902-输入输出接口的编址方式

CPU 的运算能力很强， 但它与外界沟通交流的手段却非常地单一， 它总是希望有这样“我给你一个地址，你就给我一个数据”非常直白的沟通方法。 所以它平时也只能和存储器这样胸怀宽广，但是同样头脑简单的家伙在一起玩了。

然而现在它需要面对外界那么多的朋友，各个都非常复杂，有时还经常捣些乱， 那它恐怕就应付不了了，所以它就找了 I/O 接口这样的帮手帮它打理外部的世界， 而它呢还是希望能够用一个简单的方式和 I/O 接口进行交互和沟通。 所以我们就来看一看 CPU 是怎么和 I/O 接口进行沟通的。

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这是 I/O 接口在计算机系统当中的位置， 和访问存储器中的单元一样，我们想要 CPU 访问 I/O 接口当中的这些寄存器，也是需要通过编写指令来实现，那问题就是，I/O 接口里面的这些寄存器的地址究竟是什么？

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我们先来看几个基本概念，在系统当中通常会有多个 I/O 接口， 每个 I/O 接口内部都有若干个寄存器，这些寄存器一般被称为 I/O 端口， 我们不要被这个词的字面意义所迷惑， 这个端口指的并不是我们计算机上的 USB 接口、网线接口这样实实在在的接口， 而是一个抽象的概念， 它实际上指的就是这些在 I/O 接口芯片内部的寄存器，它们就像在存储器当中的一个个存储单元一样，CPU 要访问它们，就得有特定的地址， 因此每个寄存器，也就是每个 I/O 端口都需要有自己的地址，这称为端口地址，也叫做端口号。那在计算机系统中， 如何去设定这些端口号就称为 I/O 端口的编址方式。

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编址方式

常见的 I/O 端口编址方式有两种： 第一种是 I/O 端口和存储器分开编址， 又被称为 I/O 映像的方式，x86 体系结构就采用了这种方式。 另一种常见的方式是 I/O 端口和存储器统一编址， 又称为存储器映像的 I/O 方式。 ARM、MIPS、PowerPC 等体系结构都采用了这样的方式。

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分开编址

那我们先来看分开编址的方式。我们假设这个体系结构地址的宽度为 3， 那它一共可以访问的地址单元就是 2 的三次方，总共 8 个， 如果每个单元是一个字节，那它的存储器最大就是 8 个字节

然后我们需要在这个计算机系统当中增加一些 I/O 端口， 那 I/O 端口的地址是重新编排的，和存储器地址无关。 一般情况下，我们需要的 I/O 端口的数量都比存储器单元要少得多， 比如在这个示例的系统当中，我们需要四个 I/O 端口， 那我们就给它分配四个端口号，0、1、2、3，这样的编址方式就称为分开编址。

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在这种编址方式下，要访问 I/O 端口需要用特殊的指令， x86 提供了 IN 和 OUT 这两条指令， IN 指令用于把 I/O 端口的内容输入到 CPU 当中的寄存器， 而 OUT 指令则是把 CPU 寄存器当中的内容输出到 I/O 端口中。

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那我们来看一看 IN 和 OUT 指令应该如何书写。 如果要访问的端口地址在 0 到 255 之间，那可以采用两种方式。 一是叫直接寻址，也就是写一个立即数指定端口地址， 例如这条指令，这个 80H 就是一个端口号，那这条指令说的是 从 80H 这个端口读出一个字节的内容，并存放到 AL 寄存器当中去，

而这条指令则是说，将 AX 当中的两个字节的内容，传送到 80H 所指定的 I/O 端口中，当然这个 I/O 端口对应的应该是一个两字节的寄存器。

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而如果端口地址大于 255，则需要将这个地址先保存到 DX 寄存器当中， 然后再执行 IN 和 OUT 的操作。我们也来看一个例子， 假如我们要访问第 288 号端口， 这时候就需要先把这个端口号存到 DX 寄存器当中， 然后在 IN 和 OUT 指令当中，使用 DX 寄存器来指定端口号，这样就是对 288 号端口地址进行操作。

