10.2 输入输出接口的编址方式

Posted 2021-01-10 doctorx

计算机组成

10 输入输出设备

10.2 输入输出接口的编址方式

CPU的运算能力很强，但它与外界沟通交流的手段却非常地单一。它总是希望有这样“我给你一个地址，你就给我一个数据”非常直白的沟通方法。所以，它平时也只能和存储器这样胸怀宽广，但是同样头脑简单的家伙在一起玩了。然而现在它需要面对外界那么多的朋友，各个都非常复杂，有时还经常捣些乱，那它恐怕就应付不了了。所以，它就找了I/O接口这样的帮手帮它打理外部的世界，而它呢还是希望能够用一个简单的方式和I/O接口进行交互和沟通。所以，我们就来看一看CPU是怎么和I/O进行沟通的。

这是I/O接口在计算机系统当中的位置。和访问存储器中的单元一样，我们想要CPU访问I/O接口当中的这些寄存器，也是需要通过编写指令来实现。那问题就是，I/O接口里面的这些寄存器的地址究竟是什么？

我们先来看几个基本概念，在系统当中通常会有多个I/O接口，每个I/O接口内部都有若干个寄存器。这些寄存器一般被称为I/O端口，我们不要被这个词的字面意义所迷惑，这个端口指的并不是我们计算机上的USB接口、网线接口这样实实在在的接口，而是一个抽象的概念，它实际上指的就是这些在I/O接口芯片内部的寄存器，它们就像在存储器当中的一个个存储单元一样，CPU要访问它们，就得有特定的地址。因此，每个寄存器，也就是每个I/O端口都需要有自己的地址，这称为端口地址，也叫做端口号。

那在计算机系统中，如何去设定这些端口号，就称为I/O端口的编址方式。

常见的I/O端口编址方式有两种：第一种是I/O端口和存储器分开编址，又被称为I/O映像的方式。x86体系结构就采用了这种方式。另一种常见的方式是I/O端口和存储器统一编址，又称为存储器映像的I/O方式。ARM、MIPS、PowerPC等体系结构都采用了这样的方式。

那我们先来看分开编址的方式。我们假设这个体系结构地址的宽度为3，它一共可以访问的地址单元就是2的三次方，总共8个，如果每个单元是一个字节，那它的存储器最大就是8个字节。然后我们需要在这个计算机系统当中增加一些I/O端口，I/O端口的地址是重新编排的，和存储器地址无关。一般情况下，我们需要的I/O端口的数量都比存储器单元要少得多，比如在这个示例的系统当中，我们需要四个I/O端口，那我们就给它分配四个端口号，0、1、2、3。这样的编址方式就称为分开编址。

在这种编址方式下，要访问I/O端口需要用特殊的指令。

x86提供了IN和OUT这两条指令。IN指令用于把I/O端口的内容输入到CPU当中的寄存器，而OUT指令则是把CPU寄存器当中的内容输出到I/O端口中。

那我们来看一看IN和OUT指令应该如何书写。

如果要访问的端口地址在0到255之间，那可以采用两种方式。一是叫直接寻址，也就是写一个立即数指定端口地址。例如 in al,80H 这条指令，这个80H就是一个端口号；那 out 80H,al 这条指令说的是从80H这个端口读出一个字节的内容，并存放到AL寄存器当中去；而 in ax,80H 这条指令则是说，将AX当中的两个字节的内容，传送到80H所指定的I/O端口中，当然这个I/O端口对应的应该是一个两字节的寄存器。

而如果端口地址大于255，则需要将这个地址先保存到DX寄存器当中，然后再执行IN和OUT的操作。我们也来看一个例子，假如我们要访问第288号端口，这时候就需要先把这个端口号存到DX寄存器当中（mov dx,288），然后在IN和OUT指令当中，使用DX寄存器来指定端口号。这样就是对288号端口地址进行操作。当然，对于端口地址在0到255之间的，也可以使用间接寻址的方式，那么x86为什么要设定这两种方式呢？主要还是为了指令的长度。我们看到在直接寻址的情况下，我们需要有一个字节的操作码，还需要有一个字节保存这个端口号，那么一个字节所能表达的范围就是0到255，如果端口地址大于255，那原本就需要再增加一个字节来记录端口号，但这样指令就太长了。为了缩短指令长度，宁可多增加一个指令，这也是CISC的特点。

所以，对于间接寻址，有另外一个操作码，这条指令只有一个字节，既没有立即数，也没有寄存器的编号。所以，它是默认地采用DX寄存器来保存端口地址。这样在访问更大的端口地址时，指令的长度反而可以更短一些。这里就有一个问题，既然用这个方式能访问的地址范围更大，指令长度还更短，那我们为什么不只用这一种方式呢？还需要去用直接寻址这样的方式？这个问题就留给你自己思考。

那我们再通过一个例子来看一看这样的指令的操作过程。out 21H,al 这条指令是把AL寄存器当中的一个字节，传送到21H这个端口号。当CPU从存储器当中取回了这条指令，通过译码发现是一条OUT指令，它就会将AL寄存器当中的内容取出来，放到数据总线上，并将21H放到地址总线上。这时候系统总线应该怎么办呢？我们不妨把系统总线看成城市中的一条街道，而把系统总线所连接的存储器I/O接口看成街道两旁的一些建筑，每个建筑里面还有很多个单位，每个单位都有一个门牌号。现在就好像有一个快递员接收了一个任务，要把一个包裹送到21H这个地址。于是他就在这个街道上走，查看着每个大楼的门牌号，然后他发现，这两个存储器地址范围，一个是从0到7FFF； 一个是从80000到5个F。那么在存储器1当中，实际上是包含了21H这个地址的，但他接着再看，这个I/O接口1当中的地址是00到1F；而I/O接口2当中的地址是20到3F；I/O接口3的地址是40到5F。所以，在I/O接口2当中，也包含了21H这个地址。这个包裹应该送到哪儿呢？所以单凭这个地址，系统总线是无法判定要访问哪个设备的。因此，CPU发出的信号中，除了地址，还应该有一个别的信号，这个信号指明了当天要访问的是存储器还是I/O接口。

