB、PCI设备，电源管理等接口。由于这些接口对微型计算机来说必不可少，它们就直接扎根在南桥内部啦。

在南桥内部的接口对微型计算机来说是不可少的，除了这些之外，那些可有可用的设备，难道南桥就不管了吗？必须得管，这毕竟是它的工作。南桥芯片内部总线示意如图：

为了支持这些非必要的设备（当然主要是为了方便扩展，不易扩展的产品意味着从出生那天就开始走向灭亡），南桥提供了专门用于扩展的接口，这就是PCI接口。在主板上有很多插槽，它们就是预留的pci接口，pci设备可以即插即用。由于它们延伸到了南桥外面，又像公路一样，很多pci设备都可以连接上来，所以这条延长的PCI接口便成了PCI总线。结合图3-11和图3-12。看到主板上那些并排的插槽时，大家要想到，它们其实都“骑”在一条电线上，这样理解总线容易些吗？

看到一个总线又一个总线的，如果感觉烦乱的话，说明总线这个词意义不明确，也许翻译成“公共线路”最直接。简单的东西通过术语搞得好深奥，完全一副不明觉厉的样子。其实大家想想看，这么多设备要实现相互通讯，不得用电线连接到一起吗？只不过大多数情况下，连接到这条电线上的设备不止两个，总的数量较多，所以称之为“总”线。由于用途不同，这些电线有了各种各样的名字，如地址总线、数据总线、ISA总线等等。总之，不要被总线这个词吓到，它其实就是电线。

以上都是接口的硬件部分，咱们最终是要通过软件方式使用这些硬件，下面看看咱们为了驱动这些硬件要做什么。

IO接口在诞生之初，就被设计成要通过寄存器的方式同cpu通讯，其内部有专用于数据交互的寄存器，只不过这里所说的这些寄存器是位于IO接口中，为了区别于cpu内部的寄存器，IO接口中的寄存器就称为端口（这可不是网络应用程序所开的那种端口，如网络服务器会启动80端口，这是两码事）。

IO接口是连接cpu和硬件的桥梁，一端是cpu，另一端是硬件。端口是IO接口开放给cpu的接口，一般的IO接口都有一组端口，每个端口都有自己的用途，甚至有时，一个端口在不同情况下有不同的用途。可见IO接口另一端的硬件，相对来说还是很复杂的，所以，当看到某个IO接口上那么多端口的介绍而烦乱时，停止抱怨，IO接口已经为咱们极大的简化了操作。

端口也是寄存器，寄存器就有数据宽度，有8位、16、32位，各个设备是不一样的，看厂商自己安排了。

如何访问到端口呢，外设中的rom既然可以通过内存映射来访问，端口也可以，确实有些微机系统中是这样做的，把一些内存地址做为端口的映射，访问这些内存地址就相当于访问了这些端口。还有一些微机系统把端口独立编址，把所有端口从0开始编号，位于一个IO接口上的所有端口号都是连续的。以后讲解硬盘的时候大家就会看到了。

IA32体系系统中，因为用于存储端口号的寄存器是16位的，所以最大有65536个端口，即0~65535。

要是通过内存映射，端口就可以用mov指令来操作。但由于用的是独立编址，所以就不能把它当作内存来操作，因些cpu提供了专门的指令来干这事，in和out。

Intel汇编语言的形式是：操作码目的操作数，源操作数。Intel采用这种格式的原因可能是觉得这样表达“目的操作数”=“源操作数”更形象，如同a=6这种形式。

in指令用于从端口中读取数据，其一般形式是:

1.in al, dx
2.in ax, dx

其中al和ax用来存储从端口获取的数据，dx是指端口号。

这是固定用法，只要用in指令，源操作数（端口号）必须是dx，而目的操作数是用al还是ax，取决于dx端口指代的寄存器是8位宽度还是16位宽度。

out指令用于往端口中写数据，其一般形式是：

out dx, al
out dx,ax
out 立即数, al
out立即数,ax

注意啦，这和in指令相反，in指令的源操作数是端口号，而out指令中的目的操作数是端口号。

如果上面看着有点凌乱，给大家总结一下in和out指令共性：

在以上两个指令中，dx只做端口号之用，无论其是源操作数或目的操作数。
in指令是从端口读数据，可以认为端口是数据源，所以端口出现在“源操作数”的位置。读出来的数据要有个“目的地”来存放，所以in指令中存放数据的地方出现在“目的操作数”位置。
out指令是把数据写入端口指向的寄存器，在这里，端口是数据的“目的地”，所以端口出现在目的操作数的位置。待写入的数据总该有个“来源”，所以out指令中的“源操作数”是数据来源。
在以上的两个指令中，端口号和数据的位置，是取决于它们各自的角色是源操作数还是目的操作数。
在以上两个指令的两个操作数中，无论是对于源操作数还是目的操作数。除端口号外，那个做为数据的操作数（in指令中做为数据目的地，out指令中做为数据源），一律用al寄存器存储8位宽度的数据，用ax寄存器存储16位宽度的数据，至于用al还是ax存数据，是要看端口指向的寄存器宽度是多少，它要和端口寄存器的位宽保持一致，不能丢失数据精度。
in指令中，端口号只能用dx寄存器。
out指令中，可以选用dx寄存器或立即数充当端口号。

真心希望大家看完后不会更乱了^_^。

好啦，有了这些硬件相关的知识，对以后我们操作其它硬件来说足够了，我们不需要学习的多全，够用就好。还是那句话，以后用到哪再学不迟，大家辛苦了。

【再续】

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