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当然，对于端口地址在 0 到 255 之间的，也可以使用间接寻址的方式，那么 x86 为什么要设定这两种方式呢？ 主要还是为了指令的长度， 我们看到在直接寻址的情况下，我们需要有一个字节的操作码， 还需要有一个字节保存这个端口号，那么一个字节所能表达的范围就是 0 到 255， 如果端口地址大于 255，那原本就需要再增加一个字节来记录端口号，但这样指令就太长了，为了缩短指令长度，宁可多增加一个指令，这也是 CISC 的特点。

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所以对于间接寻址，有另外一个操作码， 这条指令只有一个字节，既没有立即数，也没有寄存器的编号， 所以它是默认地采用 DX 寄存器来保存端口地址， 这样在访问更大的端口地址时，指令的长度反而可以更短一些。 那这里就有一个问题，既然用这个方式能访问的地址范围更大，指令长度还更短， 那我们为什么不只用这一种方式呢？还需要去直接寻址这样的方式？ 这个问题就留给你自己思考。

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那我们再通过一个例子来看一看这样的指令的操作过程。 这条指令是 AL 寄存器当中的一个字节，传送到 21H 这个端口号， 那么当 CPU 从存储器当中取回了这条指令，通过译码发现是一条 OUT 指令， 那它就会将 AL 寄存器当中的内容取出来，放到数据总线上，并将 21H 放到地址总线上， 那么这时候系统总线应该怎么办呢？

我们不妨把系统总线看成城市中的一条街道，而把系统总线所连接的存储器 I/O 接口看成街道两旁的一些建筑，每个建筑里面还有很多个单位，每个单位都有一个门牌号， 那现在就好像有一个快递员接收了一个任务，要把一个包裹送到 21H 这个地址， 于是他就在这个街道上走，查看着每个大楼的门牌号

然后他发现，这两个存储器地址范围，一个是从 0 到 7FFF, 一个是从 80000 到 5 个 F。那么在存储器 1 当中，实际上是包含了 21H 这个地址的， 但他接着再看，这个 I/O 接口 1 当中的地址是 00 到 1F， 而 I/O 接口 2 当中的地址是 20 到 3F，I/O 接口 3 的地址是 40 到 5F，所以在 I/O 接口 2 当中，也包含了 21H 这个地址。 那这个包裹应该送到哪儿呢？ 所以单凭这个地址，系统总线是无法判定要访问哪个设备的。

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因此，CPU 发出的信号中， 除了地址，还应该有一个别的信号，这个信号指明了当天要访问的是存储器还是 I/O 接口。 在 x86 的 CPU 当中，这个信号叫做 M/IO， 当这个信号为 0 的时候，表明当前在访问 I/O 接口，而这个信号为 1 的时候，表明在访问存储器，这样系统总线就知道该怎么办了，它会在所有的 I/O 接口当中， 寻找这个地址所对应的端口，那么这就发现是在 I/O 接口 2 中， 所以系统总线会把这个传输传到 I/O 接口 2，I/O 接口 2 可能是一个独立的芯片， 当它在系统总线上采样到这个地址和一个数据之后，就会在内部找到对应的端口号。

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我们要注意的一点是，这些 I/O 接口内部一般只有 少数几个端口，所以它只会采样地址的低几位， 然后用这个低位在内部进行索引。在这个例子当中，21H 的这个 2 是系统总线用来找到这个 I/O 接口的，而这个 I/O 接口只用接收到地址的低位这个 1，然后在内部找到对应的端口就可以了。 最后这个 I/O 接口将从数据总线上采样到数据，也就是 AL 寄存器当中的内容， 保存到它内部的数据输出寄存器中，这就完成了这条 OUT 指令所需的操作。至于这个数据输出寄存器它外面是连接到了几个小灯泡，还是一个数码管， 那就是这个 I/O 接口和外射的连接情况了。

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统一编制

然后我们再来看一看 I/O 端口和存储器统一编址的情况。 还是假设地址宽度为 3，那我们在这个统一编址的体系结构当中，总共就只有 8 个单元， 然后根据需要，其中有一部分用来作为 I/O 端口的地址，其他部分用来作为存储单元的地址。

