理解I/O接口和端口的作用
输入输出接口
高速的微处理器与低速的外设能够协调的工作,需要有一个具有数据 缓冲和锁存能力、数据格式转换能力、定时控制能力并且能够提供外设状态的连接电路,我们把它叫做输入输出接口。
I/O接口应具有以下的功能:
(1)地址译码
CPU通过给接口分配地址识别接口,并通过地址总线将地址信息传送给接口。接口应该具有地址译码的能力。
(2)数据传送
(3)提供握手联络信号
外部设备的工作速度往往远低于CPU的 处理速度,CPU发送的数据不能被外设及时读取,造成数据丢失,因此需要握手联络信号(当设备准备好,CPU就与其交换信息,否则就等待),使CPU与I/O设备同步。
(4)数据格式转换
I/O接口必须能够提供外部设备的状态信 息,同时能够根据CPU的命令输出控制信号,对外设实施控制。
(5)信号电平转换
外部设备多是复杂的机电设备,其信号 电平多数与TTL或者MOS电路不兼容,需要接口来完成信号的电平转换。
(6)错误检测功能
接口和设备间的数据传输经常受到干扰,导致信息出错,接口应具备一定的错误检测能力,对传输信息进行校验。
I/O接口的分类
按数据传送方式,I/O接口分为并行接口和串行接口两类。
(1)并行接口,一次传送一个字节或多个字节的所有位。
(2)串行接口,一次传送一位,数据的所有位逐位传送。
CPU与I/O接口之间通过系统总线传输信息,包括地址信息、控制信息和 数据信息。I/O接口与设备之间通过串行或并行方式交换信息,包括数据 信息、控制信息和状态信息。
I/O端口
I/O接口电路需要设置若干专用寄存器,缓冲输入输出数据,设定控制 方式,保存输入输出状态信息等,这些寄存器可被CPU直接访问,常称为端口。
根据端口传输的信息,端口可分为数据端口、状态端口和控制端口,用 以传输数据信息、状态信息和控制信息。
状态信息是由外设提供,CPU适时读取,因此状态端口为信息输入端口。
I/O接口在开始工作前,CPU需要设定它的工作方式,这些信息存放在 控制端口。
根据信息传输方向,端口又可 以分为输入端口、输出端口或着是输入/输出的双向端口。
只用来输出数 据的数据端口称为数据输出端口,只用来输入数据的数据端口称为数据 输入端口。
输入端口具有的能力:
CPU从输入端口输入数据时,要求外部设备事先将数据准备好,当外设有数据要发给CPU时,数据应先保存在输入端口上,不能直接进入系统的数据总线上,当需要读取数据时,输入端口就把数据放到数据总线上,这就是输入端口必须具有的通断控制能力。
总线结构的计算机系统,除了CPU任何其他部件都不能直接加载数据到数据总线上。设备的接口电路挂接在系统总线上,但是设备输出的数据不能直接加载到数据总线。所以,接口上需要有一个“开关”一样的电路,当CPU读取外部设备的数据时,这个“开关”就将设备的数据加载到数据总线上,然后CPU通过数据总线接收数据。也就是书评输入端口必须具有“通断”控制能力。
输出端口具有的能力:
CPU向输出端口输出数据时,由于外设的速度慢,数据必须在输出端口 保持一定的时间,使外设能够正确接收,所以输出端口应具备数据锁存能力。
I/O端口的编址方式
CPU通过地址识别端口,端口地址也称为端口号。为I/O端口分配地址称为编址。I/O端口的编址方式有 两种:
- 与存储器统一编址
- 独立编址方式
1. 与存储器统一编址
这种方式又称为存储器映射编址方式。它将I/O端口作为内存单元对待,由CPU统一分配地址。通 常在CPU的地址空间中划出一部分作为输入输出系统的端口地址范围,不再作为内存地址使用。
通常为一个外设的各个端口分配连续的地址
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优点:访问I/O端口和访问内存单元一样,所有访问内存的指令都可以访问I/O端口,不用设置专门 的I/O指令;也不需要专用的I/O端口控制信号,简化了系统总线。
