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核心与外部设备间接口

微机原理 彭东稳 6963次浏览 已收录 0个评论

在对计算机核心部分的工作原理有了相当的认识之后,我们在应该知道一台计算机仅仅有中央处理器和内存是不够的,它当然能够运转起来,但并没有什么大用。如果按照老式的方法,你得用开关把程序指令一条一条地写入存储器,而早期确实是这么干的。如果让计算机很好地为我们所用那就不得不说说输入和输出设备了。

专业地说,输入输出设备又称为I/O设备,这是因为“输入”和“输出”分别对应于英语单词“Input”和“Output”。它们位于计算机的核心之外,所以也是外部设备如:键盘、鼠标、显示器、网卡、声卡、扬声器、打印机、投影仪、USB设备等等,都是我们经常使用到的外部设备。而计算机也是因为这些外部设备而变得多彩。当然这些外部设备能够正常工作起来除了需要CPU运算之外还需要其他各个领域的技术结合来完成;因CPU只能处理二进制数据,只知道根据指令把二进制数搬过来移过去,然后算一下。所以我们需要单独的、专门的电路来完成其他工作。

I/O接口

现在计算机主机箱的核心部分是一块电路板,通常称为主板,这里是计算机内部所有零件的大本营。主板上会有中央处理,风扇,南桥北桥,内存条,有些是伺候CPU和内存的比如电阻,电容,振荡器,各种控制芯片等等,其余的一部分东西都是为连接外部设备而存在的。而这些外部设备有些并不是为了计算机而存在的,甚至可能在制造的时候就没有想过有一天会连到计算机上。所以就会存在插头规格不统一的情况。

 

而插头只是一方面,另一个更麻烦的问题在于插头里的信号。如流过话筒插头的是快速变化的声音电流。流过视频插头的是图像的色彩信号和同步信号(这决定了图像如何显示在屏幕上);流过打印机插头的是即将出现在纸上的字符。在这些信号里,有些是模拟的,有些是数字的,但是计算机只能处理二进制。所以就有模拟信号转换数字信号的问题。还有另外一些问题,比如信号的编码和解码,要是你想用计算机来录像,那么你不但要考虑插头和模拟转数字问题。还必须做一些传统上只有电视机才能做的工作,那就是将视频信号中的各种要素分离出来。感觉挺难的是吧,没办法,外部设备那么多,但计算机只按照自己那一套方式行事。
现代主板结构
核心与外部设备间接口

这是现代标准主板卡,几乎是现代计算机都会用到的接口卡,所以生产商就生产时就会集成到一起,比如,用来录制或者播放声音的电路板,称为“声卡”;用来连接到网络的电路板,称为“网卡”;用来录制或者播放视频的电路板,称为“视频卡”或者“视频采集卡”。还有为了把内存中的二进制数据变成图像的卡,称为“显卡”。这些设备就不需要在单独购买。既然有集成当然也有独立了,像主板集成的串口、网卡接口、声卡接口、以及显卡都是满足于普通用户的。也可以购买独立的连接到主板提供的PCI扩展插槽上以获得更好的性能。
但是不管什么卡,它们都只是一块电路板;如图
核心与外部设备间接口

根据外部设备的不同,接口卡的电路结构也是不一样的。毕竟,它只是为连接到某种类型的设备而定制的。

I/O端口

我们也知道中央处理器只和内存打交道,从内存中取一个数或者把一个数写入内存。但它怎样才能得到从外部设备来的数据呢,毕竟它和内存不是一伙儿的。千万不要说使用开关手工把它放到内存里,这也太折磨人了。

    

为了在外部设备和计算机核心之间传送数据,需要再这两者之间连线,并构造逻辑电路。在逻辑电路里,有一些寄存器,称之为I/O端口。当中央处理器有话要对外部设备说时,就把数据放在端口上,由后者取走;当外部设备也有话要跟CPU说时,也照此办理。而端口就是外部设备和中央处理器之间交互的认证方式。而CPU怎么识别端口那就需要为CPU增加专门的指令集,用于访问I/O端口。比如in ra 61的意思就是从61号端口把数据读入RA寄存器。而out 62, ra则表示把RA寄存器中的数写入62号端口。

    

好比键盘设备,与所有的I/O设备一样,键盘和主板上的I/O接口电路相连。在哪来,键盘控制器与键盘互相通信,接收键盘上来的按键,将他们的二进制代码保存在端口寄存器中,等待CPU取走。当然,它也会事先发出中断信号给CPU。需要说明的是键盘属于字符设备按键的二进制代码是以串行的方式送进主机的。也就是说,它把代表每个按键的二进制代码拆开,一个比特一个比特地送进主板上的键盘I/O接口。在哪里这些分散的比特将会重新组装起来。

 

CPU不认识键盘———实际上它谁也不认识,真正需要键盘的是正在运行的程序指令。对于用户来说,恰恰是因为屏幕上显示一个窗口,需要输入什么东西,这个时候我们才会按下一个按键。而与此同时,显示这个窗口的程序也正在等着你的按键,一旦它发现你按下了一个键,就会将其取走。如果在你按下键盘的时候没有任何程序将它取走,键盘接口电路就会丢掉新来的按键代码,并发出警报。这就是为什么有时候在按下键盘时会听到“嘟嘟”声。

 