在x86的CPU当中，这个信号叫做M/IO。当这个信号为0的时候，表明当前在访问I/O接口；而这个信号为1的时候，表明在访问存储器。这样系统总线就知道该怎么办了，它会在所有的I/O接口当中，寻找这个地址（21H）所对应的端口，这就发现是在I/O接口2中。所以，系统总线会把这个传输传到I/O接口2。I/O接口2可能是一个独立的芯片，当它在系统总线上采样到这个地址和一个数据之后，就会在内部找到对应的端口号。我们要注意的一点是，这些I/O接口内部一般只有少数几个端口。所以，它只会采样地址的低几位，然后用这个低位在内部进行索引。在这个例子当中，21H的这个2 是系统总线用来找到这个I/O接口2的，而这个I/O接口2只用接收到地址21H的低位这个1，然后在内部找到对应的端口就可以了。最后这个I/O接口将从数据总线上采样到数据，也就是AL寄存器当中的内容，保存到它内部的数据输出寄存器中，这就完成了这条OUT指令所需的操作。至于这个数据输出寄存器它外面是连接到了几个小灯泡，还是一个数码管，那就是这个I/O接口和外设的连接情况了。

然后我们再来看一看I/O端口和存储器统一编址的情况。

还是假设地址宽度为3，那我们在这个统一编址的体系结构当中，总共就只有8个单元。然后根据需要，其中有一部分用来作为I/O端口的地址，其他部分用来作为存储单元的地址。

那我们之前介绍的模型机就采用了统一编址的方式，它的地址总线宽度为4位，这样一共就有16个单元。而存储器当中用了的地址是0到7（0000～0111），一共8个单元。而输入、输出设备则用了15和16（1110和1111）这两个地址。另外还有一些地址在这个系统当中没有使用，那在之后扩展中，可以增加一些存储器或者增加一些输入、输出端口。但是总共只有这16个，是不可以重复的。

当然，因为它是统一编址的。所以，给出任意一个地址，只有唯一的一个单元与之对应。所以，也就不需要刚才x86当中使用的M/IO这样的信号来指定当前的地址到底是I/O地址还是存储器地址。

那我们来看一看统一编址方式的优缺点。

首先来看优点。因为在统一编址的情况下，是不区分存储器地址和I/O端口地址的。所以，我们就可以直接用访问存储器的指令来访问I/O端口。而访问存储器的指令功能通常比较丰富，比如数据可以有各种的宽度，地址也有多种的产生方式，可以是立即数，可以是寄存器，也可以是寄存器加立即数，甚至还可以放在存储器当中。所以，这样就比较方便对I/O端口进行处理。另外，如果要设计单独的I/O操作的指令，无论它做得怎么简单，也是需要额外的一套硬件逻辑，而采用统一编址的方式，CPU中只需要有一套对外部总线的控制逻辑就可以了，内部结构简单，对外的引脚数目也会少一些。

但是统一编址也有它的缺点，由于I/O端口占用了一部分地址空间，从而使用于存储器的地址空间变小了。这个问题对于早期的处理器影响还是非常大的，我们想一想，x86的早期只有16位宽的地址，按说只能访问64KB的存储器，它为了有更多的存储器空间，还设计了一个非常复杂的段加偏移的方式才能访问一兆的地址空间。如果在这个时候还要为了I/O端口占用了一部分地址空间，那就很难接受了，这也是x86选用了分开编址方式的一个重要原因。而当CPU的字长到了32位之后，在很长一段时间，地址空间都不是一个问题。所以，那个时候直接从32位起步的MIPS就采用了统一编址的方式。当然现在到了64位之后，物理的存储器远远用不了这么大的地址空间。所以，地址空间被挤占这个因素现在已经不成问题了。另外，如果要用访问存储器的指令来进行I/O操作，那这些指令往往比单独设计的I/O指令要长，而且因为这些指令比较复杂，执行的时间可能也会长一些。这也是RISC为什么普遍采用了统一编址方式的原因。因为RISC的指令都是固定长度的，所以即使设计单独的I/O指令，也不会比普通的访存指令更短一些，而x86这样的CISC采用了变长的指令。所以，就可以设计出更短的专门用于I/O的指令，从而提高指令的密度。

那么了解了统一编址的特点，分开编址的特点，我们也就清楚了，他们的优缺点刚好是相对的。在分开编址的情况下，I/O端口不会挤占存储器的地址空间；而且因为设计了单独的I/O指令，它的指令编码可以做得很短，执行速度也比较快；而I/O地址空间一般是远远小于存储器地址空间的，所以独立的I/O指令可以使用较短的地址编码，从而让地址译码变得更为方便。另外，从软件编程的角度来看，有了单独的IN和OUT指令，可以很清晰地看出哪些是I/O操作，哪些是存储器操作，让程序的结构变得清晰易懂。而分开编址的缺点，我们刚才也都已经说完了，就不再重复了。

现在CPU可以用它习惯的方式和I/O接口进行交互，这确实让事情变得简单了很多，但是这并不意味着CPU就可以做甩手掌柜了。其实I/O接口只能帮CPU解决一些沟通交互上的琐碎细节，真正沟通的核心内容还得CPU自己来做。