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利用数据传送指令就可以实现 CPU 与 I/O 端口的数据交换;
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用测试指令可以测试端口的状态位,了解外设的状态,判断输入输出操作的执行情况。
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缺点:占用一部分CPU地址空间。划出的端口地址范围,不能再作为内存地址使用 ,所以减少了内存地址空间。
2. 独立编址方式
CPU给I/O端口分配一个独立的地址空间,提供专用的控制信号。I/O端口地址空间与内存地址空间隔离。
- 优点:不占用内存空间,而且I/O端口地址线根数少,因为I/O端口地址空间不像内存那么大,不需要那么大的空间,所以译码电路简单。
- 缺点:需要专用的控制信号和专用的I/O指令。
3. 8088/8086CPU的编制方式
8088/8086CPU采用独立编址方式管理I/O端口,内存空间00000HFFFFFH(1MB),使用A0A19 全部20根地址线寻址。它使用地址信号线A0~A15,最多能够管理64K个端口, 端口地址范围0000H~FFFFH,有专用的控制信号 IOR 和 IOW 或IO/ M 、 RD 和 WR ; 专用指令IN和OUT。
CPU通过总线与存储器、I/O交换一个数据所需要的时间称为总线周期
M/IO:=1,表明该总线周期,CPU与存储器交换信息
=0,表明该总线周期,CPU与I/O接口交换信息
W/R: =1,表明该总线周期,CPU进行写操作
=0,表明该总线周期,CPU进行读操作
D/C :=1,表明该总线周期,传输的是数据
=0,表明该总线周期,传输的是指令代码
这三个信号的组合,决定当前总线周期所完成的操作
- I/O地址空间中000003FFH区间通常留给系统设备和ISA总线的端口使用。其中000000FFH区 间的端口地址,用于访问系统板上的设备,如时钟、定时器、键盘接口、中断控制器和DMA控制 器等。这个区间的地址信号中A8~A15都为0,所以为了使用方便,这个区间的端口地址在IN、OUT 指令中以8位地址的形式出现,只体现了A0~A7的内容。
- 0100~03FFH区间用于磁盘控制器、显示器、串行口和并行口等接口。
- 0400H~FFFFH地址区间用于用户应用、主板功能和PCI总线
CPU数据传送控制方式
微处理器与I/O设备之间的信息必须同步进行。常用的数据传送控制方式包括无条件传送方式、程序查询传送方式、中断传送方式、直接存储器存取方式(DMA)。
1. 无条件传送方式
无条件传送方式又称同步方式,适合简单外设的数据输入输出,例如开关、继电器、步进电机、发光二极管等。这些外设随时可以接收数据、随时可以提供数据,永远与CPU同步,CPU可直接与其进行数据交换,数据输入输出的控制程序很简单。
2. 程序查询传送方式
在实际应用中,多数I/O设备接收或发送信息的速度比微处理器慢很多,需要降低CPU数据传输的速度以匹配设备。CPU与它们交换信息时,首先要查询设备目前的工作状态,当设备准备好,CPU就与其交换信息,否则就等待,这种工作方式称为程序查询方式或握手。
例如,打印机每秒可打印200个字符,显然微处理器发送字符的速度远大于打印机打印字符的速度。微处理机与打印机连接需要进行速度匹配。
过程:
CPU通过数据端口DataP传送数据(D0~D7),并产生一个STB信号作为数据选通信信号发给打印机。打印机设置BUSY信号为逻辑1表示打印机“忙”,CPU通过状态端口StateP读取状态信息BUSY。
CPU发送信息前首先查询或测试BUSY信号,如果BUSY为逻辑1,表明打印机正在忙,CPU就等待;否则就发送一个字符到数据端口,然后再STB引脚设置一个脉冲信号。打印机利用STB脉冲信号接收D0~D7的数据。打印机收到数据后将BUSY信号置1并进行打印,打印结束后再将BUSY信号置为逻辑0.
