[置顶] 彻底理解I/O架构

       1个系统要能正确工作，必须要有数据通道（data paths）的机制，软件和硬件系统都概莫能外。对计算机系统而言，必须要有data paths的机制来确保CPU, RAM和I/O装备之间的信息数据能正确的活动。这些data paths,通常被称为总线，是计算机内部主要的通讯通道。

       计算机内部1般有系统总线来连接内部所有的硬件装备。1个典型的系统总线是PCI((Peripheral Component Interconnect)总线。其他类型的用得较多的总线还有ISA,EISA, MCA, SCSI, 和USB。1个计算机有多个不同类型的总线，这些总线由桥（bridge）链接起来。有以下两种高速总线处理到达或出自内存芯片的数据传输：

    （1）前端总线：连接CPU和RAM控制器；

    （2）后端总线：连接CPU和外部硬件装备CACHE.

     主机桥（HostBridge）连接系统总线和前端总线。

     连接I/O装备和CPU的数据通道可统称为I/O总线。外设是为了用来适配1个外设总线而存在的, 并且大部份流行的 I/O 总线成型在个人计算机上。可见，总线的类型影响到I/O装备的内部设计同时影响到Linux内核对它的处理方式。

PC的通用I/O架构以下所示：

      接下来，我将依照从上而下的顺序(即I/O controller--> I/O Interface--->I/O Port)对该图进行点评。

       装备控制器（         I/O Controller）的作用有以下两个：

     （1）解析从I/O Interface接收到的高层次命令，并通过发送时序正确的电信号给I/O装备，I/O装备则根据这些信号去履行相应的动作。

    （2）正确的解析和翻译来自I/O装备的电信号并通过I/O Interface修改相应的I/O 状态寄存器值。（I/O状态寄存器是I/O PORT的1种。）

       I/O Interface是1种硬件电路，插入在I/O Port和相应的装备控制器之间。它充当1个解释器的功能，把I/O Port里的值解析为对应装备的命令或数据。相应的，它也会读取装备的状态值，并更新I/O port里的值。

       有两种类型的interface:

       (1)定制化接口。经常使用的有键盘接口，图形接口，磁盘接口，总线鼠标接口，网络接口等。

       (2)通用接口。常见的有串口，并口，PCMCIA（如硬盘、网卡等）接口，SCSI接口，USB接口等。

为了统1起见，装备的I/O Port也被结构化为1系列专用寄存器：

     （1）控制寄存器；

     （2）状态寄存器；

     （3）输入寄存器；

     （4）输出寄存器。

    示意图以下：

      对CPU而言，如果它要发数据到某个装备，实际上是发到对应的接口(I/O Interface)，接口电路里有多个寄存器（也称为端口，即“I/O PORT”），访问装备实际上是读写这些寄存器，所有的信息会由接口转给它的装备。1般来讲，CPU会根据需要向装备控制寄存器写入需要履行的命令，并会从装备状态寄存器读取装备的内部状态。CPU也会从输入寄存器获得（Featch or pull）字节数据，或向输出寄存器以推送的方式写入(Push)字节数据。

      1个外部装备要想接入系统，就用自己的接口和总线上的某个匹配接口对接。通常会有多个外设，每一个外设的接口电路中，又会有多个端口，每一个端口都需要1个地址，为他们标识1个具体的地址值，是系统必须解决的事，与此同时，你还有个内存条，多是512M或1G或更大的金士顿、现代DDR2之类，他们的每个地址也都需要分配1个标识值，另外，很多外设有自己的内存、缓冲区，就像你的内存条1样，你一样需要为它们分配内存……你的CPU可能需要和它们的每个字节都打交道，所以：别期望偷懒，它们的每寸土地都要计划好！

      为了计划好I/O端口，有两种编址方式：独立编址和统1编址。

       (1)统1编址：

           外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元1样看待，每一个端口占用1个存储单元的地址，将主存的1部份划出来用作IO地址空间，如，在 PDP⑴1中，把最高的4K主存作为IO装备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间，使存储量容量减小。统1编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。

        (2)独立编址（单独编址）：

            IO地址与存储地址分开独立编址，I/0端口地址不占用存储空间的地址范围，这样，在系统中就存在了另外一种与存储地址无关的IO地址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制逻辑。独立编址下，地址总线上过来1个地址，装备不知道是给IO端口的、还是给存储器的，因而处理器通过MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号来实现对I/O端口和存储器的不同寻址。如，intel 80x86就采取单独编址，CPU内存和I/O是1起编址的，就是说内存1部份的地址和I/O地址是堆叠的。独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。

 本文力求通俗易懂，主要参考书籍： Understanding the Linux Kernel