IO端口和IO内存的区分及联系,两者如何区分就涉及到硬件知识
发布网友
发布时间：2024-10-24 02:08
共1个回答
热心网友
时间：2024-10-27 05:17
IO端口和IO内存的区分与联系，是硬件知识的核心组成部分。在X86体系中，硬件架构设计了两个地址空间：IO空间与内存空间。而RISC指令系统（如ARM、PowerPC等）仅实现一个物理地址空间，即内存空间。内存空间的地址寻址范围通常为2的32次幂，即4G。IO空间则是X86体系特有的，与内存空间完全，32位X86架构拥有K的IO空间。
当寄存器或内存位于IO空间时，它们被称为IO端口。这类端口有时被称作寄存器，或者I/O端口。这类端口可以被映射到内存空间，也可以被映射到IO空间，这取决于硬件设计。
而当寄存器或内存位于内存空间时，它们则被称为IO内存。这标志着这些资源是可用作内存操作的。
在了解了IO端口与IO内存的基本概念后，接下来我们探讨CPU如何对外设IO端口物理地址进行编址。CPU对外设IO端口的编址方式有两种：I/O映射方式与内存映射方式。具体采用哪一种方式，取决于所用CPU的体系结构。
统一编址是RISC指令系统CPU（如PowerPC、m68k、ARM等）采用的模式。在这种模式下，外设I/O端口的物理地址被映射到CPU的单一物理地址空间中，成为内存的一部分。这种方式下，CPU可以如同访问内存单元一样访问外设I/O端口，无需专门的外设I/O指令。这种编址方式也被称为“I/O内存”方式，其中外设寄存器被集成到内存空间（包括外设的内存、缓冲区等）。
编址是X86等架构CPU采用的模式。在这种模式下，外设的I/O端口拥有的地址空间，称为“I/O地址空间”或“I/O端口空间”。这一空间与CPU的RAM物理地址空间相分离，所有外设的I/O端口均在此空间中进行编址。CPU通过设立专门的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（即I/O端口）。编址方式的I/O地址空间通常较小，比如x86 CPU的I/O空间只有KB（0-0xffff）。这种方式是“I/O映射方式”的一个主要缺点。
在现代操作系统中，无论是统一编址还是编址，CPU都需要寻址设备控制器以交换数据。CPU可以请求设备控制器每次提供一个字节的数据，但这会消耗大量CPU时间，因此通常会采用直接内存访问（DMA）方案来提高效率。为了简化，假设CPU通过单一系统总线访问所有设备和内存，该总线连接CPU、内存和I/O设备。
无论是否具备内存映射能力，CPU都需要通过DMA控制器来访问系统总线。DMA控制器包含多个可由CPU读写的寄存器，包括内存地址寄存器、字节计数寄存器和控制寄存器等。控制寄存器指定数据传送的方向（从I/O设备读或写到I/O设备）、传送单位（每次一个字节或一个字）以及一次传送的字节数量。
最后，我们来了解DMA的工作原理。当使用DMA时，CPU通过设置DMA控制器的寄存器进行编程，从而让DMA控制器知道要将数据传输到何处。DMA控制器还需要向磁盘控制器发送命令，通知它从磁盘读取数据到其内部缓冲区并验证无误。当数据位于磁盘控制器的缓冲区中时，DMA控制器即可开始数据传输。
传输过程包括：DMA控制器通过总线发出读请求到磁盘控制器；磁盘控制器根据地址线上显示的内存地址将数据写入内存；DMA控制器在总线上收到应答信号；DMA控制器更新内存地址并减少字节数量，直至字节数量为0。此时，DMA控制器会通知CPU传输完成。在这种模式下，DMA控制器能够处理一次或多次传输，从而提高数据传输效率。
对于不同复杂程度的DMA控制器，它们的内部结构和工作原理也存在差异。例如，一些控制器支持每次一字传输模式和块模式，能够同时处理多个传输请求。此外，DMA控制器可能采用轮询算法或优先级设计来分配处理资源，以确保某些设备获得更多的传输机会。在多设备同时请求传输时，DMA控制器能够通过分辨应答信号来处理多个请求。
总之，IO端口与IO内存的区分与联系，以及CPU对外设IO端口物理地址的编址方式，对于理解硬件设计和系统架构至关重要。DMA技术的引入进一步提高了数据传输效率，为现代操作系统和高性能设备提供了关键支持。
