老師課件2018版l16-1io接口

1、接口基礎(chǔ)知識1計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU5 內(nèi)存控制器(MC)集成顯卡5 (主板)系統(tǒng)SATA、音頻PCI-E/PCI總線控制器SATA 音頻USB(控 制器)系統(tǒng)串(控 制器 )32位PCI總線USB2.0/3.0串口/并口定時器、中斷控制器并(控 制器 )千兆PCI、PCI-E(主板)網(wǎng)卡顯卡口口設(shè)備：信息傳輸?shù)耐ǖ繡PU：信息處理5 內(nèi)存：程序/數(shù)據(jù)設(shè)備：輸入輸出5 SATA 音頻USB(控 制器 )系統(tǒng)設(shè)備：CPU與外界交換的通道串(控制器)并(控 制器 )信息從設(shè)備輸入信息通過設(shè)備輸出千兆PCI、PCI-E顯卡口口計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的一般抽象結(jié)構(gòu)CPU主存系統(tǒng)橋/總線主存各類設(shè)備：磁盤/U盤/

2、系統(tǒng)總線總線控制器Q：設(shè)備能直接與主機(jī)連接嗎？Q：程序如何。這些設(shè)備？設(shè)備與主機(jī)相連需要解決的問題硬件目標(biāo)：CPU與外設(shè)(被控對象)在硬件上連接一個有機(jī)整體方法：I/0接口電路(接口、接口控制器)軟件目標(biāo)：控制設(shè)備工作方式，完成信息傳送方法：接口控制程序(或驅(qū)動程序)接術(shù)=硬件+軟件需要回答的問題Q：設(shè)備如何接入計算機(jī)？A：接口控制器(或接口電路，簡稱接口)Q：接口控制器呈現(xiàn)給軟件何種界面？A：接口控制器中的寄存器(或器)Q：程序如何接口控制器？到CPU地址空間的接口控制器的寄存器A：讀寫Q：如何在CPU地址空間中分配地址？A：每個設(shè)備占據(jù)地址空間中不的區(qū)域Q：接口控制器如何判斷程序是否讀寫自

3、身？A：對當(dāng)前總線地址進(jìn)行譯碼問題1設(shè)備如何接入計算機(jī)？實例1：硬盤SATA硬盤接口控制器SATA總線接口磁盤接口盤體(盤片/磁頭/電機(jī))=+實例2：U盤USB接口控制器USB總線接口FLASH器接口大容量FLASH器FLASH器U盤接口控制器設(shè)備通過接口控制器與主機(jī)連接設(shè)備實際上包括兩部分接口控制器（也稱為接口設(shè)備主體）設(shè)備主體不直接與主機(jī)連接，而是通過接口控制器與主機(jī)連接為什么設(shè)備必須通過接口控制器與主機(jī)相連？速率不匹配el i7 四核 3.2GHz主機(jī)：鍵盤：100Hz協(xié)議及時序不匹配主機(jī)：FSB、PCI-E、PCI硬盤：SATA WLAN：802.11a/b/g數(shù)據(jù)格式不匹配主機(jī)：32

4、位/16位/8位，Bps（byte per second）網(wǎng)絡(luò)：1位，bps（bit per second）信號電平不匹配主機(jī)：TTL、CMOS、。電機(jī)：24V接口控制器的功能1/2地址譯碼接受CPU編程設(shè)置模式、控制過程、查詢狀態(tài)緩沖(或緩存)數(shù)據(jù)解決CPU與設(shè)備間速度不匹配的時序控制匹配主機(jī)端總線工作要求匹配設(shè)備端信號工作要求接口控制器的功能2/2與設(shè)備主體交換數(shù)據(jù)信號變換功能信號電平、邏輯極性中斷管理功能以中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，降低CPU無效開銷原因數(shù)據(jù)接收/發(fā)送過程必然涉及設(shè)備狀態(tài)檢查與判斷CPU工作頻率極高。相對于設(shè)備一次數(shù)據(jù)傳輸時間， CPU能夠執(zhí)行大量指令接口控制器的基本組成總