在这种方案里,处理器发出的地址和数据既送到内存,也送到每一个I/O端口。但是,CPU有专门的控制线和逻辑门来通知由谁接收这些东西——是内存单元还是端口寄存器。

中断和直接存储器访问

计算机的核心与I/O接口相连,I/O接口又与外部设备相连。为了和这些外部设备打交道,计算机内部必须运行程序指令。而程序员知道该如何使用这些设备,知道该通过哪些端口,并在这些端口上放些什么才能使设备工作。

 

比如说声明,一个典型的I/O接口,在外面它与麦克风和扬声器通信,最后这两样都是模拟设备。声卡的工作时将麦克风的音频电流数字化,或者将连续不断的数字模拟化,并驱动扬声器。而对于程序员来说,声卡使用的端口号,以及每个端口的用处,它们是清楚的。所以他们会编写使用声卡的程序,指示声卡做下面的工作:设置采样率、开始录音、停止录音、传送声音数据、播放、停止、增加或减少音量、设置回声等等,这些都是通过端口发给声卡的命令。

 

实际上现代I/O接口、也就是电路板都是非常智能的;如声卡电路板有自己的微处理器,可以执行与设备相关的程序指令,这些指令都已经固化在只读存储器中。一旦它通过端口知道计算机让它录音,它就打开话筒的输入线路,因为话筒的输入信号通常十分微弱。所有要先进行放大,然后进行模拟到数字的采样和转换。通常情况下,采样的速度很快,可能来不及通过端口发送出去,所以要先保存到它自己的存储器里。如图声卡的基本组成。
核心与外部设备间接口

看起来一切皆好。但是这里面还有两个问题。首先,当声卡开始录音的时候,它会把代表声音的二进制数据放到约定好的端口上,这意味着,比如你在97号端口写了数据,还应该在98号端口写另一个数据—-这是一个标志,如果CPU98号端口,看到了这个标志(通常这是约定好的),就知道97号端口上的数据是有意放置的。为了取得这些数据,CPU需要运行程序员编写的指令,不停滴监视98号端口,直到发现那个特殊的二进制数字。这样,它从97号端口取得数据,并清除98号端口中的标志,然后对取得的数据进行处理。处理完成后,它会跳转到前面,接着监控端口的状态,直到发现最新的数据出现。

 

这意味着,我们一旦开始录音,或者播放一首歌曲,除非将这些事情做完,否则的话,在这个过程中,我们将无法做别的任务。这当然是不可忍受的,于是工程师们就发明了中断技术interrupt。比如当网卡有数据需要传送的时候,就会给CPU发送一个中断信号,告诉它有新的数据产生了。不管CPU多忙一旦有外部请求过来了;CPU必须立刻中断正在执行的程序去接收网卡传来的数据并处理,完了呢,再去处理刚刚中断的任务。这个也称为保护/恢复现场(CPU中断当前程序并把下一条指令的地址,连同各个寄存器的内容都临时保存起来。然后,它响应中断跳到另一个程序那里接着执行,当把新的请求接近任务队列之后,再去把刚刚保存的任务恢复过来继续执行,因为单核CPU同一时间只能处理一件事情)。

 

为了获得中断的益处,需要再I/O接口和中央处理器之间架设专门的线路,用来传送终端信号。试想一下当计算机中断请求时CPU怎么知道是声卡还是网卡、这就需要一个控制芯片在计算机内部有一个芯片叫可编程中断控制器PIC(此芯片以前是独立的随着技术的发展现已集成到南桥芯片中了)CPU的针脚是相连的也是处理器跟外设备之间的中断处理桥梁、这个设备上有多根线每一根线表示一种设备(第一根表示键盘、第二根表示鼠标等)。如果某一个事件是在第一根线上发生的CPU就会知道这是键盘、因此CPU结合此芯片就可以判断到底是哪个设备发出的信号、但我们知道硬件设备的线路到底能有多宽总是有限的所以我们也可以在一根线上标识各种硬件设备这时就需要用到中断向量(还有中断向量表)。

对于现代计算机来说,中断时无时不有的,在你一眨眼的功夫,差不多就发生了无数的中断,比如键盘上的某个按键被按下,鼠标又动了一下,如此,等等。别的不说,光是计算机内部的那个钟表,它每隔55毫秒左右就要像CPU发送中断信号。中断也是计算机中最早采用的技术之一。

 

对于I/O设备来说,不管做什么,数据都要通过CPU内部的寄存器中转,从内存到寄存器,再到外部端口,或者反过来,尽管CPU的速度很快,但当它不得不面对行动迟缓的外部设备时,就慢了下来。在这种情况下,I/O接口应该拥有自己的本地存储器,既然来不及把数据传送到计算机核心哪里,那就先放在自己旁边。到了一定时候,它再启动一个存储器到存储器之间的直接传送、称为直接存储器访问。

 

直接存储器访问简称DMA,是现代计算机另一个引人注目的工作机制。当DMA传送开始的时候,所有无关的部件都被进制出声,让出地址总线和数据总线供外部设备与内存交换数据。在传统的端口工作方式下,程序员编写的指令控制着一切,包括从I/O接口那里取来的数据放在内存的什么地方。即使是采用DMA传送,源数据在哪里,数据传送到什么地方,什么时候开始传送,也必须是在程序的控制之下进行,唯一不同的只是速度。


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