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那我们之前介绍的模型机就采用了统一编址的方式， 它的地址总线宽度为 4 位，这样一共就有 16 个单元， 而存储器当中用了的地址是 0 到 7，一共 8 个单元。 而输入、输出设备则用了 15 和 16 这两个地址， 另外还有一些地址在这个系统当中没有使用， 那在之后扩展中，可以增加一些存储器，或者增加一些输入、输出端口， 但是总共只有这 16 个，是不可以重复的。

当然，因为它是统一编址的，所以给出任意一个地址，只有唯一的一个单元与之对应， 所以也就不需要刚才 x86 当中使用的 M/IO 这样的信号来指定当前的地址 到底是 I/O 地址还是存储器地址。

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统一编址方式的优缺点

那我们来看一看统一编址方式的优缺点。

首先来看优点。因为在统一编址的情况下，是不区分存储器地址和 I/O 端口地址的， 所以我们就可以直接用访问存储器的指令来访问 I/O 端口，而访问存储器的指令功能通常比较丰富，比如数据可以有各种的宽度，地址也有多种的产生方式，可以是立即数，可以是寄存器，也可以是寄存器加立即数，甚至还可以放在存储器当中， 所以这样就比较方便对 I/O 端口进行处理。

另外，如果要涉及单独的 I/O 操作的指令，无论它做得怎么简单，也是需要额外的一套硬件逻辑， 而采用统一编址的方式，CPU 中只需要有一套对外部总线的控制逻辑就可以了， 内部结构简单，对外的引脚数目也会少一些。

但是统一编址也有它的缺点，由于 I/O 端口占用了 一部分地址空间，从而使用于存储器的地址空间变小了， 这个问题对于早期的处理器影响还是非常大的， 我们想一想，x86 的早期只有 16 位宽的地址，按说只能访问 64KB 的存储器， 它为了有更多的存储器空间，还设计了一个非常复杂的 段加偏移的方式，才能访问一兆的地址空间， 如果在这个时候还要为了 I/O 端口占用了一部分地址空间，那就很难接受了， 这也是 x86 选用了分开编址方式的一个重要原因。

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而当 CPU 的字长到了 32 位之后， 在很长一段时间，地址空间都不是一个问题， 所以那个时候直接从 32 位起步的 MIPS 就采用了统一编址的方式， 当然现在到了 64 位之后，物理的存储器远远用不了这么大的地址空间， 所以地址空间被挤占这个因素现在已经不成问题了。另外，如果要用访问存储器的指令来进行 I/O 操作，那这些指令往往比单独设计的 I/O 指令要长，而且因为这些指令比较复杂，执行的时间可能也会长一些。这也是 risk 为什么普遍采用了统一编址方式的原因，因为 risk 的指令都是固定长度的， 所以即使设计单独的 I/O 指令，也不会比普通的访存指令更短一些，而 x86 这样的 cisc 采用了变长的指令， 所以就可以设计出更短的专门用于 I/O 的指令，从而提高指令的密度。

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小结

那么了解了统一编址的特点、分开编址的特点，我们也就清楚了他们的优缺点刚好是相对的，在分开编址的情况下，I/O 端口不会挤占存储器的地址空间， 而且因为涉及了单独的 I/O 指令，它的指令编码可以做得很短，执行速度也比较快， 而 I/O 地址空间一般是远远小于存储器地址空间的， 所以独立的 I/O 指令可以使用较短的地址编码，从而让地址译码变得更为方便。 另外从软件编程的角度来看， 有了单独的 IN 和 OUT 指令，可以很清晰地看出哪些是 I/O 操作， 哪些是存储器操作，让程序的结构变得清晰易懂。 而分开编址的缺点，我们刚才也都已经说完了，就不再重复了。

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现在 CPU 可以用它习惯的方式和 I/O 接口进行交互， 这确实让事情变得简单了很多，但是这并不意味着 CPU 就可以做甩手掌柜了。 其实 I/O 接口只能帮 CPU 解决一些沟通交互上的琐碎细节， 真正的沟通的核心内容还得 CPU 自己来做。