5、線接口邏輯地址譯碼時序控制總線驅(qū)動寄存器組（或內(nèi)部器）寄存器組：數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制器：緩沖區(qū)、隊列等設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸控制與特定設(shè)備的傳輸協(xié)議相關(guān)總線-接口控制器-設(shè)備接口邏輯、寄存器組是必須具備的器是可選的主要用途：增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸性能不同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸控制差異極大地址數(shù)據(jù)主機(jī)總線數(shù)據(jù)控制控制狀態(tài)設(shè)備主體接口控制器寄存器組接口邏輯數(shù)據(jù)地址譯碼狀態(tài)時序控制控制總線驅(qū)動器FIFO SRAM數(shù)據(jù) 傳輸控制接口控制器與總線間的接口信息標(biāo)準(zhǔn)總線接口主機(jī)內(nèi)部總線：PCI-E、PCI主機(jī)擴(kuò)展總線：USB、1394主機(jī)內(nèi)部總線地址信號數(shù)據(jù)信號控制信號接口控制器與設(shè)備間的接口信息數(shù)據(jù)信息數(shù)字量、模擬量狀態(tài)信息反映設(shè)備

6、當(dāng)前工作狀態(tài)（輸入是否就緒，輸出是否空閑）通常狀態(tài)寄存器(SR)上述信息控制信息按照預(yù)定工作時序工作，完成控制器設(shè)備間數(shù)據(jù)交互問題2接控制器呈現(xiàn)給計算機(jī)何種界面？口舉例：調(diào)節(jié)顯示器例如通過顯卡控制LCDR分辨率：調(diào)節(jié)分辨率R色彩：調(diào)節(jié)色彩寄存器：主機(jī)與設(shè)備的交互界面從信息處理的角度：主機(jī) = 程序，即指令序列指令的基礎(chǔ)功能是讀寫某個單元接口控制器的寄存器具備可讀可寫特性部分設(shè)備包括器。如顯卡的幀緩存問題3程序中如何接控制器？口通過例子認(rèn)識程序員的視圖Q：0 x80000000是什么Q：地址對應(yīng)的是什么A1：某個內(nèi)存單元A2：顯卡某個寄存器CPU必須通過地址內(nèi)存(或設(shè)備)？ unsigned*p

7、 ;？p = (unsigned*) 0 x80000000 ;*p = 0 xABCDEF12 ;程序通過對某個地址設(shè)備CPU取指令及讀寫操作均需要給出地址從程序員角度出發(fā)，地址 = 主存單元地址是CPU要主存單元的唯一當(dāng)CPU發(fā)出某個地址，意味著CPU要讀寫對應(yīng)主存單元與主存類似，設(shè)備也必須擁有相應(yīng)的地址問題4如何在CPU地址空間中分配地址？實例 NVIDIA GTX280 顯卡資源 內(nèi)存范圍：F6000000 F6 內(nèi)存范圍：E0000000 E 內(nèi)存范圍：F4000000 F5F PS/2鍵盤輸入/輸出范圍：0060 0060輸入/輸出范圍：0064 0064通訊端口(COM1) 串口

8、輸入/輸出范圍：03F8 03FF地址圖地址圖：將CPU地址空間劃分為若干區(qū)域區(qū)域 部件主存：大量的地址范圍顯存：較大的地址范圍串口：極少的地址范圍地址分配基本原則：任意兩個部件的地址范圍不能地址圖4GB地址空間F_Fh2MB High BIOSFFDF_FhPCI設(shè)備空間設(shè)備空間PCI-E x16D5FF_Fh32MB顯存400_0000h顯卡2GBDDR2內(nèi)存控制器C000_0000h B_FF1GB(未安裝器)USB(連接器)1394(連接器)串口(連接器)SATA 音頻內(nèi)存空間I/O控制器PCI-E x12GB內(nèi)存并口(連接器)0010000F_0h FhPCIDOS保留區(qū)域0000_

9、0000h1GB3GB設(shè)備地址的具體內(nèi)容Q：設(shè)備中哪些組成要素需要分配地址？A：寄存器組器，如FIFO、某些設(shè)備也包括隸屬于接口的幀緩存設(shè)備編址的分類兩大類設(shè)備編址方式器獨(dú)立編址編址編址(Memory Map)器基本方法將設(shè)備的寄存器（或器）視為主存單元，并分配地址與主存單元一起在CPU地址空間分配地址特點(diǎn)系統(tǒng)中只有一個尋址空間，即內(nèi)存尋址空間CPU所有的操作類指令均可應(yīng)用于設(shè)備視圖單一，模型簡單獨(dú)立編址CPU有兩個地址空間：器空間、I/O空間的I/O類指令(IN，OUT)除類指令外，有必須設(shè)置特殊信號來區(qū)分當(dāng)前地址是訪內(nèi)存單元I/O端口(80 x86 CPU：M/IO信號)還是1MB內(nèi)存空間

