Методы коммуникации ЦП с периферийными устройствами

Введение

Способ связи процессора с устройствами ввода/вывода

Отображение памяти (MMIO) и отображение портов (PMIO) – это два взаимодополняющих метода выполнения ввода/вывода (В/В) между центральным процессором (ЦП) и периферийными устройствами в компьютере (часто осуществляемый через чипсет). Альтернативным подходом является использование выделенных процессоров ввода/вывода, обычно известных как каналы в мэйнфреймах, которые выполняют собственные инструкции. Отображение памяти использует единое адресное пространство для адресации как основной памяти, так и устройств ввода/вывода.

Обзор

Различные методы связи между процессором и устройством, такие как отображение памяти, не влияют на прямой доступ к памяти (DMA) устройства, поскольку DMA, по определению, является методом связи между памятью и устройством, обходящим процессор. Аппаратные прерывания – это еще один метод связи между процессором и периферийными устройствами, однако по ряду причин прерывания всегда рассматриваются отдельно. Прерывание инициируется устройством, в отличие от вышеупомянутых методов, инициируемых процессором. Оно также однонаправленное, поскольку информация передается только от устройства к процессору. Наконец, каждая линия прерывания передает только один бит информации с фиксированным значением, а именно: «в устройстве на этой линии прерывания произошло событие, требующее внимания». Операции ввода-вывода могут замедлить доступ к памяти, если совместно используются адресная и шина данных. Это связано с тем, что периферийные устройства обычно значительно медленнее основной памяти. В некоторых архитектурах портный ввод-вывод (port mapped I/O) работает через выделенную шину ввода-вывода, что смягчает эту проблему. Одним из достоинств отображения памяти в ввод-вывод (memory mapped I/O) является то, что, избавляясь от дополнительной сложности, присущей портному вводу-выводу, процессору требуется меньше внутренней логики, что делает его более дешевым, быстрым, простым в производстве, энергоэффективным и компактным. Это соответствует основным принципам архитектуры с упрощенным набором команд (RISC) и также выгодно для встраиваемых систем. Другое преимущество заключается в том, что поскольку для адресации устройств используются стандартные инструкции памяти, все режимы адресации процессора доступны как для ввода-вывода, так и для памяти. Инструкции, выполняющие операции АЛУ непосредственно над операндом памяти (загрузка операнда из ячейки памяти, сохранение результата в ячейку памяти или и то, и другое), также могут использоваться с регистрами устройств ввода-вывода. В отличие от этого, инструкции портного ввода-вывода часто весьма ограничены, обычно предоставляя лишь простые операции загрузки и сохранения между регистрами процессора и портами ввода-вывода. Например, для добавления константы к регистру устройства с портным отображением потребуется три инструкции: чтение порта в регистр процессора, добавление константы к регистру процессора и запись результата обратно в порт. Поскольку 16-битные процессоры устарели и были заменены 32-битными и 64-битными в общем применении, резервирование диапазонов адресного пространства памяти для ввода-вывода стало менее проблематичным, поскольку адресное пространство процессора обычно намного больше, чем пространство, необходимое для всей памяти и устройств ввода-вывода в системе. Поэтому все чаще становится целесообразным использовать преимущества отображения памяти в ввод-вывод. Однако, даже если адресное пространство больше не является серьезной проблемой, ни один из методов отображения ввода-вывода не является универсально превосходящим другой, и будут случаи, когда использование портного ввода-вывода все еще предпочтительнее.

Different CPU to device communication methods, such as memory mapping, do not affect the direct memory access (DMA) for a device, because, by definition, DMA is a memory to device communication method that bypasses the CPU. Hardware interrupts are another communication method between the CPU and peripheral devices, however, for a number of reasons, interrupts are always treated separately. An interrupt is device initiated, as opposed to the methods mentioned above, which are CPU initiated. It is also unidirectional, as information flows only from device to CPU. Lastly, each interrupt line carries only one bit of information with a fixed meaning, namely "an event that requires attention has occurred in a device on this interrupt line". I/O operations can slow memory access if the address and data buses are shared. This is because the peripheral device is usually much slower than main memory. In some architectures, port mapped I/O operates via a dedicated I/O bus, alleviating the problem. One merit of memory mapped I/O is that, by discarding the extra complexity that port I/O brings, a CPU requires less internal logic and is thus cheaper, faster, easier to build, consumes less power and can be physically smaller; this follows the basic tenets of reduced instruction set computing, and is also advantageous in embedded systems. The other advantage is that, because regular memory instructions are used to address devices, all of the CPU's addressing modes are available for the I/O as well as the memory, and instructions that perform an ALU operation directly on a memory operand (loading an operand from a memory location, storing the result to a memory location, or both) can be used with I/O device registers as well. In contrast, port mapped I/O instructions are often very limited, often providing only for simple load and store operations between CPU registers and I/O ports, so that, for example, to add a constant to a port mapped device register would require three instructions: read the port to a CPU register, add the constant to the CPU register, and write the result back to the port. As 16 bit processors have become obsolete and replaced with 32 bit and 64 bit in general use, reserving ranges of memory address space for I/O is less of a problem, as the memory address space of the processor is usually much larger than the required space for all memory and I/O devices in a system. Therefore, it has become more frequently practical to take advantage of the benefits of memory mapped I/O. However, even with address space being no longer a major concern, neither I/O mapping method is universally superior to the other, and there will be cases where using port mapped I/O is still preferable.

x86

В архитектурах на базе x86 предпочтительнее использовать ввод-вывод с отображением в память, поскольку инструкции, выполняющие ввод-вывод через порты, ограничены одним регистром: EAX, AX и AL – единственные регистры, используемые для передачи данных, а либо непосредственное значение размера байта в инструкции, либо значение в регистре DX определяет, какой порт является портом источником или портом назначения передачи.