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缺点:
在这种传送方式下,CPU每传送一次数据,都要查询外设状态,外设工作速度慢,CPU只好反复查询,或延时等待以匹配外设。CPU花费很多时间完成与外设的时序匹配,因此CPU的工作效率很低。
3. 中断传送方式
当输出设备处于空闲状态或者输入设备数据准备好时,接口向CPU发 出中断请求信号,CPU收到申请后及时响应接口的中断请求,暂停执 行主程序,转去执行中断服务程序,完成数据传输之后再返回到主程 序继续执行
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优点:
这种方式,CPU不再检测或查询外设的状态,设备具有了主动反映其 状态的能力,消除了程序查询方式的盲式测试,这种数据传送方式称 为中断方式。与程序查询方式相比,中断传送方式实时性好、节省 CPU时间、外设具有申请服务的主动权,并且在一定程度上实现设备 与CPU并行工作。
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缺点:
中断方式仍需要通过CPU执行程序来实现外设 与CPU之间的信息传送;CPU每次中断都需要花费时间保护断点和现 场,无法满足高速I/O设备的速度要求。
无条件传送方式、程序查询方式和中断方式在数据传送过程中,都需要经过CPU处理,CPU 从内存读出数据,再输出到外部设备,因此,这三种方式被统称为程 序控制下的输入输出方式(Programmed input and output),简称 PIO方式
4.DMA方式
直接存储器存取(Direct Memory Access)方式简称为DMA方式。 是在内存储器和I/O设备之间建立数据通路,不经过CPU的干预,实现内 存与设备之间的快速数据传送。
实现DMA方式需要专门的硬件装置DMA控制器(DMAC),控制外设与 内存之间的数据传输。
DMA数据传输的工作流程
① 外设向DMAC发出“DMA传送请求”信号(DRQ);
② DMAC收到请求后,向CPU发出“总线请求”信号HOLD,表示希望占 用总线;
③ CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态,表示让出三大总线的使用权,向DMA 控制器发出“总线响应”信号(HLDA)。
④ DMAC收到HLDA信号后,就开始控制总线,并向外设发出DMA响应信 号DACK;
⑤ DMAC送出地址信号和相应的控制信号,实现外设与内存或内存与内存 之间的直接数据传送;
⑥ 规定的数据传送完后,DMAC就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测 到HOLD失效后,紧接着撤销HLDA信号,并在下一时钟周期重新开始控 制总线。
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else return; }else if(buflen == 0) { // 这里表示对端的socket已正常关闭. } if(buflen == sizeof(buf) rs = 1; // 需要再次读取 else rs = 0; } 还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send内部,当写缓冲已满(send返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send内部,但暂没有更好的办法. ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen) { ssize_t tmp; size_t total = buflen; const char *p = buffer; while(1) { tmp = send(sockfd, p, total, 0); if(tmp < 0) { // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1. if(errno == EINTR) return -1; // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满, // 在这里做延时后再重试. if(errno == EAGAIN) { usleep(1000); continue; } return -1; } if((size_t)tmp == total) return buflen; total -= tmp; p += tmp; } return tmp; } 二、epoll在LT和ET模式下的读写方式 在一个非阻塞的socket上调用read/write函数, 返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK(注: EAGAIN就是EWOULDBLOCK) 从字面上看, 意思是: * EAGAIN: 再试一次 * EWOULDBLOCK: 如果这是一个阻塞socket, 操作将被block * perror输出: Resource temporarily unavailable 总结: 这个错误表示资源暂时不够, 可能read时, 读缓冲区没有数据, 或者, write时,写缓冲区满了 。 遇到这种情况, 如果是阻塞socket, read/write就要阻塞掉。 而如果是非阻塞socket, read/write立即返回-1, 同 时errno设置为EAGAIN. 所以, 对于阻塞socket, read/write返回-1代表网络出错了. 但对于非阻塞socket, read/write返回-1不一定网络真的出错了. 可能是Resource temporarily unavailable. 这时你应该再试, 直到Resource available. 综上, 对于non-blocking的socket, 正确的读写操作为: 读: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续读 写: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续写 对于select和epoll的LT模式, 这种读写方式是没有问题的. 但对于epoll的ET模式, 这种方式还有漏洞. epoll的两种模式 LT 和 ET
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