10、：64KI/O空間：早期x86處理器地址空間模型I/O端口內(nèi)存單元編址 vs 獨(dú)立編址編址：器器模型簡單，軟件可移植性好由于地址圖略大，系統(tǒng)譯碼略微復(fù)雜些。但對于現(xiàn)代IC技術(shù)來說不是問題主流編址方式(C、MIPS )X86也采用。保留獨(dú)立編址的是為了兼容問題5接口控制器如何判斷程序是否讀寫自身？地址譯碼判斷是否是某個特定地址假設(shè)8位地址：A =?= 25h判斷是否屬于某個特定區(qū)域假設(shè)8位地址：A 20h28h地址譯碼：與特定地址比較判斷A =?= 25hA = A7，A6，A0；25h = 0010_0101bCS=!A7!A3&!A6A2&A5!A1&!A4A0&A7 A6 A5 A4 A3

11、 A2 A1A0CS&地址譯碼：與特定區(qū)域比較判斷A 28h2Fh由于是判斷是否屬于屬于某個區(qū)域，不需要判斷具體是哪8個單元(28h2Fh)，因此A2、A1、A0三位地址無需考慮址(Base)+偏移范圍(Offset)推廣到一般：地址譯碼主要是比較Base部分offset：用于內(nèi)部尋址地址區(qū)間28h2Fh址：28h偏移范圍：07，共計8個單元地址譯碼：與特定區(qū)域比較A 28h2Fh，base = 28h=0010_1000b由于最低3位地址不參與比較，因此base =0010_1b判斷A 28h2Fh A7:3 =?= 0_0101bCS=!A7&!A6&A5&!A4&A3例2：地址譯碼(與特

12、定區(qū)域比較)Q：判斷A C0hDFhS1：分析起始地址起始地址：1100_0000b結(jié)束地址：1101_1111bS2：確定不變地址位A7，A6，A5 (注意：偏移區(qū)域是滿的)base = 110 x_xb判斷A C0hDFh A7:5 =?= 110bCS=A7&A6&!A5例3：地址譯碼(與特定區(qū)域比較)Q：判斷A C0hD7h起始地址：1100_0000b結(jié)束地址：1101_0111b問題：偏移區(qū)域不是滿的！A7，A6，A5：不變；A4變；A3：不變方法：拆分區(qū)域為若干滿偏移區(qū)域等價于判斷 A C0hCFh | A D0hD7hCS=A7A7 A7& &A6A6 A6& &!A5!A5!

13、A5& &!A4 |A4 & !A3CS=(!A4|A4&!A3)1GB3GB示例：程序?qū)戯@卡寄存器過程分解假設(shè)R分辨率的地址是4GB地址空間D500_0000hF_FhFFDF_Fh通過編程R分辨率設(shè)置分辨率D5FF_Fh1：800 * 600D400_0000h2：1024 * 768C000_0000hBFh0010_0000h000F_Fh0000_0000h2MB High BIOS設(shè)備空間內(nèi)存空間PCI設(shè)備空間32MB顯存1GB(未安裝器)2GB內(nèi)存DOS保留區(qū)域unsigned*p ;p = (unsigned*) 0 xD5000000 ;*p = 0 x00000002 ;_

14、程序讀寫顯卡寄存器過程分解S1：取指令CPU輸出地址，主存返回數(shù)據(jù)(實際為指令)S2：譯碼S3：取操作數(shù)操作數(shù)在寄存器中S4：ALU運(yùn)算似乎沒有需要運(yùn)算的環(huán)節(jié)S5：寫顯卡寄存器CPU輸出地址及數(shù)據(jù)設(shè)備響應(yīng)寫入操作CPUCPU產(chǎn)生CPU的寫周期地址總線：0 xD5000000數(shù)據(jù)總線：0 x00000002控制總線：R/W#為L總線控制器主存系統(tǒng)總線地址 = D500_0000數(shù)據(jù) = 0000_0002總線控制器響應(yīng)CPU總線寫周期查看地址圖本質(zhì)上也是譯碼產(chǎn)生系統(tǒng)總線寫周期總線控制器主存地址總線：0 xD5000000數(shù)據(jù)總線：0 x00000002控制總線：R/W#為L系統(tǒng)總線地址 = D500_0000數(shù)據(jù) = 0000_0002顯卡假設(shè)顯卡已經(jīng)知道自己的地址范圍